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炼油化工仪表基础 何国洪 本次课程的主要目的 1 介绍仪表维护的基本流程和内容2 介绍炼化仪表的基本知识 仪表维护的基本流程和内容 目前仪表专业的基本构成专业经理生产组工程师站计量分析站各维护班组目前仪表维护的基本流程1 定时性仪表维护工作 三检特护等 2 计划性仪表维护工作 ERP 月度计划等 3 临时性仪表维护工作 简单仪表报修等 过程控制基本概念 自动控制技术在工业 农业 国防和科学技术现代化中起着十分重要的作用 自动控制水平的高低也是衡量一个国家科学技术先进与否的重要标志之一 随着国民经济和国防建设的发展 自动控制技术的应用日益广泛 其重要作用也越来越显著 生产过程自动控制 简称过程控制 自动控制技术在石油 化工 电力 冶金 机械 轻工 纺织等生产过程的具体应用 是自动化技术的重要组成部分 过程控制的发展概况 过程控制的发展历史 大致经历了以下几个阶段 20世纪40年代 手工操作状态 只有少量的检测仪表用于生产过程 操作人员主要根据观测到的反映生产过程的关键参数 用人工来改变操作条件 凭经验去控制生产过程 20世纪40年代末 50年代 过程控制系统 多为单输入 单输出简单控制系统过程检测 采用的是基地式仪表和部分单元组合仪表 气动 型和电动 型 部分生产过程实现了仪表化和局部自动化控制理论 以反馈为中心的经典控制理论 过程控制的发展概况 20世纪60年代 过程控制系统 串级 比值 均匀 前馈和选择性等多种复杂控制系统 自动化仪表 单元组合仪表 气动 型和电动 型 成为主流产品20世纪70 80年代 微型计算机的出现及应用都促使控制系统发展 过程控制系统 最优控制 非线性分布式参数控制 解耦控制 模糊控制自动化仪表 气动 型和电动 型 以微处理器为主要构成单元的智能控制装置 集散控制系统 DCS 可编程逻辑控制器 PLC 工业PC机 和数字控制器等 已成为控制装置的主流 集散控制系统实现了控制分散 危险分散 操作监测和管理集中 控制理论 形成了大系统理论和智能控制理论 模糊控制 专家系统控制 模式识别技术 过程控制的发展概况 20世纪90年代至今 过程控制系统 管控一体化现场 综合自动化是当今生产过程控制的发展方向 自动化仪表 总线控制系统的出现 引起过程控制系统体系结构和功能结构上的重大变革 现场仪表的数字化和智能化 形成了真正意义上的全数字过程控制系统 各种智能仪表 变送器 无纸纪录仪人工智能 神经网络控制 自动化技术的应用范畴 军事方面 宇航方面 现代控制理论 其他方面 农业社会科学现代管理 办公自动化工业生产 自动车床 加热炉 发酵罐 过程控制的主要内容 1 自动检测系统利用各种检测仪表对工艺参数进行测量 指示或记录如 加热炉温度 压力检测2 自动信号和联锁保护系统自动信号系统 当工艺参数超出要求范围 自动发出声光信号联锁保护系统 达到危险状态 打开安全阀或切断某些通路 必要时紧急停车如 反应器温度 压力进入危险限时 加大冷却剂量或关闭进料阀3 自动控制系统 利用自动控制装置对生产中某些关键性参数进行自动控制 使他们在受到外界扰动的影响而偏离正常状态时 能自动的回到规定范围 过程控制系统的组成 眼检测元件 变送器 要想实现对汽包水位的控制 首先应随时掌握水位的变化情况脑控制器控制器将接收到的测量信号与预先规定的水位高度进行比较 如果两个信号不相等 表明实际水位与规定水位有偏差 此时控制器将根据偏差的大小向执行器输出一个控制信号 手执行器执行器即可根据控制信号来改变阀门的开度 从而使进入锅炉的水量发生变化 达到控制锅炉汽包水位的目的 几个常用术语 被控过程 对象 工艺参数需要控制的生产过程设备或机器等 如锅炉汽包 发酵罐 被控变量被控对象中要求保持设定值的工艺参数 如汽包水位 发酵温度 操纵变量受控制器操纵 用以克服扰动的影响使被控变量保持设定值的物料量或能量 如锅炉给水量和发酵罐冷却水量 扰动量除操纵变量外 作用于被控对象并引起被控变量变化的因素 如蒸汽负荷的变化 冷却水温度的变化等 设定值被控变量的预定值 偏差 e 被控变量的设定值与实际值之差 在实际控制系统中 能够直接获取的信息是被控变量的测量值而不是实际值 因此 通常把设定值与测量值之差作为偏差 过程控制系统的主要类型 按系统功能 温度控制系统 压力控制系统 位置控制系统 流量控制系统等 按系统性能 线性系统和非线性系统 连续系统和离散系统 定常系统和时变系统 按被控变量的数量 单变量控制系统和多变量控制系统 按采用的控制装置 常规仪表控制系统 计算机控制系统 按控制系统基本结构形式 闭环控制系统和开环控制系统 检测过程及误差 1 检测过程检测过程的实质在于被测参数都要经过能量形式的一次或多次转换 最后得到便于测量的信号形式 然后与相应的测量单位进行比较 由指针位移或数字形式显示出来 2 检测误差误差 测量值和真实值之间的差值误差产生的原因 选用的仪表精确度有限 实验手段不够完善 环境中存在各种干扰因素 以及检测技术水平的限制等原因 误差的性质及产生的原因 误差分为三类 1 系统误差 在同一测量条件下 对同一被测参数进行多次重复测量时 误差的大小和符号保持不变或按定规律变化特点 有一定规律的 一般可通过实验或分析的方法找出其规律和影响因素 引入相应的校正补偿措施 便可以消除或大大减小 误差产生的原因 系统误差主要是由于检测仪表本身的不完善 检测中使用仪表的方法不正确以及测者固有的不良习惯等引起的 2 疏忽误差 明显地歪曲测量结果的误差 又称粗差 特点 无任何规律可循 误差产生的原因 引起的原因主要是由于操作者的粗心 如读错 算错数据等 不正确操作 实验条件的突变或实验状况尚未达到预想的要求而匆忙测试等原因所造成的 3 随机误差 在相同条件下多次重复测量同一量时 误差的大小 符号均为无规律变化 又称偶然误差 特点 变化难以预测 无法修正误差产生的原因 随机误差主要是由于测量过程中某种尚未认识的或无法控制的各种随机因素 如空扰动 噪声扰动 电磁场等 所引起的综合结果 随机误差在多次测量的总体上服从一定统计规律 可利用概率论和数理统计的方法来估计其影响 检测仪表的基本技术性能指标 精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度 一般用一系列误差来衡量 绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值 即 检测仪表的基本技术性能指标 精度等级按仪表工业规定 去掉最大引用误差的 号和 号 称为仪表的精度等级 目前已系列化 只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级 即0 005 0 02 0 05 0 1 0 2 0 4 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0等 检测仪表的基本技术性能指标 例1有两台测温仪表 它们的测温范围分别为0 100 和100 300 校验表时得到它们的最大绝对误差均为2 试确定这两台仪表的精度等级 解这两台仪表的最大引用误差分别为去掉最大引用误差的 号 其数值分别为2和1 由于国家规定的精度等级中没有2级仪表 同时该仪表的误差超过了1级仪表所允许的最大误差 所以这台仪表的精度等级为2 5级 而另一台仪表的精度等级正好为1级 由此可见 两台测量范围不同的仪表 即使它们的绝对误差相等 它们的精度等级也不相同 测量范围大的仪表精度等级比测量范围小的高 检测仪表的基本技术性能指标 例2某台测温仪表的工作范围为0 500 工艺要求测温时测量误差不超过 4 试问如何选择仪表的精度等级才能满足要求 解根据工艺要求 仪表的最大引用误差为去掉最大引用误差的 号和 号 其数值为0 8 介于0 5 1 0之间 若选择精度等级为1 0级的仪表 其最大绝对误差为 5 超过了工艺上允许的数值 故应选择0 5级的仪表才能满足要求 注意 在确定一个仪表的精度等级时 要求仪表的允许误差应该大于或等于仪表校验时所得到的最大引用误差 而根据工艺要求来选择仪表的精度等级时 仪表的允许误差应该小于或等于工艺上所允许的最大引用误差 这一点在实际工作中要特别注意 压力检测方法及仪表 压力检测的基本知识1 压力的概念及单位垂直而均匀地作用在单位面积上的力单位 牛顿 米2 N m2 简称 帕 用符号 Pa 2 压力的表示方法 式中 压力 Pa 均匀垂直作用力 N 受力面积 m2 压力的几种表示形式 被测压力通常可表示为绝对压力 表压 负压 或真空度 压力检测方法 通常有三种检测压力的方法 即液柱测压法 弹性变形法和电测压力法 液柱测压法测压原理 是以流体静力学为基础 一般用液柱产生或传递的压力来平衡被测压力的方法进行测量的 弹性变形法测压原理 当被测压力作用于弹性元件 弹性元件便产生相应的变形 根据变形的大小 便可测知被测压力的数值 电测压力法测压原理 是利用转换元件 如某些机械和电气元件 直接把被测压力变换为电信号来进行测量的 弹性元件附加一些变换装置 使弹性元件自由端的位移量转换成相应的电信号 如电阻式 电感式 电容式 霍尔片式 应变式 振弦式等电测压力法可分为两类非弹性元件组成的快速测压元件 主要利用某些物体的某一物理性质与压力有关 如压电式 压阻式 压磁式等 液柱测压法 测量原理根据流体静力学原理 将被测压力转换成液柱高度进行测量 常用的压力表有U形管压力表 单管压力表 斜管压力表和活塞式压力表等 P0 h1 h2 1 1 p 2 0 0 弹性变形法 将被测压力转换成弹性元件变形的位移 弹簧管压力表 差压 压力 变送器 变送器是自动测控系统中的一个重要组成部分 作用 将各种物理量转换成统一的标准信号 如气动单元组合仪表 简称为QDZ仪表 为20 100KPa 电动单元组合仪表 简称为DDZ仪表 中 DDZ 型仪表为0 10mADC DDZ 型仪表为4 20mADC 按工作能源不同分为气动和电动变送器两大类 按工作原理的不同 分为力平衡式变送器和微位移平衡式变送器智能变送器 现场总线 Fieldbus 差压 压力 变送器 微位移式变送器 I0 1 测量部分 填充液 硅油 压力检测仪表的选择 压力表的选择应根据工艺过程对压力测量的要求1 仪表种类和型号的选择仪表种类和型号的选择应根据工艺要求 介质性质及现场环境等因素来考虑 介质的物理 化学性质 如温度 粘度 脏污程度 腐蚀性 易燃性等 如何 现场环境条件 如温度 湿度 有无振动 有无腐蚀性等 2 仪表量程的确定仪表的量程是根据被测压力的大小和保证仪表寿命等方面来考虑的 通常仪表的上下限值应稍大于工艺被测压力的最大值 按 化工自控设计技术规定 对被测压力较稳定的情况 最大压力值应不超过满量程的2 3 对被测压力波动较大的情况 最大压力值应不超过满量程的1 2 一般为了保证测量的精度 被测压力的最小值也不应低于全量程的1 3 物位的基本概念 物位 指容器中的液体介质的液位 固体的料位或颗粒物的料位和两种不同液体介质分界面的总称液位 容器中的液体介质的高低料位 容器中固体或颗粒状物质的堆积高度 物位检测的作用 为了确定容器中的贮料数量 以保证连续生产的需要或进行经济核算 为了监视或控制容器的物位 使它保持在规定的范围内 对它的上下极限位置进行报警 以保证生产安全 正常进行 物位检测方法 应用浮力原理检测物位应用静压原理检测物位应用超声波反射检测物位应用射线被物体的吸收检测物位 应用浮力原理检测物位 测量原理 利用漂浮于液面上的浮标或浸没于液体中的浮筒对液位进行测量的 当液位变化时 前者产生相应的位移 而所受到的浮力维持不变 后者则发生浮力的变化 因此 只要检测出浮标的位移或浮筒所受到的浮力的变化 就可以知道液位的高低 恒浮力法液位测量示意图 应用静压原理检测物位 通过液柱静压的方法对液位进行测量的 敞口容器 多用直接测量容器底部压力的方法 如图所示 测压仪表通过导压管与容器底部相连 由测压仪表的压力指示值 便可推知液位的高度 其关系为式中P 测压仪表指示值H 液位的高度 液体的密度g 重力加速度密闭容器 测量容器底部压力 除与液面高度有关外 还与液面上部介质压力有关 其关系为 压力表测量液位原理 式中PA PB 分别是液面上部介质压力和液面以下H深度的液体压力 应用超声波反射检测物位 超声波物位计 测量原理 根据超声波从发射到接收反射回波的时间间隔大小与被测介质高度成比例关系的原理 实现液位测量的 根据传声介质的不同可以分为 液介式 气介式 固介式三种 测量时由置于容器底部的超声波探头向液面与气体的分界面发射超声波 经过时间t后 便可接收到从界面反射回来的回波信号 V 超声波在液体中的传播速度H 从探头至界面的距离 被测介质物位高度 T 超声波从探头发射至液面反射回来的时间 流量检测方法及仪表 流量是工业生产过程操作与管理的重要依据 在具有流动介质的工艺过程中 物料通过工艺管道在设备之间来往输送和配比 生产过程中的物料平衡和能量平衡等都与流量有着密切的关系 流量 指瞬时流量 即单位时间内通过管道某一截面的流动介质的量 用体积流量 单位为m3 s 或质量流量 单位为kg s 表示 常见的流量检测方法有以下几种 应用容积法检测流量应用动压能和静压能转换的原理检测流量应用改变流通面积的方法检测流量应用电磁感应原理检测流量应用超声波检测流量应用流体动量矩原理检测流量应用质量流量检测方法 1 应用容积法检测流量 单位时间内所排出固定容积的数目作为测量依据为了连续地在密闭的管道中测量流体的流量 一般采用容积分界的方法 即由仪表壳体和转子组成流体的计量室 流体经过仪表时 在仪表的入 出口之间产生压力差 此流体压力差对转子产生驱动力矩 转子旋转 将流体一份一份地排出 其排出的流体总量为 应用动压能和静压能转换的原理检测流量 流体在管道中流动时 具有动能和位能 对于理想的流体 流体在同一管道的任一截面的动能和静压能的总和是不变的 但是若采取一定方式 例如节流 可以造成能量形式的相互转化 然后通过测量静压的变化求出流速和流量 工业中常用的方法是在管道中插入一流通面积较小的节流元件 造成流体通过节流元件时 在节流元件的上 下游之间产生静压差 简称差压 通过测量差压求出流量值 应用改变流通面积的方法检测流量 检测原理 在一个由下往上逐渐扩大的锥形管中垂直地放置一阻力件 当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时 由于受到流体的冲击 转子便要向上运动 随着转子的上升 转子与锥形管间的环形流通面积增大 流速降低 直到流体作用在转子上的浮力和冲力 阻力 与转子本身重量相平衡时 转子停留在某一高度 维持平衡 当流量增大时 流过环隙的流速v增大 转子所受冲力增大 由于转子在流体中的重力与所受浮力不变 所以转子就上升 造成环隙面积增大 从而流速v减小 冲力也减小 直至达到新的平衡 转子又停浮在一个新的高度上 这样转子在锥形管中停浮的高度与流体的流量大小一一对应 在锥形管外壁上以流量值刻度 则根据转子浮起的高度即可直接显示出被测流量的数值 差压式流量计 差压式流量计是基于流体动压能和静压能在一定条件下可以相互转换的原理 利用流体流经节流装置时所产生的静压差来实现流量测量的仪表 差压式流量计主要由节流装置 信号管路和差压计 或差压变送器和显示仪表 组成 1 孔板2 引压管3 差压计 应用改变流通面积的方法检测流量 锥形管 由下往上逐渐扩大管转子 阻力件 当流体自下而上流经锥形管与转子之间的环形流通面积时 由于受到流体的冲击 转子便要向上运动 检测原理 组成 涡轮流量计 优点1 高精度 在所有流量计中属于最精确的流量计2 重复性好 3 无零点漂移 抗干扰能力好 4 范围度宽5 结构紧凑 缺点1 不能长期保持校准特性 2 流体物性对流量特性有较大影响 电磁流量计 简称EMF是利用法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电液体体积流量的仪表 导电性液体在垂直于磁场的非磁性测量管内流动 与流动方向垂直的方向上产生与流量成比例的感应电势 经检测放大变送转换为流量信号 电磁流量计 优点不易阻塞 适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体 如纸浆 煤水浆 矿浆 泥浆和污水等 对于要求低阻力损失的大管径供水管道最为适合 前置直管段要求较低 测量范围度大 通常为20 1 50 1 可选流量范围宽 满度值液体流速可在0 5 10m s内选定 口径范围宽 从几毫米到3m 可测正反双向流量 也可测脉动流量可应用于腐蚀性流体 缺点不能测量电导率很低的液体 如石油制品和有机溶剂等 不能测量气体 蒸汽和含有较多较大气泡的液体 由于衬里材料和电气绝缘材料限制 不能用于较高温度的液体 有些型号仪表用于过低于室温的液体 因测量管外凝露 或霜 而破坏绝缘 电磁流量计四忌 一忌空产生气泡不满管二忌扰产生干扰字乱跳三忌变电导率变化测不到四忌污污染结垢表失效 旋进流量计 楔式流量计 楔式流量计 安装及其注意事项1 水平安装和垂直安装与介质的问题 水平安装 如果是气体 取压孔要向上 如果是液体 取压孔要斜向下 如果是蒸汽取压孔要向下 垂直安装 对于液体 要处理漂移现象2 直管段问题 一般要求前10D后5D 也有前9D后3D 要视现场的工况而定 温度检测方法 应用热膨胀测温应用工作物质的压力随温度变化的原理测温应用热电效应测温应用热电阻原理测温应用热辐射原理测温 1 膨胀式温度计 2 热电阻温度计 3 热电偶温度计 4 其他原理的温度计 温度检测仪表 热电偶温度计热电阻温度计温度变送器 热电偶 阻 结构 温度检测的基本知识 温度 反映了物体冷热的程度 与自然界中的各种物理和化学过程相联系 温度概念的建立及测量 以热平衡为基础的 温度最本质的性质 当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热换热 换热结束后两物体处于热平衡状态 则它们具有相同的温度 测量方法 接触式测温和非接触式测温 测温元件安装注意事项 插入深度要求测量端应有足够的插入深度 应使保护套管的测量端超过管道中心线5 10mm 插入方向要求保证测温元件与流体充分接触 最好是迎着被测介质流向插入 正交90 也可 但切勿与被测介质形成顺流 流体流动方向 温标 摄氏温标 是把标准大气压下纯水的冰融点定为0度 纯水的沸点定为100度的一种温标 在0度和100度之间分成100等分 每一分为一摄氏度 符号为 华氏温标 规定在大气压下 纯水的冰融点为32度 纯水的沸点为212度 中间划分为180等分 每一分为一华氏度 符号为 热力学温标 又称开尔文温标 单位为开尔文 K 红外测温仪表 温度检测方法 应用热膨胀原理测温应用固体受热膨胀测量温度的方法一般是利用两片线膨胀系数不同的金属片叠焊在一起 构成双金属温度计 液体膨胀式应用液体膨胀测量温度常用的有水银玻璃温度计 其结构简单 使用方便 但结构脆弱易损坏 应用热电效应测温 热电效应 两种不同导体或半导体A与B串接成的闭和回路 如果两个接点出现温差 t t0 在回路中就有电流产生 这种由于温度不同而产生电动势 热电势 的现象 由两种不同材料构成的上述热电变换元件叫热电偶 称A B二导体为热电极 接触电势两种不同材料的导体接触时产生温差电势当同一导体A 或B 两端温度不同 闭和回路总电势可见 当导体材料A B确定后 总电势EAB t t0 仅与温度t和t0有关 如果能使冷端温度t0固定 则总电势就只与温度t成单值函数关系 有关热电偶回路的几个结论 由热电效应基本原理分析 可得如下结论 1 如果热电偶两电极A B材料相同 则无论两端温度如何 热电偶回路的总热电势EAB t t0 恒为零 2 如果热电偶两端温度相同 t t0 即使两电极A B材料不同 热电偶回路内的总热电势EAB t t0 恒为零 3 热电偶的热电势仅与两热电极A B材料及端点温度t t0有关 而与热电极的长度 形状 粗细及沿电极的温度分布无关 因此 同种类型的热电偶在一定的允许误差范围内具有互换性 热电阻测温仪表 热电阻温度计广泛应用于 200 600 范围内的温度测量 1 对热电阻材料的要求用于制造热电阻的材料 要求电阻率 电阻温度系数要大 热容量 热惯性要小 电阻与温度的关系最好近于线性 另外 材料的物理化学性质要稳定 复现性好 易提纯 同时价格便宜 2 常用热电阻种类铂电阻 IEC 铜电阻 WZC 3 热电阻的结构4 热电阻测量桥路热电阻温度计由热电阻 连接导线及显示仪表组成 在导线连接方面可采用三线制或四线制 过程控制仪表与装置的分类和特点 控制仪表 控制器 执行器 运算器以及可编程控制器等 按所用能源分类 气动 电动 液动等 电动仪表和气动仪表应用的最多 按信号类型分类 模拟式和数字式两种 信号制及供电方式 气动控制仪表 0 02 0 1MPa的模拟气压信号 作为仪表间的标准联络信号 电动控制仪表 0 10mA DC 电流信号作为电动 型仪表的统一标准联络信号 4 20mA DC 电流信号和1 5V DC 电压信号确定为过程控制系统中电动 型仪表统一标准的模拟信号 电动仪表信号之间的传输方式是 进出控制室的传输信号采用电流信号 控制室内部各仪表间联络信号采用电压信号 电动仪表的供电方式有交流供电和直流集中供电两种形式 控制规律概述 控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号随时间变化的规律 正作用控制器 输入e与输出 y的变化方向相同 反作用控制器 输入e与输出 y变化方向相反 本节中以正作用的控制器为例进行研究 工程实际中应用最广泛的控制规律为比例 P 积分 I 微分 D 控制规律 简称PID控制规律 各种控制器的运算规律均由这些基本控制规律组合而成 控制规律的表示形式 PID控制器的一般形式为 y f e 几种常用控制规律的微分方程表达式可分别表示为 比例作用 P 比例积分作用 PI 比例微分作用 PD 比例积分微分作用 PID 执行器概述 执行器组成 执行机构和控制机构 控制机构又称控制阀 执行器作用 接受控制器输出的控制信号 并将其转换为直线位移和角位移 操纵控制机构 自动改变操作变量 从而实现对过程变量的自动控制 根据执行机构所使用能源的不同 执行器可以分为气动 电动 液动三大类 执行器的选择和使用将直接影响过程控制系统的安全性和可靠性 气动执行器 1 气动执行器的结构和原理气动执行器接受0 02 0 1MPa的标准气压信号 气动执行器由气动执行机构和控制机构两个部分组成 按执行机构的差别可分为薄膜式和活塞式两种 气动活塞式执行结构主要适用于大口径 高压降控制阀或蝶阀的推动装置 工业上薄膜式应用最多 气动薄膜执行机构主要由弹性薄膜平衡弹簧和推杆组成 执行机构是执行器的推动装置 即它接受标准气压信号后 经膜片转换成推力 使推杆产生位移 同时带动阀芯动作 使阀芯产生相应位移 改变阀的开度 气动执行机构按推杆位移的方向有 正作用形式 如果当输入气压信号增加时 推杆向下移动反作用形式 当输入气压信号增加时 推杆向上移动 控制阀的流量特性 控制阀的流量特性是指介质流过控制阀阀门的相对流量与相对开度 即阀的相对位移 之间的关系 其数学表达式为 从过程控制的角度看 流量特性是控制阀最重要的特性 它对整个过程控制系统的品质有很大影响 一般来说 通过改变控制阀阀芯与阀座间的流通截面积 便可实现对流量的控制 控制阀的选择 控制阀的选择 主要是流量特性 流通能力以及气开 气关形式和结构的选择 选择时要根据流体性质 工艺条件和控制要求 参考各种控制阀的特点 选择合适的结构形式 控制阀结构与特性的选择控制阀的