课程设计(过程装备与控制工程专业)控制部分

1、成绩：中 国 矿 业 大 学课程设计说明书姓 名： 王小婷 学 号： 06112854 （27） 学 院： 化工学院 专业班级： 过程装备与控制工程11-2班 课 程： 过程装备与控制专题设计控制部分 指导教师： 王启立 2015 年 1 月 过程装备与控制专题设计控制部分设计题目：甲醇制备工艺过程控制系统初步设计根据淮北矿业集团某厂甲醇制备工艺相关图纸，根据过程控制工程设计相关要求，结合图纸，完成以下工作。一、设计内容 1、 工艺流程及设计过程中涉及到的相关规定（依据）介绍。2、 绘制管道仪表流程图（P&ID图）。3、 根据P&ID图，列出监测、控制变量类型、数量及位置，以表

2、格形式汇总。其中，班级序号1-10的完成图纸中第一部分；班级序号11-20的完成图纸中第二部分；班级序号21-30的完成图纸中第三部分。4、 仪表及传感器选型设计，绘制自控设备明细表。5、 控制装置选型：根据监控变量，进行控制装置（PLC）选型设计，绘制设备明细表。6、 系统供电设计。7、 安全及防护措施设计：系统防爆、接地等方面设计，提出具体措施。8、 设计小结：包括主要设计成果，设计感想等。二、设计要求设计作业A4纸打印，左侧装订，应包括的内容：1、 封面；2、 目录；3、 设计要求；4、 设计正文；5、 设计总结；6、 参考文献;7、 附录。目 录1 设计要求11.1 设计题目11.2

3、设计内容12 设计内容12.1 工艺流程及设计过程中涉及到的相关规定（依据）介绍12.2 绘制管道仪表流程图（P&ID图）32.3 变量检测32.4 仪表及传感器选型42.5 控制装置选型92.6 系统供电设计102.7 安全及防护措施设计103 设计总结114 参考文献125 附录121 设计要求1.1 设计题目 设计题目：甲醇制备工艺过程控制系统初步设计根据淮北矿业集团某厂甲醇制备工艺相关图纸，根据过程控制工程设计相关要求，结合图纸，完成以下工作。1.2 设计内容 9、 工艺流程及设计过程中涉及到的相关规定（依据）介绍。10、 绘制管道仪表流程图（P&ID图）。11、 根据

4、P&ID图，列出监测、控制变量类型、数量及位置，以表格形式汇总。其中，班级序号1-10的完成图纸中第一部分；班级序号11-20的完成图纸中第二部分；班级序号21-30的完成图纸中第三部分。12、 仪表及传感器选型设计，绘制自控设备明细表。13、 控制装置选型：根据监控变量，进行控制装置（PLC）选型设计，绘制设备明细表。14、 系统供电设计。15、 安全及防护措施设计：系统防爆、接地等方面设计，提出具体措施。 设计小结：包括主要设计成果，设计感想等。2 设计内容2.1 工艺流程及设计过程中涉及到的相关规定（依据）介绍2.1.1 天然气制甲醇 天然气是制造甲醇的主要原料.天然气的主要组分

5、是甲烷,还含有少量的其他烷烃、烯烃与氮气.以天然气生产甲醇原料气有蒸汽转化、催化部分氧化、非催化部分氧化等方法,其中蒸汽转化法应用得最广泛,它是在管式炉中常压或加压下进行的.由于反应吸热必须从外部供热以保持所要求的转化温度,一般是在管间燃烧某种燃料气来实现,转化用的蒸汽直接在装置上靠烟道气和转化气的热量制取.由于天然气蒸汽转化法制的合成气中,氢过量而一氧化碳与二氧化碳量不足。 工业上解决这个问题的方法一是采用添加二氧化碳的蒸汽转化法,以达到合适的配比,二氧化碳可以外部供应,也可以由转化炉烟道气中回收.另一种方法是以天然气为原料的二段转化法,即在第一段转化中进行天然气的蒸汽转化,只有约1/4的甲

6、烷进行反应,第二段进行天然气的部分氧化,不仅所得合成气配比合适而且由于第二段反应温度提高到800以上,残留的甲烷量可以减少,增加了合成甲醇的有效气体组分. 天然气进入蒸汽转化炉前需进行净化处理清除有害杂质,要求净化后气体含硫量小于0.1mL/m3.转化后的气体经压缩去合成工段合成甲醇1.如图1图1 甲醇合成流程图甲醇合成是在一定的压力下，在催化剂的作用下，合成气中的一氧化碳，二氧化碳与氢反应生成甲醇，基本反应式为：CO+2H2=CH3OH+QCO2+3H2=CH3OH+H2O+Q在甲醇合成过程中，有如下副反应；2CO+4H2=（CH3）O+H2O2CO+4H2=C2H5OH+H2O4CO+8H

7、2=C4H5OH+3H2O2.1.2 设计过程中涉及到的相关规定（依据）介绍 化工装置自控工程设计规定（HG/T 2063620639）是根据原化学工业部建设协调司(1996)化建标发90号文“1996年设计基础工作计划”的任务，由全国化工自动控制设计技术中心站（原化学工业部自动控制设计技术中心站，下同）组织，为推行国际通用设计体制和方法(简称“新体制”)，总结国内外自控工程设计经验，与国际接轨而编写的。 所谓“新体制”,即是国际通用设计体制。国际通用设计体制是二十一世纪科学技术和经济发展的产物，已成为当今世界范围内通用的国际工程公司模式。按国际通用设计体制，有利于工程公司的程建设项

8、目总承包，对项目实施“三大控制”（进度控制、质量控制和费用控制），也是工程公司参与国际合作和国际竞争进入国际市场的必备条件。国际上通常把全部设计过程划分为由专利商承担的工艺设计（基础设计）和由工程公司承担的工程设计两大设计阶段；工程设计则再划分为基础工程设计和详细工程设计两个阶段。 在我国现行设计体制的程序中，工程公司在开始基础工程设计工作前，需要将专利商的工艺设计（基础设计）形成向有关部门和用户报告、供审批的初步设计，因此在本规定的工程公司工程设计有关工作内容中，保留有初步设计的名词。化工装置自控工程设计规定包括4项化工行业标准,共含22个分规定,它们是: 1自控专业设计管理规定(HG/T&

9、#160;20636)(含10个分规定) 2自控专业工程设计文件的编制规定(HG/T 20637)(含8个分规定) 3自控专业工程设计文件深度的规定(HG/T 20638)4 自控专业工程设计用典型图表及标准目录(HG/T 20639)(含3个分规定)2.2 绘制管道仪表流程图（P&ID图）2.2.1 管道仪表流程图的定义及作用管道仪表流程图（带控制点流程图）使用来表达物料从原料到产品生产过程和控制方法的图样。其作用：PID是设备布置图和管道布置图的设计依据，也是其他专业的设计依据，并可供施工安装、生产操作时参考。2.2.2 管道仪表流程图的内容PID表达

10、流程中所有的设备、管道、仪表。（1） 设备：设备的名称和位号、成套设备、设备位号和设备规格、接管与联接方式、零部件、标高、驱动装置、排放要求。（2） 配管：管道规格：间断使用的管道、阀件、管道的衔接、两相流管道、管口、伴热管、埋地管道、管件、取样点、特殊要求、成套设备接管、扩建管道与原有管道、装置内、外管道、特殊阀件、清焦管道。（3） 仪表与仪表配管：在线仪表、调节阀、安全阀、设备附带仪表、仪表编号、联锁及讯号、冲洗、吹扫、成套设备（4） 其他：在P&ID中要将特殊的设计及安装要求标示出来，亦可作为注释单独列出，如开/停车联锁、再生要求、仪表与有关的管道阀的安装要求、特殊的专用管件等。

11、 管道仪表流程图见附录12.3 变量检测2.3.1 温度检测 1个粗醇去粗醇贮槽，测粗醇去粗醇贮槽的温度1个，共有1个温度监测点。2.3.2 压力检测 1个甲醇中间槽，测甲醇中间槽的压力1个；1个烯醇贮槽，测烯醇贮槽的液位1个；2个醇分离器，测醇分离器的压力2个；1个洗醇塔，测洗醇塔的压力1个；1个醇水分离器，测醇水分离器的压力1个；测两个醇分离器之间的压差1个；测洗醇塔与醇水分离器之间的压差1个；共计有8个压力监测点。2.3.3 流量监测 1个甲醇中间槽，测甲醇中间槽的液位1个；1个烯醇贮槽，测烯醇贮槽的液位1个；2个醇分离器，测醇分离器的液位2个；1个洗醇塔，测洗醇塔的液位1个；1个醇水分

12、离器，测醇水分离器的液位1个，共计有6个流量监测点。2.3.4 控制流量 1个甲醇中间槽，控制甲醇中间槽的液位1个；2个醇分离器，控制醇分离器的液位2个；1个洗醇塔，控制洗醇塔的液位1个；1个醇水分离器，控制醇水分离器的液位1个，共计有5个流量控制点。如表1 变量检测序号检测或控制变量I/0点及数量总数量1温度粗醇去粗醇贮槽TIQ-1001（甲醇温度1个）12压力甲醇中间槽PIA-1009（甲醇中间槽压力1个）8稀醇贮槽PIA-1010（稀醇贮槽压力1个）醇分离器PI-1006（分离甲醇压力2个）醇分离器PI-1013（2个分离器之间的压差1个）洗醇塔PI-1008（洗醇塔压力1个）醇水分离器

13、PI-1009（醇水分离器压力1个）洗醇塔、醇水分离器PI-1014（1个分离器间的压差1个）3流量甲醇中间槽LIAC-1005（甲醇中间槽液位1个）6稀醇贮槽LIA-1006（稀醇贮槽液位1个）醇分离器LIAC-1002（醇分离器液位2个）洗醇塔LIAC-1004-1（洗醇塔液位1个）醇水分离器LIAC-1004-2（醇水分离器液位1个） 4 调节甲醇中间槽LIAC-1005（甲醇中间槽液位1个） 5醇分离器LIAC-1002（醇分离器液位2个）洗醇塔LIAC-1004-1（洗醇塔液位1个）醇水分离器LIAC-1004-2（醇水分离器液位1个）2.4 仪表及传感器选型2.4.1 检测仪表（元

14、件）控制阀选型的一般原则如下：（1） 工艺过程的条件 工艺过程的温度、压力、流量、黏度、腐蚀性、毒性、脉动等因素，是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性，仪表的使用寿命及车间的防火防爆保安又需随时监控的变量，应设控制；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计算等问题。（2） 操作上的重要性各监测点的参数在操作上的重要性仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选定的依据。一般来说，对工艺过程影响不大，但需要经常监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录式；而对一些对工艺过程影响较大的，或经济核算的变量，宜设积算；一些可能影响生产或安全的变量，宜设报警。（3）

15、经济性和统一性 仪表的选型也取决于投资的规模，应在满足工艺和自控要求的条件下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。 为便于仪表的维修和管理，再选型上也要考虑到仪表的统一性。尽量用同一系列、统一规格型号及统一生产厂家的产品。（4） 仪表的使用和供应情况 选用的仪表应是较为成熟的产品，经现场使用证明性能可靠；同时要注意到选用的仪表应当货源供应充足，不会影响工程的施工进度7。2.4.2 温度测量仪表的选型常用工业温度计的特点如表3所示表2 各种温度计的特点形式温度计种类优点缺点接触式仪表玻璃液体温度计结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录与远传压

16、力表式温度计结构简单，不怕振动，具有防爆性，价格低廉精度低，测温距离较远时，仪表的滞后性比较大双金属温度计结构简单，机械强度大，价格低精度低，量程和适用范围均有限热电阻温度精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测量高温，由于体积比较大，测量温度较困难热电偶测量范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需要冷端温度补偿，在低温段测量精度较低 非接触式 仪表辐射式温度计测量元件不破坏被测物体温度场，测量范围广只能测量高温，低温测量不准，环境条件会影响测量准度，对测量值修正后才能获得真实温度工业中常用接触式温度计选用原则：1、 满足对测温范围的要求；2、 满足对测温准确度的要求；

17、3、 满足对指示、记录和报警及温度控制方面的要求；4、 满足对使用环境条件的要求；5、 在满足上述前提下选用价格低廉，坚固耐用，维修方便的仪表。北京万顺华科技有限公司：HUATO S300用途：测量、显示、记录测量范围：0-300°工作电压：24V DC输出信号：4-24mA精度等级：0.1级最大工作电压：3MPa数量：1个2.4.3 压力测量仪表的选型 压力测量仪表按其工作原理金额分为液柱式、弹性式、活塞式（负荷式）及压力传感式四大类。常用的液柱式压力计和弹性式压力表的特点如表4所示 表3 常用的液柱式压力计和弹性式压力表的特点形式种类优点缺点液柱式压力计 液柱式压力计简单可靠，精

18、度和灵敏度均较高，可采用不同密度的工作液，适合低压、低压差测量，价格较低不便携带，没有超量程保护，介质冷凝会带来误差，被测介质与工作液需适当搭配 弹性式压力表弹簧管压力表结构简单，价廉，量程范围大，精度高，产品成熟对冲击、振动敏感，正、反行程有滞后现象膜片压力表超载性能好，线性，适于测量绝压、差压，尺寸小，价格适中，可用于粘稠浆液的测量抗震、抗冲击性能不好，测量压力较低，维修困难波纹管压力表输出推力大，在低、中压范围内使用好，适于绝压、压差测量，价格适中需要环境温度补偿，不能用于高压测量，需要靠弹簧来精细调整 特性，对金属材料的选择有限制1、按照使用环境和测量介质的性质选择 1 在大气腐蚀性较

19、强、粉尘较多和易喷淋液体等环境恶劣的场合，应根据环境条件，选择合适的外壳材料及防护等级。 2 对一般介质的测量 3 稀硝酸、醋酸及其它一般腐蚀性介质，应选用耐酸压力表或不锈钢膜片压力表。 4 稀盐酸、盐酸气、重油类及其类似的具有强腐蚀性、含固体颗粒、粘稠液等介质，应 选用膜片压力表或隔膜压力表。其膜片及隔膜的材质，必须根据测量介质的特性选择。 5 结晶 、结疤及高粘度等介质，应选用法兰式隔膜压力表。 6 在机械振动较强的场合，应选用耐震压力表或船用压力表。 7 在易燃、易爆的场合，如需电接点讯号时，应选用防爆压力控制器或防爆电接点压力表。 8 对于测量高、中压力或腐蚀性较强的介质的压力表，宜选

20、择壳体具有超压释放设施的压力表。2、精确度等级的选择 1 一般测量用压力表、膜盒压力表和膜片压力表，应选用1.5级或2.5. 级。 2 精密测量用压力表，应选用0.4级、0.25级或0.16级。 3、外型尺寸的选择 1 在管道和设备上安装的压力表，表盘直径为l00mm或150mm。 2 在仪表气动管路及其辅助设备上安装的压力表，表盘直径为小于60mm。 3 安装在照度较低、位置较高或示值不易观测场合的压力表，表盘直径为大于150mm或200mm 。 4、测量范围的选择 1 测量稳定的压力时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/3-2/3, 2 测量脉动压力(如:泵、压缩机和风机等出口处压

21、力)时，正常操作压力值应在 仪表测量范围上限值的1/31/2 3 侧量高、中压力时，正常操作压力值不应超过仪表测量范围上限值的1/2 5、变送器的选择 1 以标准信号传输时，应选用变送器。 2 易燃、易爆场合，应选用气动变送器或防爆型电动变送器。 3 结晶、结疤、堵塞、粘稠及腐蚀性介质，应选用法兰式变送器。与介质直接接触的材质，必须根据介质的特性选择。 4 对于测量精确度要求高，而一般模拟仪表难以达到时，宜选用智能式变送器，其精确度优于0.2级以上。当测量点位置不宜接近或环境条件恶劣时，也宜选用智能式变送器。 5 使用环境较好、测量精确度和可靠性要求不高的场合，可以选用电阻式、电感式远传压力表

22、或霍尔压力变送器。 6 测量微小压力(小于500Pa)时，可选用微差压变送器。 7 测量设备或管道差压时，应选用差压变送器。 8 在使用环境较好、易接近的场合，可选用直接安装型变送器。 6、安装附件的选择 1 测量水蒸汽和温度大于60的介质时，应选用冷凝管或虹吸器。 2 测量易液化的气体时，若取压点高于仪表，应选用分离器。 3 测量含粉尘的气体时，应选用除尘器。 4 测量脉动压力时，应选用阻尼器或缓冲器。 5 在使用环境温度接近或低于测量介质的冰点或凝固点时，应采取绝热或伴热措施。浙江乐清市利民仪表有限公司：Y100-B测量范围：0-1MPa工作电压：24V DC输出信号：4-24mA精度等级

23、：1.6级最大工作电压：3MPa数量：2个北京万顺华科技有限公司：YX-160-B测量范围：0-1MPa工作电压：24V DC输出信号：4-24mA精度等级：1.6级最大工作电压：3MPa数量：6个2.4.4 流量测量仪表的选型在流量计如何选型的问题中，不同种类的流量计选型方法和参照因素也不相同，要根据其具体的作用和性能来参考选择。 1. 电磁流量计选型 测量各种酸、碱、盐等腐蚀液体;各种易燃，易爆介质;各种工业污水，纸浆，泥浆等。电磁流量计不能用于测量气体、蒸气以及含有大量气体的液体.不能用来测量电导率很低的液体介质,不能测量高温高压流体。 2. 涡街流量计选型(旋涡流量计) 涡街流量计,主

24、要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。 3. 浮子流量计选型(转子流量计) 它可以用来测量液体、气体、以及蒸汽的流量，特别适宜低流速小流量的介质流量测量。 4. 科氏力质量流量计选型 质量流量计广泛应用于石化等领域，是当今世界上最先进的流量测量仪表之一， 5. 热式(气体)质量流量计选型 适合单一气体和固定比例多组份气体的测量。 6. 超声波流量计选型 目前我国只能用于测量200以下的流体。强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。 7. 涡轮流量

25、计选型 涡轮流量计广泛应用于以下一些测量对象：石油、有机液体、无机液、液化气、天然气、煤气和低温流体等。 流量计选型不可能做到十全十美，因为.每种型式都有它特有的优缺点，只能根据不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件来选择安生可靠又经济耐用的最佳型式9。流量计选型之前要做好以下准备工作： 1、 测流体的名称、特性(腐蚀性、粘稠度、磨损性等) 2、 工作流量(正常流量、最大流量、最小流量) 3、 工作压力(最大、最小工作压力)，如果有负压形成要特别注意 4、 工作温度(最高温度、最低温度) 5、 流体的电导率，要求必须具备一定的导电性，电导率5S/cm 6、 安装地点 7、

26、 供电方式 8、 工艺管道尺寸 9、 与中控室之间的通讯方式北京万顺华科技有限公司：GDY-K测量范围：0-5m工作电压：24V DC输出信号：4-24mA精度：0.075最大工作电压：3MPa数量：6个表4 传感器选型表序号传感器厂家型号测量范围数量（个）1温度北京万顺华科技有限公司HUATO S3000-300°12液体压力浙江乐清市利民仪表有限公司Y100-B0-1MPa23气体压力北京万顺华科技有限公司YX-160-B0-1MPa64液位北京万顺华科技有限公司GDY-K0-5m6 仪表选型见附录22.5 控制装置选型 PLC选型序号型号类型订货号参数数量（个）1CPU 313

27、C-2 DPCPU模块6ES7 313-6CE00-0AB0紧凑型CPU，32KB 主存储器，24VDC 电源，内置16DI/16DO 12SM 331模拟量输入模块6ES7 331-7SF00-0AB08位模拟量量输入33SM 332模拟量输出模块6ES7 332-5RD00-0AB04位模拟量输出24MMC存储卡6ES7 953-8LM11-0AA0 4 MB15 PS 307 电源模块6ES7307-1KA02-0AA0120/230V AC；24VDC/10A1表5 PLC选型表 选型原因：采用西门子S7-300 PLC作为中央逻辑控制单元，具有

28、可靠性、稳定性、快速性和准确性等特点。本次项目15个模拟量输入信号，5个模拟量输出信号。CPU 313C-2 DP集成16输入/16输出共32个数字量I/O点，再加上数字量模块和模拟量输入模块，能满足系统的要求，且有10-20%的余量。2.6 系统供电设计2.6.1系统供电设计原则 确定供电系统的一般原则是：供电可靠，操作方便、运行安全灵活，经济合理，具有发展的可能性。（1）供电可靠性供电可靠性是指供电系统不间断供电的可靠程度。应根据负荷等级来保证其不同的可靠性。在设计时，不考虑双重事故。（2）操作方便，运行安全灵活供电系统的接线应保证在正常运行和发生事故时操作和检修方便、运行维护安全可靠。为

29、此，应简化接线，减少供电层次和操作程序。（3）经济合理接线方式在满足生产要求和保证供电质量的前提下应力求简单，以减少投资和运行费用，并应提高供电安全性。（4）具有发展的可能性2.6.2 接线方式（1）供电系统按系统接线布置方式可分为放射式、干线式、环式及两端电源供电式等接线系统；（2）按运行方式可分为开式和闭式接线系统；（3） 按对负荷供电可靠性的要求可分为无备用和有备用接线系统。在有备用接线系统中，其中一回线路发生故障时，其余线路能保证全部供电的成为完全备用系统；如果只能保证对重要用户的供电，则成为不完全备用系统。备用系统的投入方式可分为手动投入、自动投入和经常投入等几种。 系统供电设计图见

30、附录32.7 安全及防护措施设计2.7.1 仪表防爆设计防爆设计的重要性燃烧与爆炸6： 1、气体、蒸汽或薄雾：存在易燃气体、易燃液体的蒸汽或薄雾；上述物质与空气混合并且达到爆炸极限；存在足以点燃爆炸性混合气体的火花、电弧或高温。 2、粉尘、纤维、微小颗粒：存在易燃的粉尘、纤维、微小颗粒；上述物质与空气混合并且达到爆炸极限；存在足以点燃爆炸性混合气体的火花、电弧或高温。 上述条件中如果没有达到爆炸限，则形成火灾条件。隔爆仪表系统设计问题 隔离防爆型仪表和电器的防爆原理是通过密封隔离技术将危险性气体隔离在外，使其不能进入到仪表和电器内，这样当仪表和电器内部因为故障产生火花时不会引爆外部的危险气体。 各种热电偶、热电阻、变送器、现场接线箱、调节阀、电磁阀等设备必须是隔爆仪表。利用自控安全材料中专用防爆接头、防爆活接头、浇筑式防爆接头等附件来完成接线问题。 除了仪表连线处密封之外，电缆保护管的出入口、电缆桥架与电缆保护管的联结处、挠性管的出入口、以及挠性管与电缆保护管的联结处都要采取密封措施。2.7.2 仪表及管线的保温问题保温设计的目的 1、保温对象2、保温对象可以分为两类即仪表类包括：安装在现场的差压变送器、压力变送器、温度变送器；安装在设备上的各类液位变送器；安装在设备上的各类执行器。 测量管线类包