硫磺尾气氢含量控制系统设计

/辽宁工业大学过程限制系统课程设计（论文）题目：硫磺尾气氢含量限制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：测控092班学号：学生姓名：指导老师：起止时间：2012.12.24～2012.1.4课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术和仪器学号学生姓名专业班级测控092班设计题目硫磺尾气氢含量限制系统的设计课程设计（论文）任务设计任务：经捕集硫雾后的CLAUS尾气和加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右和外补富氢气（外补富氢气由工厂系统供应）混合后进入加氢反应器。在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气-气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标，试设计氢含量限制设计要求：1、确定限制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、限制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定限制器的限制规律以及限制器正反作用方式；4、若设计由计算机实现的数字限制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数：限制目标：尾气氢含量为2%限制范围：尾气氢含量1～3%工作支配1、布置任务，查阅资料，理解驾驭系统的限制要求。（2天，分散完成）2、确定系统的限制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天，试验室完成）3、选择传感器、变送器、限制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天，分散完成）4、确定限制器的限制规律以及限制器正反作用方式。（试验室1天）5、上机实现系统的模拟运行、答辩。（3天，试验室完成）6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）指导老师评语及成果平常：论文质量：答辩：指导老师签字：总成果：年月日注：成果：平常20%论文质量60%答辩20%以百分制计算摘要在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，流量是一个特殊重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都须要对各种反应器进行流量限制。本文分别就硫磺尾气氢含量限制系统工作原理、系统限制方案的确定、流量变送器的选型、调整器的选型、限制算法等几方面进行阐述。对系统的设计方案进行了深化的分析，比较了单回路系统和串级系统的优缺点，经过严格的选型，最终实现尾气氢含量的良好限制。通过改善系统限制方案硫磺尾气氢含量限制系统具有响应快、稳定性好、牢靠性高,限制精度好等特点，对工业限制有现实意义。关键词：串级限制；传感器；调整器；PID调整目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章绪论 1第2章系统的方案设计 32.1概述 32.2系统限制方案选择 3第3章系统设计 63.1流量变送器的选型 63.2氢气含量监测仪的选型 63.3调整器的选择 73.4电气转换器的选择 83.5执行器的选择 9第4章限制规律的选择 104.1限制规律的选择 104.2PID限制算法 104.3PID限制系统 114.4调整器正反作用、调整阀气开气关方式选择 12第5章系统调试和仿真 13第6章设计总结 14参考文献 15绪论我国自1996年第一套从自然气中回收硫磺的装置投产以来，随着加工原油硫含量及自然气开采量的增加及环保要求的提高，硫磺回收装置的数量及规模快速增加，因此硫磺尾气氢含量的良好限制对工业生产尤为重要。尾气中氢气的含量影响排放指标，本系统便对硫磺尾气氢含量的限制进行一系列设计阐述。流量测量和限制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，刚好精确获得气体或液体流量信息是特殊重要的，近年来，流量测控领域发展快速，并且随着数字技术的发展，流量的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业、化工等各领域中广泛运用。随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，流量是一个特殊重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都须要对各种反应器流量进行限制。对于不同生产状况和工艺要求下的流量限制，限制方案也有所不同。因此对系统要求更为先进的限制技术和限制理论。过程限制是指在生产过程中，运用合适的限制策略，接受自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部干脆劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程限制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程限制系统是指自动限制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的限制系统。过程限制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。单回路限制系统是过程限制中结构最简洁、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值限制问题。但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、限制精度、经济效益、平安运行、环境爱惜等提出了更高的要求。此时，单回路限制系统往往难以满意这些要求。为了提高限制品质，须要在单回路的基础上，实行其它措施，组成困难限制系统。而串级限制就是其中一种提高限制品质的有效方案。本系统的主要内容是经捕集硫雾后的CLAUS尾气和加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右和外补富氢气混合后进入加氢反应器，在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气/气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标，设计氢含量限制系统。本设计系统针对流量对象浅述了串级限制系统的主要设计方法和步骤。

系统的方案设计概述本流量过程限制系统的具体指标要求是：经捕集硫雾后的CLAUS尾气和加氢反应器出口过程气通过气气换热器加热至270-320℃左右和外补富氢气混合后进入加氢反应器。离开反应器的尾气经气气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标。设计一个尾气氢流量检测调整系统，尾气氢含量限制目标为2%，限制范围为1-3%，主要用于硫磺尾气氢含量限制。系统限制方案选择硫磺尾气氢含量限制系统，依据不同的限制要求，限制方案多种多样。依据系统设计要求，提出以下方案：方案一：单回路限制系统氢气含量监测仪氢气含量监测仪FC 急冷塔急冷塔氢气氢气加氢反应器加氢反应器图2.1硫磺尾气氢含量单回路限制原理图如图2.2所示的硫磺尾气氢含量限制系统中，急冷塔出口尾气氢含量为被控参数，流量变送器FT将反映尾气氢含量凹凸的检测信号送往流量限制器FC；限制器依据实际检测值和设定值偏差状况，输出限制信号给执行器（调整阀），变更调整阀的开度，调整氢气进入流量维持尾气氢含量稳定。单回路限制系统结构框图如图2.2所示。Y(s)氢气±尾气氢含量调整阀调整器Y(s)氢气±尾气氢含量调整阀调整器流量变送器流量变送器图2.2单回路系统结构框图方案二：在单回路的基础上引入串级限制急冷塔加氢反应器急冷塔加氢反应器氢气含量监测仪氢气含量监测仪FC1FT2FT2FC2氢气氢气图2.3硫磺尾气氢含量串级限制原理图如图2.2所示的硫磺尾气氢含量串级限制系统中，流量调整器FC1对尾气氢含量的精确限制、流量调整器FC2对入口氢气含量的刚好限制结合起来，先依据入口氢气流量的变更，变更氢气入口流量，快速消退氢气入口流量对尾气氢含量的影响，然后再依据尾气氢含量和设定值的偏差，变更流量调整器FC2的设定值，进一步调整氢气入口流量，以保持尾气氢含量的恒定。这样就构成了以尾气氢为主要被控参数，以氢气入口流量为帮助被控参数的串级限制系统。串级限制系统结构框图如图2.4所示。Y(s)氢气Y(s)氢气尾气氢氢气入口流量调整阀副调整器主调整器尾气氢氢气入口流量调整阀副调整器主调整器副变送器副变送器主变送器主变送器图2.4串级限制系统结构框图通过实际改造和运用，串级限制系统增加副限制回路，使限制系统性能得到改善，表现在下列方面。1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级限制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调整器，大大提高了调整器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服实力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。2、刚好性好。串级限制对克服容量滞后大的对象特殊有效。3、适应实力强。串级限制系统就其主回路来看，它是一个定值限制系统，但其副回路对主调整器来说，却是一个随动限制系统，主调整器能够依据对象操作条件和负荷的变更状况不断订正副调整器的给定值，以适应操作条件和负荷的变更。4、能够更精确限制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，限制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能和主限制器输出信号保持严格的对应关系。接受串级限制系统后，引入流量副回路，使流量测量值和主限制器输出一一对应，从而能够更精确限制操纵变量的流量。通过接受串级限制系统，尾气氢含量限制更加平稳，因此选择方案二，串级限制系统作为本系统的设计方案。系统设计本系统包括主回路和副回路两大部分，在系统设计的方面包括变送器的选型，调整器的选型，执行器的选择，电气转换器件的选择等几部分。流量变送器的选型本系统选择的是氢检测公司的HY-OPTIMA™1700本安型氢气流量变送器操作简洁，可实现真正的过程限制。其氢气专一性传感器可在相对湿度高达95%和温度高达100ºC的过程气体介质环境下正常工作。HY-OPTIMA™1700本安型氢气流量变送器特殊适用于制氢生产企业，石化精炼厂和氯碱工业，它的实时监测功能通过提高车间生产效率、良好的诊断性能和加强维护管理实现高效益生产。其具体参数如下：1、检测气体：氢气2、输入信号：电源平安栅24V.DC3、输出信号：1～5V.DC4、精度：≤±3%图3.1Model1700本安型氢气变送器氢气含量监测仪的选型由于从急冷塔出来的尾气中不仅含有氢气，还有其他气体混合在其中，所以对尾气氢的检测就不能运用流量变送器，须要对尾气中的氢气含量进行检测。EC-430氢分析仪由以微处理机为核心的智能化信号转换器和进口电化学传感器组成，适用于冶金、煤炭、电力、化工等行业一氧化碳、硫化氢、氢、氮氧化物、二氧化硫等含量的自动分析。仪表接受限制电位电化学法原理，其传感器由工作电极W、对电极C、参考电极R构成，当被测气体通过传感器时，在W电极上发生氧化反应，而在C电极发生氧的还原反应，W电极和C电极之间输出信号的大小和被测气体浓度成正比。EC-430氢分析仪技术参数：1、测量范围：0～1000ppmH2、基本误差：±2%FS3、气体流量：400ml/min4、输出信号：4～20mA.DC调整器的选择调整器是系统的大脑和指挥中心，是整个限制系统的核心所在，输入信号进入调整器，并且依据调整器的限制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为输出信号限制执行机构的动作，完成指挥限制系统的任务。本系统选择DDZ-Ⅲ型PID调整器。DDZ-Ⅲ型仪表接受了集成电路和平安火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表牢靠性和平安性，适应了大型工业生产的防爆要求。DDZ-Ⅲ型仪表具有以下主要特点：（1）接受国际电工委员会（IEC）举荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4-20mA，限制室联络信号为DC1-5V，信号电流和电压的转换电阻为250。（2）广泛接受集成电路，仪表的电路简化、精度提高、牢靠性提高、修理工作量削减。（3）整套仪表可构成平安火花型防爆系统。DDZ-Ⅲ型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了平安栅，实现了限制室和紧急场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在紧急的场所中运用。DTZ-2400DDZ-Ⅲ型PID调整器的接线端子图如图3.3,主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调整器接收变送器送来的测量信号(DC4-20mA或DC1-5V），在输入电路中和给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运算，最终由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。图3.2DTZ-2400DDZ-Ⅲ型PID调整器的接线端子图DTZ-2400仪表技术参数:1、输入信号：1～5V.DC4、输入、给定指示表：指示范围：0～100%；误差：±1%5、输出指示表：指示范围：0～100%；误差：±25%6、输出信号：4～20mA.DC电气转换器的选择T-1001是一种享有专利的电气转换器件，通过调整两线输入电流或三线电压输入信号，呈线性比例地把供应压力减小到调整输出压力，这种设计配有可感应输出压力的闭环反馈电路以获得较高的精确度和稳定性。此装置还配有一个独特的可调阻尼线路，来防止超调量和执行器的振荡。仪器用于把标准的直流电流信号转变成标准的气动信号,为了把电动限制器转变为气动限制阀或从电动测量系统转变为气动限制器。T-1001电气转换器特性参数：1、精度：输出量程的±0.10%2、输入信号：1-5V3、输出信号：3-15psi4、滞后量：输出量程的±0.01%图3.3T-1001电气转换器

执行器的选择执行器位于限制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器干脆和被控介质接触，在凹凸温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要。执行器的动作是由调整器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为限制信号的限制系统中，目前广泛运用的是以下三种限制方式：按动力来源分，有气动和电动两大类；按动作极性分，有正作用和反作用两大类；按动作特性分，有比例和积分两大类。本系统接受气动薄膜三通调整阀，用来对限制回路的氢气流量进行调整。气动调整阀的型号为ZMAXQ气动薄膜三通调整阀。其限制输入信号为3-15psi。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、操作便利等优点。而广泛应用于石油、化工、冶金、电力等生产过程中的自动化限制系统中。ZMAXQ气动薄膜三通调整阀技术参数：1、公称通径：DN15-DN200（mm）2、驱动方式：气动3、输入信号：3-15psi4、适用介质：氢气、各种高腐蚀化学介质、氨气、氮气、氧气、蒸汽图3.3ZMAXQ气动薄膜三通调整阀限制规律的选择限制规律的选择在限制系统中，主，副限制器起的作用不同。主限制器起定值限制作用，副限制器起随动限制作用，这是选择限制器规律的基本动身点。主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主限制器应选PID限制规律。副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在确定范围的变更，并允许有静差。为此，副限制器选择P限制规律。另外，为使限制回路成为负反馈，调整器为负作用。PID限制算法PID限制器可以便利地实施多种限制算法，多年以来，在过程限制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行限制的PID限制器（亦称PID调整器），是应用最为广泛的一种自动限制器。它具有原理简洁，易于实现，适用面广，限制参数相互独立，参数的选定比较简洁等优点；选择系统调整规律的目的，是使调整器和调整对象能很好地匹配，使组成的限制系统能满意工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。1、比例（P）调整纯比例调整器是一种最简洁的调整器，它对限制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调整只有一个参数，所以整定很便利。这种调整器的主要缺点是使系统存在静态误差。2、积分（I）调整积分调整器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调整作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消退以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。但是，单纯的积分调整动作过于缓慢，因而在改善静态精确度的同时，往往使调整的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是把比例作用的刚好性和积分作用消退静差的优点结合起来，组成比例积分调整器（简称PI调整器），其传递函数为Gc(S)=Kp(1+1/T1S)3、微分（D）调整微分调整器能在偏差信号出现或变更的瞬间，立刻依据变更的趋势，产生猛烈的调整作用，使偏差尽可能地消退在萌芽状态之中。但是单纯的微分调整对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独运用，总要和比例或比例积分调整规律结合起来，称为PD调整器和PID调整器。PD调整器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加快系统的调整过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调整器的传递函数为：Gc(S)=Kp(1+TDS)PID是常规调整器中性能最好的一处调整器。它将比例、积分、微分三种调整规律结合在一起，既可达到快速灵敏，又可达到平稳精确，只要三项作用的强度协作适当，便可得到满意的调整效果。它的传递函数为Gc(S)=Kp(1+1/T1S+TDS)PID限制系统PID限制器的本质是一个二阶线性限制器，它通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业限制系统获得良好的闭环限制性能。PID限制器的优点：技术成熟、易被人们熟悉和驾驭、不须要建立数学模型、限制效果好、鲁棒性强。基本PID限制器的志向算式为：式中u(t)——调整器的输出；e(t)——调整器的输入（常常是设定值和被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；Kp——调整器的比例放大系数；Ti——调整器的积分时间；Td——调整器的微分时间。设u(k)为第k次采样时刻调整器的输出值，可得离散的PID算式为：式中为积分系数，为微分系数。

调整器正反作用、调整阀气开气关方式选择在限制系统中，不仅是限制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们假如组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则限制系统不但不能起限制作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以在系统投运前必需留意检查各环节的作用方向，其目的是通过变更限制器的正、反作用，以保证整个限制系统是一个具有负反馈的闭环系统。所谓作用方向，就是指输入变更后，输出的变更方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向，反之，当环节的输入增加时，输出削减的称“反作用”方向。对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个限制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向（因为它总是“正”的），只须要考虑限制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当限制器输出信号增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向。反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而削减，所以是“反”作用。执行器的气开或气关形式主要应从工艺平安角度来确定。在本系统中，在加氢催化剂的作用下，会产生H2S等