(完美版)减压炉控制系统设计(课设)

1、自控工程课程设计东北石油大学课程设计任务书课程 自控工程课程设计题目 减压炉控制系统设计专业 自动化 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：1 掌握利用Auto-CAD绘制常减压装置减压炉控制工艺流程图2 掌握节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算3 掌握调节阀的选型及口径计算基本要求：1 在工程设计中，必须严格贯彻执行一系列国家技术标准和规定2 边学习标准和规定边上机设计3 必须按阶段完成任务4 设计完成后交出一份包括上述三个部分符合撰写规范的设计报告主要参考资料：1HG/T2063620639-1998，化工装置自控工程设计规定(上下卷)S .2GB/T2624-1993

2、，流量测量节流装置 S .3奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中心站，1991.4董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：大庆石油学院，1999.5王骥程，祝和云.化工过程控制工程M .北京：化学工业出版社，2003.完成期限 2014.11.102014.11.21 指导教师 专业负责人 2014年 10 月 20 日2目 录第一章 工程实例11.1 工程背景及说明11.2 CAD流程图4第二章 控制系统方案设计62.1减压炉的前馈-反馈控制62.2减压炉的单回路控制62.3减压炉出口温度控制6第三章 控制系统仪表选型83.1 检测元件选型83.2 执行元件9第

3、四章 课程设计心得15参 考 文 献16附 录17第一章 工程实例1.1 工程背景及说明工程背景：现代动力工程和热能技术要求高温-高压锅炉产生过热度极高的过热蒸汽。但对某些设备工艺要求，这样的蒸汽也许是过干或过热的。例如：当换热器用于制程操作时，使用过热蒸汽由于低的传热系数而降低效率，使用饱和蒸汽更加适合。另外当高压的干饱和蒸汽减压至低压时，在下游出口会产生过热度。这样都需要将过热的蒸汽降温至所需的接近饱和的温度，这就需要减温器。在很多情况下需要对高压过热的蒸汽同时进行减温和减压。对原油蒸馏，国内大型炼油厂一般采用年处理原油250270万吨的常减压装置，它由电脱盐、初馏塔、常压塔、减压塔、常压

4、加热炉、减压加热炉、产品精馏和自产蒸汽系统组成。该装置不仅要生产出质量合格的汽油、航空煤油、灯用煤油、柴油，还要生产出催化裂化原料、氧化沥青原料和渣油；对于燃料一润滑油型炼油厂，还需要生产润滑油基础油。各炼油厂均使用不同类型原油，当改变原油品种时还要改变生产方案。控制系统的应用软件一部分是通过连续控制功能块来实现，另一部分则用高级语言编程来实现。常减压装置是用来加工原油的第一个装置，是根据原油的沸点不同，用蒸馏的方法从原油中分离出各种石油组份，即汽油、煤油、柴油及各种组份的润滑油料和二次加工原料。常减压装置一般包括三个部分，即初馏部分、常压部分和减压部分。常减压工艺流程可以简化为：根据原油中各

5、组份的沸点（挥发度）不同，将混合物切割成不同沸点的“馏份”。即是利用加热炉将原油进行加热，生成汽、液两相，在常压塔中，使汽、液两相充分的热交换和质量交换，在提供塔顶回流的条件下对原油进行精馏，从塔顶分馏出沸点较低的产品，汽油。从塔底分出沸点较高的产品，重油。塔中间抽出，得到侧线产品，即煤油、柴油、蜡油等。常压蒸馏后剩下的重油组份分子量较大，在高温下易分解（500C左右），为了将常压重油中的各种沸点的润滑油组份分离出来，采用在减压塔（真空蒸馏方法）塔顶使用蒸汽喷射泵、间冷器抽真空的方法，使加热后的常压重油在负压条件下进行分馏，从而使高沸点的组份在相应的温度下依次馏出做为润滑油料。这是因为石油沸点

6、与压力的关系是：压力低，油品的沸点就越低。另外，还采用水蒸汽汽提法来提高拔出率和质量。减压部分由减压塔、汽提塔、减压炉组成。减压炉是炼油厂常减压蒸馏装置的重要设备之一，处理量和热负荷杜比较大，也是装置主要的耗能设备，其能耗占常减压蒸馏装置总能耗的50%以上。减压炉07MPa蒸汽的压力是通过补充11MPa蒸汽或向04MPa乏气管网排气来调节。用DCS控制07MPa蒸汽压力，是通过计算器功能进行计算和判断，实现蒸汽压力的分程控制。07MPa蒸汽压力检测信号送入功能块调节器，调节器输出412mA段去调节11MPa蒸汽入管网调节阀，输出1220mA段去调节04MPa乏气管网调节阀。这实际是仿照常规仪表

7、的硬分程方案实现分程调节，以保持07MPa蒸汽压力稳定。炼油厂通常包括常压蒸馏和减压蒸馏系统。减压炉是属于减压蒸馏系统的加热炉。在石油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉，其形式可以分为箱式、立式和圆筒炉三大类。它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温气焰与烟气作为热源，来加热炉管中流动的油品，使其达到工艺规定的温度，以供给原料油或油品进行分馏、裂解和反应等加工过程中所需要的热量，保证生产正常运行。例如：在常减压装置中常压炉就是将原油加热到一定温度，使之汽化从而达到分馏的目的。管式加热炉的一般结构如下：图1-1 管式加热炉由图可知，它由烟囱，对流室，辐射室和燃烧器四部分组成。管式加热炉，包括加热炉本体

8、和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。使用本加热炉，其加热炉的排烟温度可降低到100C左右，实现烟气中含酸水蒸气的部分冷凝，且在回收烟气低温显热的同时，能回收部分含酸水蒸气的汽化潜热，进一步提高加热炉热效率，节约能源。工程说明：加热炉的单回路控制：加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制

9、方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的串级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动，所以出口温度仍不容易稳定，另外没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料控制

10、器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。在串级控制的基础上，在引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或董涛前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。国内大多数的了炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的产及控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，犹豫系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善

11、控制品质的必要手段。1.2 CAD流程图1.0Mpa蒸汽燃料油蒸汽FT4014空气从K-1来0.4Mpa蒸汽1.0Mpa蒸汽返塔高压瓦斯从D-12来至C-4FI4015FI2237PI2201PDIC2205THC2210AFT2234TI2160THC2210BFI2209TIC2110TIC2110F-2FTC2204FTC2203FTC2202FTC2201LIC2210TI2247TI2208TI2207TI2206TI2205TI2503TI2502FTC2208FTC2207FTC2206FTC2205第二章 控制系统方案设计2.1减压炉的前馈-反馈控制在减压炉的自动控制系统中，有

12、时遇到生产负荷即进料流量，温度变化频繁，干扰幅度有较大时，此时采用串级控制难以满足生产要求，而采用前馈-反馈控制系统，往往是行之有效的。前馈控制部分克服进料流量（或温度）的干扰作用，而反馈控制克服其余干扰作用。2.2减压炉的单回路控制 减压炉出口总管温度是减压炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成减压炉的串级

13、控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动，所以出口温度仍不容易稳定，另外没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。串级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种串级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。在串级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后

14、，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。国内大多数的炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的串级控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。2.3减压炉出口温度控制减压炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的

15、控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。第三章 控制系统仪表选型3.1 检测元件选型3.1.1温度测量仪表温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中最重要的参数之一。物体的许多物理现象和化学物质都与温度有关，许多生产过程均是在一定的温度范围内进行的。因此，温度的测量时保证生产正常进行、确保产品质量合格和安全生产的前提。不同的测温仪表有不同的测温原理。常减压装置常用的测温仪表为热电偶和双金属温度计。其

16、中双金属温度计主要用于塔和容器上，换热器、冷却器的附属管线上，属现场检测仪表。双金属温度计一般在检修期间拆卸下来进行校验后装回，回装是要根据管径来选择双金属温度计的胃肠，确保尾端处于管内中心，这样才能保证测量准确。热电偶温度计是以热电效应为基础，竟温度转换为惹点事变化进行温度测量的仪表，是目前应用最为广泛的温度传感器。它测温精度高，灵敏度好，稳定性及复现性也较好，响应时间段，结构简单，安装方便，测温广泛。它的测温原理是将两根不同材质的导体或半导体材料焊接或续合在一起，它的一端作为测量端热端，一端作为标准端冷端。控制好冷端的温度20或进行冷端补偿。在各种测定两场所，热端和冷端的温差不同，就产生热

17、电势。热电势的大小和温差成正比，讲热电势的大小转变成数值就是测量温度。3.1.2 流量测量仪表差压式流量计是根据流体经过测量元件时由于管径的变化，测量元件前后的压力差发生变化，流速高，差压大。这种仪表结构简单，应用技术比较成熟，是目前生产上广泛使用的一种仪表。缺点是：精度高，安装要求严格，且测量元件的上下都要有足够长度的直管段，测量范围窄，压力损失较大，刻度非线性。而且工况发生大的变化时需校正。容积式流量计主要用来测量液体的流量，它的优点是，测量准确度比较高，可达0.5-0.1级，量程宽，可以测量低流量，适用于粘度较大的清洁液体。缺点是体积大、笨重，需进行周期鉴定且鉴定困难，压力损失较大。因它

18、是统计式测量，计量时应诚意操作温度下的密度。柴油、蜡油的计量一般选用罗茨流量计。在本设计种流量测量选用差压式流量计。3.1.3 液位测量仪表液位测量的目的在于正确地厕纸容器或设备中储藏物料的容量或质量。它不仅要满足工业生产过程种生产规模大，但应速度快的要求，而且生产中常会遇到高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性或粘度较大等多种情况，液位的自动检测和控制更是至关重要的。差压式液位计是利用物料的静压压头的变化来测量液位高低的，它的优点是测量精度高，反应速度快，量程可以做的很宽，科进行连续测量和远传指示，且被测压差与输出信号呈线性关系，所以应用的比较多。当物料的密度与设计值发生较大的偏差时应对差压进行校正

19、。本设计选用差压式变送器。3.2 执行元件3.2.1 标准节流装置设计计算：位号：FIC2201FIC2204 名称：减压炉进料指示调节被测介质：常底油最大流量：87.5 m3/h 工作温度：353工况密度：677 kg/m3 工作压力：9.5 MPa工况粘度：1.139 管道直径：100mm辅助计算计算流量标尺因被测介质为液体，应求出质量流量。所以=87.5677=59237.5Kg/h根据流量标尺取标准流量为63000Kg/h，即为17.5000Kg/s。计算差压上限再根据公式计算其中C=0.6,=1,=0.5,d=，代17.5000Kg/s，全部代入得=135078.47因国产差变的系列

20、值为1.0，1.6，2.5，4.0，6.010n ，取=160000.00 求工况下管道直径D= 1+（t-20）=0.100*1+0.00001338*(353-20)=0.100446 m求雷诺数ReD= = =183127.498360求A2A2= =0.153548计算初值求 设： =0.6060，=1 令 =0.2533795413 又 =0.4955983337求因被测介质为液体，所以求=0.5959+0.031212.10.184018+0.002912.5（106/ReD）0.75故=0.5959+0.0312（0.4955983337）2.10.1840（0.49559833

21、37）8+0.0029（0.4955983337）2.5（106/183127.498360）0.75=0.6041653582因此 = =0.0004648607精确度判断所以 =0.0030274617进行迭代计算，设定第二个假定值X2 X2= =0.2541489676 = =0.4963047208=1=0.5959+0.03120.1840 +0.0029 =0.6041854730因此 =-0.0000051122所以 进行迭代计算，设定第三个假定值，利用快速收敛弦截法公式（n=3起用）=0.2541405981 =0.4962970445=1 =0.6041852546因此 =0

22、.0000000001所以 由于 =0.0000000005精确度达到要求。此题用计算机编程求解时：工作温度下的管道直径D=0.100446雷诺数=183127.498360不变量=0.153548把精确度判断定为5*10-10计算结果列于下表。 表3-1 结果表N123X0.25337954130.25414896760.25414059810.49559833370.49630472080.4962970445C0.60416535820.60418547300.60418525460.0004648607-0.00000511220.0000000001E0.00302746170.00

23、003329360.0000000005 计算结果可得：=0.4962970445 C = =0.6041852546求得：d = D =0.1004460.4962970445 =0.04985(m) =49.85(mm)求 = =49.562最后得：=49.562（mm）3.2.1调节阀选型及计算：调节阀的选型：调节阀又称控制阀，是执行器的主要类型，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如油等)

24、压力为动力的电液动调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。提供调节阀的优选次序如下： 全功能超轻型调节阀蝶阀套筒阀单座阀双座阀偏心旋转阀 球阀角形阀三通阀隔膜阀。 在这些调节阀中，我们认为应该尽量不选用隔膜阀，其理由是隔膜是一个极不可靠的零件，使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。调节阀口径计算：从调节阀的Kv计算到阀的口径确定，一般需经以下步骤:计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量

25、的Qmax和Qmin.阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数)，再确定计算压差。计算Kv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得Kvmax和Kvmin.选用Kv。根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取Kvmax且与其最接近的一级C.调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度90%，最小计算流量时的开度10%。调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比10。阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C确定。位号：PDIC2205 名称：雾化蒸汽压差调节被测介质：蒸汽 最大流量： 660 m3/h正常流量：450 m3/h 最小流量：220 m3/h 阀

26、前压力：8.2 MPa 阀后压力：7.2 MPa工况密度：4.2 kg/m3 工况粘度：0.023 CP等熵指数：1.3 压缩系数：1工作温度：250 管道内径：80 mm计算过程:(1)计算(2)选定口径值圆整、放大查产品目录，附表3，取=16（）,选双座阀（Vn）其放大系数为：查表12-9，知满足m=1.18时，阀最大开度90%，所以值应再向上取一挡，即取=25（），此时开度验算，即开度82%可满足要求(3)结论选定双座阀，取为选定口径，因为非阻塞流工况，故不作噪音预估及管件形状修正。因为，,可调比满足要求。第四章 课程设计心得通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不 够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说 得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中 发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。因此在整个设计过程中大部分时间是用在程序上面的。很多子程序是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个子程序才是关键的