常压塔控制设计.doc

自控工程课程设计第1章 绘制控制工艺流程图1.1 工艺生产过程简介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。在石油炼制过程中，常、减压塔是具有多侧线产品的塔。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。常压塔是一个复合塔，非标准精馏塔，只有精馏段，没有提馏段。一般只能是塔顶出产品或塔底出产品，不能两者兼得。而常压塔把原油切割成汽油、煤油、轻柴油、重柴油和重油，塔底没有再沸器，而通入水蒸汽，没有提馏段。这样侧线产品中必然有相当数量的轻组分。解决的办法是增加汽提塔。过热水蒸汽420。常压塔的负荷往往决定了炼油厂的生产能力，所以负荷是很大的。另一方面，它是一个多馏份的切割塔，所以产品纯度没有一般精馏塔要求高，各侧线产品纯度允许在一定的馏份范围内变化，这是多馏份蒸馏塔的特点。常减压工艺流程可以简化为：根据原油中各组份的沸点（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（500 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。初馏塔塔顶可以出初馏点130的馏份作为重整原料。也可不作为产品， 作为常压塔的侧线回流打入常压塔。初馏塔底馏份用泵送入常压加热炉，被加热至规定温度，再进入塔内。由于该塔的热量并不是由塔底再沸器供给，而是由加热炉供给的，所以，原料入塔前的温度被预热得很高。塔底直接加入过热水蒸汽，其目的在于除去提馏段残油中的低沸点馏份而使塔底采出高沸点的产品，所以提馏段的塔板主要起了水蒸汽的汽提作用。精馏段主要用于分馏不同馏程的馏份，这和一般的精馏塔相同。但在不同高度的中间塔板上取出不同的侧线产品，各侧线产品都含有更轻的组份，为了除去这些更轻的组份，侧线产品通常被送入汽提塔中进行汽提，以便得到规定质量指标的产品。这些质量指标，如初馏点、干点等。常压塔的顶部产品一般取其大部分用作回流，而其余部分送入容器中作为产品。 常压塔顶出汽油，第一侧线出航空煤油，第二侧线出轻柴油，第三侧线出重柴油，根据对产品的要求，可以灵活调整。常压蒸馏除塔顶回流外，还有塔中段循环回流，即从较低层塔板上抽出，经冷却后，再用泵送到上几层塔板去，这样使塔内汽、液相负荷分布均匀，既稳定了塔操作又回收部分热量，并可减小塔的直径。常压塔底馏分经减压炉加热，进入减压塔。减压一线出航空润滑油，二线、三线、四线均为润滑油。或再经过第二减压塔从减压五线、减压六线采出都作为润滑油用，塔底渣油可作为丙烷脱沥青或沥青原料。1.2 常压塔的主要工艺参数及干扰因素塔顶温度 塔顶温度首先决定了塔顶产品的组成，同时也影响各侧线产品的组成，特别是一线产品质量受影响较大。因此，应保持塔顶温度的恒定，塔顶温度是通过顶部回流油量来调节的。塔侧线温度 塔侧线温度决定着侧线产品的组成。一般在塔中段循环回流量一定和塔顶温度恒定 图1-1 常减压装置概貌条件下，它就能维持在一定范围内变化。而侧线温度的进一步调节是通过侧线的采出量来达到的，这将改变塔的内回流量。若侧线馏出量增大，则相应的内回流量就减小，该侧线温度就要升高，侧线油品就变重。若侧线馏出量减小，则作用相反。塔顶压力 负荷变化时，塔顶压力会波动，当采用空气冷却时，气温的变化将影响冷凝程度，从而影响塔顶压力。但一般常压塔不设置压力调节。过热蒸汽量 过热蒸汽是从塔底加入的，主要是为了把轻馏分从塔底油中吹上去，同时也向塔底补充一部分热量，有助于轻馏分汽化。过热蒸汽压力不太高，但波动要小，以保持入塔蒸汽量基本稳定。塔底液位 塔底液位高度决定了塔底油在塔底部的停留时间。停留时间长可使塔底油与过热蒸汽有充分混合的机会，把其中的轻馏分吹上去。因此，塔底油液位要有一定的高度。但液位过高，就会使重质馏分也被过热蒸汽夹带上去，因而影响了塔的侧线产品，这对靠近塔底的侧线产品质量影响最为严重。除上述主要工艺参数对常压塔的操作有明显的影响外，塔的进料流量、进料温度和进料组分也是比较重要的干扰因素。1.3 常压塔一般的控制方案进料量的定值调节系统该系统一般设置在入加热炉前。进料温度的控制 进料温度就是加热炉的出口温度。通常炉出口温度与炉膛温度串级或炉出口温度与燃料油压力（或流量）串级控制系统。过热蒸汽压力控制目的是使塔底和汽提塔各线吹入过热蒸汽的压力和流量保持稳定。各循环回流量的定值控制 这是保持塔的热负荷的能量平衡控制。各汽提塔馏出量的定值控制在不完全抽出的情况下，各侧线馏出量的定值调节，将有助于塔的稳定操作。塔顶温度和侧一线温度的控制 塔顶温度的恒定是采用调节塔顶回流来实现的。目前在很多炼厂中以常压一线的产品作为主要产品。这时，对一线温度要求比较严格，若用一线温度与一线流量串级控制，效果较差。这是因为：一线流量的改变主要是影响一线以下塔段的内回流量，而对一线温度影响较缓慢，所以，一线温度波动较大。为此，可改用一线温度与顶部温度的串级控制。这样，一线温度是用改变一线上面的回流量来恒定的，调节比较灵敏，调节质量较高。塔底液位控制塔底产品常用作减压炉的进料，这里应采用塔底液位与塔底采出量的串级均匀控制。汽提塔的液位控制汽提塔的液位波动直接影响轻组分的吹出情况，影响到产品的初馏点，所以需要对汽提塔液位加以控制。液位调节阀可以安装在侧线的馏出口管线上。这样组成的液位控制与常压塔底部采出量的控制同时使用将有助于侧线温度的恒定。若在干扰作用下侧线馏出量增加，使侧线温度上升，汽提塔中液位也随之上升，此时液位调节器将驱动调节阀关小，使馏出量减少，则侧线温度下降。又如产品中轻馏分增加，侧线温度便下降，而汽提塔中虽然入塔的量不变，但因为轻馏分的增加而使汽提出来的量增加，从而使液位亦有下降。液位调节器将开大侧线上的阀门，以加大馏出量，这将使侧线温度上升，所以保持了各侧线温度的相对稳定。第2章 节流装置的计算机辅助设计计算2.1 GB/T2624-93概述GB/T2624-93全称为流量测量节流装置 用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量。1993年2月3日由国家技术监督局批准GB/T2624-93代替GB2624-81，1993年8月1日实施。该标准第一次等效采用ISO5167（1991）与国际接轨，标志着我国现行的标准节流装置，在推广采用国际标准上的研究成果、提高测量精度方面，以取得了突破性的进展。GB/T2624-93主要特点有： 以流出系数C代替流量系数；C值的计算中的降阶计算由原流量系数0计算中的最高阶20降至流出系数C计算中的最高阶8次幂。 提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。提出迭代计算方法，给出计算机计算程序框图。 差压上限不再计算，而要由用户自行选定，要求设计者有更多的经验。 管道粗糙度不再参加计算，而是在计算结果出来后验证。在GB/T2624-93中规定的标准节流装置有以下几种：标准孔板：角接取压；法兰取压；径距取压（D-D/2）。标准喷嘴：ISA1932喷嘴；长颈喷嘴。文丘里管：文丘里喷嘴；经典文丘里管。2.2 程序框图Xn=X(n-1)-(n-1)X(n-1)-X(n-2)/(n-1)-(n-2) D20，P，qmP,t,d,DD=D201+D(t-20)ReD=Error! No bookmark name given.令：A2= C=0.6060 =1设：Xn=A2/(C) (当n=1,2 时)= C用公18用公式19 n=A2-XnC 510-10=图2-1 标准节流装置程序框图2.3计算实例表2-1 标准节流装置设计计算任务书 序号项 目符 号单 位数 值123456789101112131415已知条件：被测介质名称被测介质温度被测介质压力管内径（20下实测）节流件形式取压方式管道材料热膨胀系数节流件材料热膨胀系数最大质量流量（或体积流量）最大差压值工作状态下密度工作状态下粘度工作状态下等熵指数工作状态下压缩系数tPD20DdqmP111Z1Pammm/mm.mm/mm.kg/sPaKg/m3Pa.s蒸气5001000000（绝）0.102孔板角接0.0000110.000016150000（可自选）2.8250.00002851.27616管道材料：20#钢，新轧制无缝钢管管道系统 1 辅助计算 求工况下管道直径：D=D201+D（t-20） =0.102*1+0.000011*(500-20) =0.1253856 m 求雷诺数ReD= = =435690.4539 求A2A2= = =0.227838815982 计算初值 求1 设： C0=C=0.6060，0=1 并令 X1=0.3759705607 又 1=0.25 = 0.25 =0.5932282739 求1 1=1（0.41+0.3514） =10.41+0.35*（0.5932282739）4） =0.9822356335 求C1 C1 =0.5959+0.031212.10.184018+0.002912.5（106/ReD）0.75故 C1=0.5959+0.0312*（0.5932282739）2.10.1840*（0.5932282739）8+0.0029*（0.5932282739）2.5（106/435690.4539）0.75 =0.6049648148因此 1=A2X1C11 =0.22783815980.223408474 =0.0044296859 精确度判断所以 =1.94*10-23 进行迭代计算，设定第二个假定值X2 X2= = =0.3834252085 2=0.25 = 0.25 =0.59834004152=1（0.41+0.3524） =0.9821763282 C2 =0.5959+0.031222.10.184028+0.002922.5（106/ReD）0.75 =0.6049855465因此 2=A2X2C22 =0.22783815980.22783221 =0.0000059481所以 4进行迭代计算，设定第三个假定值X3，利用快速收敛弦截法公式（n=3起用）X3=X2 =0.3834352334 3=0.25 =0.59834686093=1（0.41+0.3534） =0.9821762481 C3 =0.5959+0.031232.10.184038+0.002932.5（106/ReD）0.75 =0.6049855675因此 3=A2X3C33 =0.0000000028所以 5.流量测量总误差的计算 根据标准误差的相对值公式： =2=（0.6050）2=0.366025=（2=（=0.25*=0.25*1.52=0.5625第3章 调节阀口径计算3.1调节阀的选型和口径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)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。从使用功能上选阀需注意的问题 调节功能 泄漏量与切断压差 防堵 耐蚀 耐压与耐温 重量与外观 综合经济效果确定阀型 高可靠性。 使用寿命长。 维护方便，备品备件有来源。 产品价格适宜，性能价格较好。调节阀型式的优选次序 根据上述观点，特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。3.2 调节阀口径计算方框图及相关参数表计算数据的确定QL(WL)、p1、p2、s、Qmax、L、pc、pv、FL、D1、D2、阀型阻塞流判别低雷诺数修正判别Re计算式低雷诺数修正（FR）按非阻塞流条件计算C按阻塞流条件计算C求CmaxsQmin-QmaxmCmax初选C100值和口径查产品目录而定管件形状修正判别调节阀口径选定验算 开度验算 可调比验算式管件形状修正计算最后确定口径和C100值图3-1 调节阀口径计算程序框图3.3 计算实例 调节阀口径计算任务书 序号项 目符 号单 位数 值12345678910111213141516171819202122已知条件：调节阀类型理想流量特性被测介质名称被测介质温度最大质量流量最大体积流量正常质量流量正常体积流量最小质量流量最小体积流量阀前压力阀后压力最大压差最小压差上游管内径上游管内径饱和蒸气压工作状态下密度工作状态下运动粘度工作状态下等熵指数工作状态下压缩系数临界压力tWmaxQmaxWnQnWminQminP1P2PmaxPminD1D2Pv111Z1Pckg/hm3/hkg/hm3/hkg/hm3/hkPakPakPakPammmmkPag/cm3ctskPa直通双座直线水181003080050060125125210.822100 计算过程:(1)FL=0.85(2)FL*FL=0.85*0.85=0.7225 FF=0.96-0.28*sqrt(PV/PC)=0.96-0.00267=0.9573 (3)5003500 因此 为湍流,勿需低雷诺修正 (6)SQ=Qmax=100 工程上一