化肥厂水处理控制系统设计

自控工程课程设计 1 第第 1 1 章章 工程实例工程实例 1 1 1 1 工程背景及说明工程背景及说明 随着供水事业的发展 人们对水量的需求越来越大 对水质的要求越来越高 提高水处理效率是城市发展和人民生活水平提高的需要 实现水处理自动化势在 必行 水处理工艺过程流程图如图 1 所示 1 混凝剂 消毒剂加注自动化则是 水处理过程中最具经济效益和社会效益的一项措施 它具有稳定出水水质 节 约净水资源 减轻工人劳动强度 投入少产出高的特点 1 污水水量 水质 1 设计规模 设计日平均污水流量 Q 15000m3 d 设计最大小时流量 Qmax 812 5m3 h 2 进水水质 CODCr 500mg L BOD5 300mg L SS 300mg L NH3 N 35mg L 2 污水处理要求 污水经过二级处理后应符合以下具体要求 CODCr 100mg L BOD5 20mg L SS 20mg L NH3 N 15mg L 3 处理工艺流程 污水拟采用传统活性污泥法工艺处理 图1 1 4 气象资料 该市地处内陆中纬度地带 属暖温带大陆性季风气候 年平均气温 9 13 2 最热月平均气温 21 2 26 5 最冷月 5 0 0 9 极端最高气温 42 极端最低气温 24 9 年日照时数 2045 小时 多年平均降雨量 577 毫 米 集中于 7 8 9 月 占总量的 50 60 受季风环流影响 冬季多北风和西 北风 夏季多南风或东南风 市区全年主导风向为东北风 频率为 18 年平 均风速 2 55 米 秒 5 污水排水接纳河流资料 该污水厂的出水直接排入厂区外部的河流 其最高洪水位 50 年一遇 为 380 0m 常水位为 378 0m 枯水位为 375 0m 6 厂址及场地现状 该污水处理厂选址于东郊渭河北岸河堤与咸铜铁路交汇处的金家庄附近一 块三角地带 场地地势平坦 由西北坡向东南 场地标高 384 5 383 5 米之间 原污水 污泥浓缩池污泥脱水机房 出水 格栅 污水泵房 沉砂池 二沉池 泥饼外运 曝气池 回流污泥 自控工程课程设计 2 位于城市中心区排水管渠未端 厂区南邻人民路和渭河大堤 西北向为咸铜铁 路 东边紧靠建材路 交通便利 厂址面积为 35000m2 1 21 2 CADCAD 流程图流程图 图 1 2 CAD 流程图 自控工程课程设计 3 第第 2 2 章章 控制系统方案设计控制系统方案设计 在管道内装入节流件 流体流过节流件时流束收缩 于是在节流件前后产 生差压 对于一定形状和尺寸的节流件 一定的测压位置和前后直管道情况 一定参数的流体 和其他条件下 节流件前后产生的差压值随流量而变 并且 两者之间有确定的关系 因此可通过测量差压来测量流量 节流件的形式很多 有孔板 喷嘴 文丘利管 1 4 圆喷嘴等 用得最广 泛的节流件是孔板和喷嘴 这两种形式的节流件的外形 尺寸已标准化 并同 时规定了它们的取压方式和前后直管段要求 总称为 标准节流装置 通过大 量试验求得了这类标准节流装置的流量与差压的关系 以 流量测量节流装置 国家标准 的形式公布 标准节流装置只适用于测量圆形截面管道中的单相 均质流体的流量 并 要求流体充满管道 在节流件前后一定距离内不发生相变或析出杂质 流速小 于音速 流动属于非脉动流 流体在流过节流件前 流束与管道轴线平行 不 得有旋转流 标准节流装置包括 节流件 取压装置 节流件上游侧第一个阻力件 第 二个阻力件 下游侧第一个阻力件以及在它们之间的直管段 图 2 1 整套节流装置示意图 关于标准节流件的形式 目前国标规定如下 标准孔板和标准喷嘴 国际 上还有一些其他的已标准化了的节流件 如径距取压 即 D 和 0 5D 取压 D 为 管道内径 标准孔板 径距取压长径喷嘴 亦称 ASME 喷嘴 古典文丘利管和 文丘利喷嘴等 自控工程课程设计 4 图 2 2 标准孔板 标准孔板制造安装的要求如下 1 标准孔板的开孔直径 d 是一个重要的尺寸 应实际测量 测量在上游 段进行 最好是在四个大致相等的角度上测量直径 求其平均值 要求各个单 测值与平均值之差在 0 05 范围内 2 标准孔板的全称是 同心薄壁锐缘孔板 因此孔板进口圆筒形部分 应与管道同心安装 3 孔板进口边缘应是严格直角 不能有毛刺和可见的反光 即进口边缘 应很尖锐 边缘半径不大于 0 0004d 所谓薄壁是指孔板厚度 E 和圆筒形厚度 e 不能过大 2 标准节流装置设计计算原始数据 位号 FR2010 工作介质 脱盐水 取压方式 法兰取压孔板 操作温度 32 工况密度 956 45Kg m3 工作压力 0 7Mpa 工况粘度 199 10 6 Pa S 管道内径 80mm 最大流量 7800 kg h 管道材质 20 钢 节流件材质 1CR18NI9TI 自控工程课程设计 5 3 调节阀计算原始数据 位号 LRC105 工作介质 脱盐水 操作温度 32 阀前压力 0 8Mpa 阀后压力 0 7MPa 管道内径 80mm 标准孔板制造安装的其他要求是 1 在各处测得的 E 值之间的最大差值和各处测得的 e 值之间的最大差值均 不得超过 0 001D 2 孔板必须与管道轴线垂直安装 其偏差不超过 1 度 3 若 E 0 02D 则可以不做成 1545 度的圆锥形出口 这样的孔板适用于 测量双向流动的流体 但这时要求下游端面的标粗糙度和边缘尖锐度必须与上 游端面的相同 4 孔板加工过程中 不得使用刮刀和砂布进行修刮和打磨 表 2 1 标准孔板适用范围 本设计差压计量程上限 max p 按下式计算 max p 2 5 y 2 5 10 103 25KPa 根据参考文献 1 附录表 13 可选用 1151DR 电容式差压变送器 其量 程范围 12 5 152 9 81Pa 耐静压力为 0 7MPa 变送器量程调整在 0 25 103Pa 流量指示仪表的刻度上限为 12 5t h 本例最大 流量为 10 5t h 验算 max p P 25 103 1 019 105 0 062 0 5 符合规定 取 71802 0 计算 流出系数和流束膨胀系数的不确定度 C C 和 角接取压法兰取压径距取压 12 mm d 50mm D 100mm 0 2 0 75 当 0 2 0 45 时 ReD 5000 当 0 4 时 ReD 10000 ReD 1260 2D 自控工程课程设计 6 C C 0 766 节流件孔径的不确定度 d d 0 1 d d 管径的不确定度 D D 0 2 D D 差压测量值的不确定度 p p 0 22 max 3 pp ppch 0 121 密度值的不确定度 1 1 选择变压器等级为 0 2 级 指示仪表为 0 5 级 因此 4 1 4 1 1 2 1 2 2 1 2 1 1 222 4 22 4 4 22 ppdDC c q pp dD m qm 1 15 第第 3 3 章章 控制系统仪表选型控制系统仪表选型 3 13 1 检测原件选型检测原件选型 在化工生产过程中 一个工艺过程的控制是否平稳 超调量 衰减比 扰 动是否在规定的范围内 除了工艺设计合理 设备先进外 重要的一点就是调 自控工程课程设计 7 节阀能否按照主体控制意识准确动作 从而精确地改变物料或能量 如果调节 阀的流量特性差 渗漏大 动作不可靠 就会使自动控制过程的质量变差 甚 至失去调节作用 从而增加了劳动强度 给生产带来重大的经济损失 因此 调节阀的选择显得非常重要 气动薄膜调节阀因具有调节性能好 结构简单 动作可靠 维护方便 防火防爆及价廉等优点 而被广泛用于化工生产过程控 制中 那么如何选择合适的气动薄膜调节阀呢 这要从以下几方面进行 调节阀 类型的选择 化工生产过程中 被调节的介质特性千差万别 有的高压 有的高 粘度 有的有腐蚀性 而且流体的流动状态也各不相同 有的流量很小 有的 流量很大 因此 必须选择合适类型的调节阀去满足不同的要求 调节阀结构 形式的选择 在选择调节阀的结构形式时 主要是根据现场被控工艺介质的特点 工艺生产条件和控制要求等 结合调节阀本身的流量特性和结构特点来选择 如用于大口径 大流量 低压差或浓浊浆状及悬浮颗粒物的介质调节时 可选 用气动薄膜调节蝶阀 当要求直角连接 介质为高粘度 含悬浮物和颗粒状介 质的调节时 可选用流路简单 阻力小 易于冲洗的气动薄膜角型调节阀 当 调节脱盐水介质时 由于脱盐水介质中含有低浓度的酸或碱 它们对衬橡胶的 蝶阀 隔膜阀有较大的腐蚀性 因此可选用水处理专用球阀 以延长使用寿命 当要求阀在小开度时工作 就不应选用双座阀 因双座阀有两个阀芯 其下阀 芯处于流闭状态 稳定性差 易引起阀的振荡 此外 选用调节阀时 还应考虑调节阀的阀芯型式 阀芯是调节阀最关键 的零件 有直行程阀芯和角行程阀芯两大类 直行程调节阀阀芯是垂直节流的 而介质是水平流进流出的 阀腔内流道必然转弯倒拐 使阀的流路形状如倒 S 型 因而存在许多死区 为介质的沉淀提供了空间 易造成堵塞 角行程 调节阀的阀芯是水平节流的 与介质的进出方向一致 因此易把不干净介质带 走 而且流路简单 介质沉淀空间少 故其防堵性能好 再次 还应考虑调节阀上阀盖的形式和所用的填料 当介质温度为 20 200 时 应选用普通型阀盖 当温度高于 200 时 应选用散热型阀盖 当温度低于 20 时 应选用长颈型阀盖 在有剧毒 易挥发 易渗透等重要介 质的场合 应选用波纹管密封型阀盖 上阀盖填料室中的填料有聚四氟乙烯或 石墨填料 前者摩擦系数小 可减少回差 且密封性好 后者使用寿命长 但 密封性差 3 23 2 执行原件执行原件 调节阀作用方式的选择 调节阀气开 气关形式的选择 主要从工艺生产上 的安全要求出发 其原则是 当仪表供气系统发生故障中断供气或控制信号中 断时 调节阀处于打开或关闭的位置由其对生产造成危害性大小决定 如阀门 处于打开位置时危险性小 则应选气关阀 流量特性的选择 调节阀的流量特性 是指介质通过阀门的相对流量与阀门的相对开度间的关系 在阀前后压差保持 自控工程课程设计 8 不变时 称为理想流量特性 生产中常用的有直线型 等百分比型 抛物线型 和快开型四种 实际生产中 由于管道系统除了调节阀外 还有其它的串 并 联管道 因此 调节阀前后压差通常是变化的 这种情况下的流量特性称为工 作流量特性 流量特性的选择实质是如何选择直线和等百分比特性 因为抛物线流量特 性介于直线和等百分比之间 一般可用等百分比特性代替 而快开特性用于二 位式调节及程序控制中 那么 如何选择调节阀的流量特性呢 从调节系统的 调节品质分析原则是 适当选择调节阀的特性 以阀的放大系数的变化来补偿 调节对象放大系数的变化 使调节系统的放大系数保持不变的控制效果 若调 节对象的放大系数随负荷增加而变小 则应选用等百分比特性的调节阀 若调 节对象的放大系数为线性 则应选用直线流量特性 从工艺配管情况分析由于 系统配管的情况不同 配管阻力的存在会引起调节阀上压降的变化 从而使流 量特性变化 因此应根据系统的特点来选择希望得到的工作特性 然后再考虑 配管情况来选择相应的理想特性 流量特性与配管情况对照如下 S 称为阀 阻比 指调节阀全开时阀前后压差 Pmin 与系统总压差 P 之比 确定调节 阀的最大 最小流通能力 Cmax Cmin 先根据生产能力 设备负荷 介质状态 确定调节阀的最大 最小流量 其次根据工艺管路 设备等组成的系统总压降 大小的变化情况来确定调节阀上的最大最小压差 然后 选择合适的计算公式 计算出 Cmax Cmin C 值的计算方法如下 液体 1 一般液体 2 高粘度液体 Q 流经阀门的体积流量 P 阀前后压差 粘度修正系数 液体密度 气体 1 一般气体 当 P2 0 5P1 时 当 P2 0 5P1 时 2 高压气体 当 P2 0 5P1 时 当 P2 0 5P1 时 z 压缩系数 N 标准状态下气体的密度 QN 标准状态下气体的流量 T 操作温度 P1 阀前绝对压力 自控工程课程设计 9 P2 阀后绝对压力 蒸汽 1 饱和蒸汽 当 P2 0 5P1 时 当 P2 0 5P1 时 2 过热蒸汽 当 P2 0 5P1 时 当 P2 0 5P1 时 t 过热蒸汽温度 K 修正系数 M 蒸汽质量流量 P1 阀前绝对压力 P2 阀后绝对压力 P1 阀前后压力 自控工程课程设计 10 第第 4 4 章章 课程设计心得课程设计心得 通过实验 我们感性地认识到理论与实际的差别 加深了我们对本课程设计 的理解和认识 通过实验来验证设计并改善设计中的不足之处 实验中我们会 遇到很多问题和故障 在锻炼了我们的动手能力的同时也提高了我们的思考 解决问题的能力 调试的过程就是观察 分析 排错的过程 在进行实验时 应该按照设计的实验步骤进行观察 记录 然后与原设计进行比较 分析 以 判断每一步是否正确 从而推动整个实验的进程 实验的调试过程 实质上是 一个不断发现问题 不断找出原因 不断解决问题的过程 要解决问题关键是 要发现问题的所在 而要能找到出错的原因 只有通过反复的对实验运行过程 中记录的参数进行分析 比较 才能发现问题 由此可见 在实验室做好现场 参数的记录和分析是相当重要的 这不仅是培养我们养成良好实验习惯的机会 也是让我们学会将理论知识综合运用 掌握实验技巧 提高动手能力 因此必 须要经过实验测试和调整 以便发现和纠正设计和安装中的不足 最后才能达 到预定的设计要求 自控工程课程设计 11 参考文献参考文献 1 邓星钟 自动控制 M 华中科技大学出版社 2007 年 7 月 2 廖常初 平面二维 CAD M 机械工业出版社 2009 年 6 月 3 李朝青 流量计量与测试 M 北京航空航天大学出版社 2005 年 10 月 4 宋伯生 过程测量仪表 M 机械工业出版社 2005 年 7 月 4 吴作明 测量及仪表 M 北京航空航天大学出版社 2007 年 11 月 自控工程课程设计 12 附录附录 START bit 01H MinSpd EQU 9 MaxSpd EQU 75 Speed DATA 23H ORG 0000H LJMP DJSD ORG 0010H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN MOV SPEED MinSpd m NEXT1 MOV A Speed MOV B 10 DIV AB CMP A 0 JE DISPS0 CMP A 1 JE DISPS1 CMP A 2 JE DISPS2 CMP A 3 JE DISPS3 CMP A 4 JE DISPS4 CMP A 5 JE DISPS5 CMP A 6 JE DISPS6 CMP A 7 JE DISPS7 CMP A 8 自控工程课程设计 13 JE DISPG1 CMP B 2 JE DISPG2 CMP B 3 JE DISPG3 CMP B 4 JE DISPG4 CMP B 5 JE DISPG5 CMP B 6 JE DISPG6 CMP B 7 JE DISPG7 CMP B 8 JE DISPG8 CMP B 9 JE DISPG9 MOV P1 0FCH JMP Next DISPG1 MOV P1 060H JMP Next DISPG2 MOV P1 0DAH JMP Next DISPG3 MOV P1 0F2H JMP Next DISPG4 MOV P1 066H JMP Next DISPG5 MOV P1 0B6H JMP Next 自控工程课程设计 14 DISPG6 MO