蒸发工段冷凝器温度控制系统设计

1、蒸发工段冷凝器温度控制系统设计过程装备与自动化综合设计说明书题目： 蒸发工段冷凝器温度控制系统设计 学生姓名： 王顺 学 号： 201101020318 院 （系）： 轻工与能源学院 专 业： 过程装备与控制工程 指导教师： 胡连华 2014 年 12 月 15 日目 录1 课题概述11.1 设计背景11.2 工艺流程12 控制方案设计22.1 控制回路22.2 控制方案33 硬件选型33.1 控制系统点数统计33.2 CPU选型33.3 模拟量输入模块选型43.4 模拟量输出模块选型43.5 数字量输入模块选型53.6 数字量输出模块选型63.7 电源模块选型74 低压电器的选型94.1 低

2、压断路器选型94.2 接触器选型94.3 热继电器选型104.4 中间继电器选型105 仪表、阀门选型115.1 温度仪表的选型115.2 阀门的选型116 控制功能的实现127 设计总结12参 考 文 献14 蒸发工段冷凝器温度控制系统设计1 课题概述1.1 设计背景本次设计的课题为碱回收蒸发工段冷凝器温度控制系统设计，造纸业的发展以及国家对环境要求越来越严格，国内各大造纸业纷纷通过碱回收工程来处理制浆造纸过程中产生的黑液，以达到回收碱液以及能源的再利用。PLC系统目前已在造纸行业广泛应用，其在碱回收过程中的应用，可以充分提高造纸行业中的自动化水平以及碱回收车间的生产效率。碱回收过程包括蒸发

3、、燃烧、苛化三个过程，碱回收蒸发工段控制效果的好坏对后续燃烧工段起着举足轻重的作用。在蒸发工段，温差是蒸发黑液的主要动力，它直接影响蒸发的能力，必须保证有足够的冷凝水。冷凝器的排水温度越低，真空度越稳定，但是排水温度过低，冷却水的消耗就会增加，影响经济效果。因此，冷凝器的出水温度控制是蒸发工段中最重要的控制参数之一。同时蒸发工段对测控系统的要求较高，如果测控系统设计的不好，则在运行过程中易造成蒸发站的时开时停，消耗大量的蒸汽和电力，且易损坏设备，甚至造成生产事故，而采用常规的控制系统运行不够稳定可靠、自动化水平低、系统运行效果不令人满意。PLC所有的模块均是固态电路，具有标准化、模块化和插入结

4、构，具有防尘、抗震、耐高温、抗干扰等要求，很适合蒸发工段恶劣的工业环境。1.2 工艺流程蒸发站由5个蒸发器和一个板式冷凝器组成，本次课题主要是对板式降膜冷凝器温度控制系统的设计。本课题采用间接蒸发的两板三管五效逆流式蒸发站流程中的板式降膜冷凝器的冷凝流程，冷水通过阀门进入板式降膜冷凝器，不凝气和二次蒸汽加热板式冷凝器的不锈钢元件，冷水在下落的过程中被不锈钢元件加热至45，送至其它工段使用。冷凝水温度受诸多因素的影响，例如：由于受供水压力而引起的冷水流量波动；不凝气和二次蒸汽流量的变化；进板式冷凝器冷水温度变化等。 从V效长管升膜蒸发器过来的蒸汽和V效长管升膜蒸发器过来的冷凝水进入冷凝系统，经处

5、理后的冷凝水被泵送到水封槽，也可用于洗效。蒸发工段冷凝器采用板式降膜冷凝器，它具有传热系数高，不易结垢，阻力小等特点，对水质水压要求低。本课题采用温度单回路控制方案进行控制系统的设计。工艺流程图如图1-1。 蒸发工段冷凝器温度控制系统设计图1-1 温度单回路控制系统 进V效的新鲜蒸汽经冷凝放热后，送入冷凝罐，而V效的冷凝水送到V效冷凝水闪蒸罐，经闪蒸后，冷凝水被集中到“污冷凝水液位罐”，然后被泵送到水封槽，也可用于洗效。TIC-01为冷凝器表面冷凝水出口温度指示、调节。2 控制方案设计 本课题选取流程图中的一个控制回路研究冷凝器的温度控制方案，控制系统通过PLC模块、低压电器、阀门、温度变送器

6、组成控制回路实现对板式冷凝器的温度控制。2.1 控制回路温度单回路控制图2-1温度单回路控制方框图1 2.2 控制方案 在蒸发工段，温差是蒸发黑液的主要动力，它直接影响蒸发的能力，必须保证有足够的冷凝水。冷凝器的排水温度越低，真空度越稳定，但是排水温度过低，冷却水的消耗就会增加，影响经济效果。因此，冷凝器的出水温度控制是蒸发工段中最重要的控制参数之一。目前，大多数造纸企业的所采用的温度控制方案有单回路控制、黑液浓度串级控制，本控制方案采用温度的单回路控制。设计包括硬件的选型、低压电器的选型、仪表阀门的选型以及电气原理图、电气器件、仪表电路接线图。3 硬件选型机型选择的基本原则应是在功能满足要求

7、的前提下，保证可靠、维护和使用方便以及最佳的性能价格比。本控制方案硬件的选型包括CPU选型、电源模块选型、数字量输入、输出模块选型、模拟量输入、输出模块选型。3.1 控制系统点数统计电机启停：2个DI；1个DO气动调节阀：1个AO 温度变送器：1个AI根据以上统计，将输入输出点的统计如下表3-2 PLC输入输出点的统计AI点数AO点数DI点数DO点数总数统计11213.2 CPU选型 控制系统主要完成对现场测控点数据的实时显示、趋势显示、工艺报警、PID参数设置及控制等功能；根据现场整个蒸发工段工艺特点和要求，PLC系统采用的是S7-300，其CPU选用的是312。它是最小的S7-300 CP

8、U,是满足简单应用的理想套件，适用于对处理能力有较高要求的小型控制系统，带有与过程相关的功能。例如，口令保护，用户程序使用密码保护，可以防止非法访问；诊断缓冲，可储存最后500个错误和中断事件，保存在该缓冲区，供诊断使用；免维护的数据后备，在断电的情况下，CPU将自动地保存数据到微存储卡中，再次通电时数据将保持不变。 根据控制方案的特点，CPU选用西门子S7-300 CPU312,其具体参数如下表3-1 西门子CPU 312参数CPU订货号定位计数版本固件硬件CPU 3126ES7312-1AE14-0AB02个通道都用计数频率测量（最高10KHZ）或脉冲宽度（2.5HZ）V3.3013.3

9、模拟量输入模块选型 模拟量输入模块选用西门子SM331；AI 8×12 Bit（-7KF02-）；订货号：6ES7331-7KF02-0AB0。属性：1.输入点数：4个通道组中有8个输入； 2.分辨率：可对每个通道组编程：12位+符号位； 3.测量类型：每个通道可编程电压、电流、电阻、温度； 4.输入之间最大电位差：DC2.3V； 5Z符号 2-DMU=2接线制传感器。图3-4西门子模拟量输入模块接线图3.4 模拟量输出模块选型 模拟量输出模块选用西门子SM332；AO 4×12 Bit（-5HD01-）；订货号：6ES7332-5HD01-0AB0。属性：1.输入点数：一

10、组中有4个输出； 2.各通道可以选择输出（电压输出/电流输出）；3.分辨率： 12位； 4.可编程诊断和诊断中断； 5.与背板总线接口和负载电压电气隔离； 6.支持中RUN的参数分配。 SM332；AO 4×12 Bit 接线图图3-5西门子模拟量输出模块接线图3.5 数字量输入模块选型数字量输入模块选用西门子SM321；DI 16×DC 24V (-7BH01-)；订货号:6ES7 321-7BH01-0AB0。属性：1.16个点输入，按每组16个电气隔离；2.额定输入电压24 VDC；3.适用于开关以及2线制/3线制接近开关；4.可编程诊断、诊断中断、硬件中断、输入延时

11、； 5.支持等时同步电源； 6.支持RUN中的参数分配。SM321;DI16×DC 24VDC接线图图3-2西门子数字量输入模块接线图3.6 数字量输出模块选型 数字量输出模块选用西门子SM322；DO16×DC 24V/0.5A（-8BH10-）；订货号：6ES7331-8BH10-0AB0。属性：1.输出点数：16个DO:按每组4个进行隔离；2.额定负载电压24 VDC；3.可组态的诊断；4.可编程诊断中断；5.冗余；6.“0”和“1”信号时断线；7.标识数据；8.固件可更新。SM322；DO16×DC 24V/0.5接线图 图3-3西门子数字量输出模块接线图

12、及方框图3.7 电源模块选型 PLC配有开关式稳压电源，供PLC内部使用。与普通电源相比，这种电源输入电压范围宽、稳定性好、抗干扰能力强、体积小、重量轻。有些机型还可向外提供24VDC的稳压电源，用于对外部传感器的供电。这就避免了由于电源污染或使用不合格电源产品引起的故障，使系统的可靠性提高。选型时根据电源模块额定电流大于处理器模块、I/O模块、专用模块等消耗电流的总和。电源模块选用西门子电源模块PS307；5A；订货号6ES7307-1EA01-0AA0。属性：1.输出电流为5A； 2.输出电压为24 VDC；短路保护和断路保护； 3.与单相交流电源连接（额定输入电压120/230 VAC，

13、50/60HZ）； 4.安全隔离符合EN 60 950； 5.可做负载电源。图3-1西门子P307电源模块接线图模块的具体型号及订货号如下表3-3 PLC 模块选型订货统计表型号订货号数量CPU模块CPU 3126ES7312-1AE14-0AB0 1电源模块PS307；5A6ES7307-1EA01-0AA0 1模拟量输入模块SM331；AI 8×12 Bit（-7KF02-）6ES7331-7KF02-0AB0 1模拟量输出模块SM332；AO 4×12 Bit（-5HD01-）6ES7332-5HD01-0AB0 1数字量输入模块SM321；DI 16×DC

14、 24V (-7BH01-)6ES7321-7BH01-0AB0 2数字量输出模块SM322;DO16×DC24V/0.5A（-8BH10-）6ES7331-8BH10-0AB0 14 低压电器的选型低压电器是指能够自动或手动接通和断开电路，以及对电路或非电对象进行切换、控制、保护、检测、变换和调节的电器元件系统。本次设计中用到的低压电器有低压断路器、接触器和热继电器三种。低压断路器用于电机的过载保护和欠电压保护；接触器用于电路的频繁通断和电气设备（如电动机）的近、远距离控制，程序控制等；热继电器用于电动机的过载保护和断相保护；中间继电器用于控制电路的隔离作用。以下是四种低压电器的选

15、型。4.1 低压断路器选型低压断路器选用正泰电气NM10系列塑料外壳式断路器（以下简称断路器），订货号为NM10-100/323 额定电流100A 电磁脱扣器 、欠电压脱扣器。NM10系列断路器主要用于不频繁操作的交流50Hz，额定工作电压至380V,250A以下断路器可以作为电动机的不频繁起动及过载、短路、欠电压保护。符合标准：GB 14048.2。主要参数及技术性能：1.过电流脱扣器在在过载情况下（反时限动作）断开；2.断路器在规定整定电流值下应瞬时动作；3.壳架等级额定电流（lnm A）100；4.额定极限短路分断能力(lcu kA) (380V) 7.5；5.电动机保护用断路器瞬时动作

16、电流整定值 12ln；6.整定允许误差； 7.导线的截面积为35。图4-1正泰低压断路器NM10-1004.2 接触器选型接触器选用正泰电气NC7-6511/N。NC7系列交流接触器(以下简称接触器)，主要用于交流50Hz(或60Hz)，额定工作电压至690V，在AC-3、400V的使用类别下额定工作电流至620A的电路中，主要用于远距离接通和分断电路之用，并与适当的热继电器组成电磁起动器以保护可能发生操作过负荷的电路。该接触器适宜于频繁地起动和控制交流电动机。 符合标准GB 14048.4、IEC 60947-4-1。主要参数及技术性能：1.额定工作电流：65A；2.约定自由发热电流（A）：

17、80；3.额定绝缘电压（V）：690；4.额定接通能力：10×le（AC-3）；5.额定接通能力：8×le（AC-3）；6.操作频率（次/h）：电寿命600 机械寿命3600；7.动作范围：吸合电压为85%Us-110%Us 释放电压为20%Us-75%Us。图4-2正泰接触器NC-6511/N4.3 热继电器选型继电器选用正泰电气NR2-93 8093A，NR2 系列热过载继电器(以下简称热继电器)适用于交流 50Hz/60Hz、电压至 690V，电流(0.1630)A 的长期工作或间断长期工作的交流电动机的过载与断相保护。 该热继电器具有断相保护、温度补偿、动作指示、自

18、动与手动复,该产品动作可靠。 产品符合：GB14048.4、GB14048.5、IEC60947-4-1等标准。 热继电器可与接触器接插安装，也可独立安装。相匹配接触器型号NC7/NC100-4065。主要参数及技术性能：1.额定工作电流93A；2.额定绝缘电压1000V；3.有断相保护、手动与自动复位、温度补偿、动 作指示、测试按钮；4.该系列继电器为三相双金属片式，脱口级别为 10A； 5.具有整定电流连续可调装置；图4-3正泰热继电器NR2-93 6.安装方式：与接触器插入安装或独立安装。4.4 中间继电器选型中间继电器选用正泰电器，型号DZB-12B,中间继电器用于直流操作的各种保护和

19、自动控制线路中作为辅助继电器，以增加接点的数量和接点的容量。在控制线路中使用中间继电器，通过中间继电器来控制其他负载达到扩大控制容量的目的。本设计方案中中间继电器作为控制和隔离作用的执行部件，起隔离作用。 主要参数及技术性能： 1. 额定电压：AC 220；2. 额定电流：5A；3. 触点负载：中小功率；4. 触点切换电流：515；5. 触点切换电压：515；6. 动作时间：额定电压下，动作时间不大于45ms；7. 动作值：动作电压为额定电压值得30%-70%； 动作电流不大于额定电流的80%； 8.保持值：保持电压不大于额定电压的70%； 保持电流不大于额定电流的80%； 9.应用范围：中间

20、。图4-4正泰中间继电器 5 仪表、阀门选型5.1 温度仪表的选型蒸发工段冷凝器的工作温度范围为0150，综合测温仪表的工作特性和测量范围，本次设计中选用的温度测量仪表为热电阻温度计。温度仪表选用西安电仪自控系统有限公司的铠装热电阻温度计。订货具体型号：WZP K-2 26N(0150) 150 具体参数及规格如下：1.热电阻种类：铂电阻，分度号Pt100；2.铠装标志与输出信号数：单支铠装芯；3.固定装置形式与耐压情况：固定卡套螺纹，用于铠装直径38， PN2.5MPa；4. 接线装置形式：大防水盒（普通型），适用于5，6， 8铠装芯；5.铠装元件直径：6；6.铠装套材质：1Cr18Ni9T

21、i不锈钢；7.不适用于强腐蚀、高压环境；8.产品符合国家标准JB/T5582，等效于国际标准（IEC751）。图5-1西安电仪热电阻温度计 5.2 阀门的选型针对蒸发工段管道中介质高粘度和污秽的性质，阀门的类型选择为V型调节球阀，转动球阀的阀芯使之与阀体处于不同的相对位置时，具有不同的流通面积，从而达到流量控制的目的，V型球阀的节流元件是V型缺口球形体，转动球心使V型缺口起节流和剪切的作用。气动执行器具有结构简单、动作可靠、平稳、输出推力大、维修方便、价格较低且方便与电动仪表配套。阀门选型为气动V型调节球阀。阀门选用浙江力诺流体科技股份有限公司的气动调节V型球阀，工艺参数如下：名称:ZSS/H

22、V系列气动V型调节球阀，订货号： HV120D1-16PZSS/HV系列气动V型调节球阀:公称压力：PN1.0、1.6、2.5、6.4MPa ANSI150、300公称通径:DN20600mm工作温度：硬密封-20160，-20230，-20425 软密封-20150流量特性：近似等百分比气源压力：0.50.7MPa阀座形式：不锈钢可动硬密封、PTFE软密封气动执行器：ZXQ系列单活塞执行器主要材质：阀体：（1）WCB （2）CF8 （3）CF8M (4)CF3M 阀芯：（1）CF8 （2）CF8M （3）CF3M可选附件:(1)电动阀门定位器：A.进口 B.国产图5-2力诺气动V型球阀 (2

23、)电磁阀、回讯器（3）连接法兰、螺栓：A.A3钢 B.不锈钢 表5-1 订购的气动V型调节球阀具体参数ZSS/HV系列气动V型调节球阀型号: HV120D1-16PDN:120mmPN：1.6MPa气源压力：0.55MPa信号范围：420Ma工作温度范围：0150额定行程：90°6 控制功能的实现根据上述选型结果，具体控制功能的实现如下，控制器（PLC）、执行器（气动V型调节球阀）、板式冷凝器、温度变送器（热电阻温度计）组成一个温度控制单回路。根据蒸发工段的板式冷凝器的工作环境，设定控制器的参数。工作温度范围0 150，阀门的公称压力（PN）2.5MPa；根据所选模块输入输出点数分配I/O通道。电机启停：2个DI；1个DO ， 气动调节阀：1个AO ，温度变送器：1个AI；低压断路器实现对电机的过载保护和欠电压保护，接触器实现对电机的低电压保护，热继电器