列管式换热器自控设计论文

1、吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书列管式换热器自控设计说明书学生学号：08510323学生姓名：专业班级：自动0803指导教师：职 称：副教授起止日期：2011.08.29- 2011.09.16吉林化工学院Jil in In stitute of Chemical Tech no logy专业综合设计任务书一设计题目：列管换热器自控设计二设计目的1进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应 用、文献查阅和报告撰写等基本技能；2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工 程实际问题的能力；3、熟练运用Aut

2、oCA荧绘图工具制图；4、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风。三设计任务及要求1熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图;2、仪表选型；3、绘制施工图，编制自控设备表相应表格。四设计时间及进度安排设计时间(2009.12.212010.01.06 ),具体安排如下表：周安排设计内容设计时间第一阶段熟悉工艺流程，查找相关资料，根据工艺要求，确定自控 方案；绘制工艺控制流程图。进仃仪表选型及调节阀计算； 绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写 自控设备相应表格。2009.12.2 2009.12.31第二阶

3、段完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答JlA亠 辩。2010.01.04200.01.06五指导教师评语及学生成绩指导教师评语：年月日成绩指导教师(签字)：专业综合设计任务书 第1章 专业综合设计的目的 第2章2.12.2工艺简介 工艺介质简介 列管式换热器工艺流程2.3第3章3.23.13.3第4早4.14.24.34.45.15.25.3第6早主要控制指标 控制方案的选择. 原油出口温度控制方案 原油流量控制方案. 整体方案 调节阀 调节阀介绍 调节阀类型的选择 调节阀口径的选择 确定气开与气关 输入输出点数 变送器选型 模块选型自控设计5.7.7.,10.126.16.26

4、.36.46.5确定控制方案设计单回路控制图确定PLC控制器类型设计机柜布线图电源分配.1212121212结论参考文献附录附录1工艺流程控制图 附录2模拟量及开关量PLC模块接线图附录3回路图附录4模拟量及开关量输出接线图.131415.151617.18附录5模拟量输入输出隔离模块接线图 附录6信号接线端子图 附录7 DC24V供电回路图 附录8 AC220V供电回路图 附录9设备汇总表1920212223第1章 专业综合设计的目的此次设计是学生第一次进行的综合性专业设计，是自动化专业的一个重要教学环节，其目的是 进一步巩固和加深对所学专业知识的理解，培养学生独立分析和解决工程实际问题的能

5、力，使学生 对自控设计有较完整的概念，培养学生综合运用所学的控制理论、仪表、控制工程等知识进行工程 设计的能力，进一步提高设计计算、制图、视图、编写技术文件，查阅参考文献与资料、仪表类型 选择的能力。通过此次设计，培养学生树立为社会主义建设服务的观念。设计者应该有敢于创新和 勇于负责的精神，从投入施工的角度来严肃对待自己的设计，使自己的设计能最大限度满足生产实 际需要，既经济，又可靠。第2章工艺简介在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器重至少要有两种 温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，是需要加热的流体，在 工艺流程中吸收热量。在化工

6、、石油、动力、制冷和食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设 备，并占有十分重要的地位。随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也 各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历 史，而且至今仍在所有换热器中占主导地位。2.1工艺介质简介石油也称原油或黑色金子，是一种粘稠的、深褐色（有时有点绿色的）液体。石油主要被用来 作为燃油和汽油，燃料油和汽油组成目前世界上最重要的一次能源之一。石油也是许多化学工业产 品一一如溶剂、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。当今88%开采的石油被用作燃料，其它的12%作 为化

7、工业的原料。列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。它主要由壳体、管板、换热管、 封头、折流挡板等组成。所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。在进行换热时， 一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另 -种流 体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。2.2列管式换热器工艺流程列管式换热器工艺流程图如下图2-1所示:列管式换热器的工艺流程图图2-1本单元设计采用列管式换热器。来自外界的10G冷物流由泵P101送至换热器E101的壳程被 流经管程的热物流加热至150G冷物流流量由压力控制器PIC101控制，正常流量

8、7kgf/cm2。来自 另一设备的250C热物流送至换热器 E101与注经壳程的冷物流进行热交换，热物流出口温度由 TIC111 控制。2.3主要控制指标换热器出口温度的调节通道动态特性，可以近似看成一阶惯性环节的对象。设其放大倍数Kp=0.6, Tp=1.2min。已知饱和蒸汽的参数为：Qmax=360n?/h, Qc=280m3/h, P=40kgf/cnE T=250C。 原油的参数为：Qmax=50m3/h, Q=39m3/h, P=7kgf/cmf, T=10C, p =0.9g/Cm工艺上要求加热后的原油温度T=150C2C；在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量；要求

9、就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度。换热器设计尺寸如下图2-2所示。第3章控制方案的选择3.2原油出口温度控制方案为了控制列管式换热器出口处的温度，系统对出口处温度采用的是温度的串级控制。出口温度 经过温度变送器进行温度变送至温度显示控制器 TIC121, TIC121再经与流量显示控制器FIC112 串级，形成温度一流量串级控制，最后由流量显示控制器FIC112输出控制信号作用于流量控制阀 FV112,调节饱和蒸汽的流量，来达到稳定加热原油的目的。大部分的温度检测采用温度变送器，如果单纯采用温度控制得系统的控制质量将不会得到改 善。因此换热器的控制系统中，采用温度-压力的串级控制系

10、统。其中，温度为主回路，压力为副 回路。控制系统方框图如图3-1所示：图3-1原油出口温度串级控制方框图上图为列管式换热器的温度串级控制系统方框图。由于系统中工艺要求是控制原油加热出口温 度，温度控制器为主控制器。压力控制器为副控制器，温度控制器的输出是压力控制器的给定。串 级控制系统比单回路系统响应速度更快，有更强的控制作用和更好的鲁棒特性，能明显的改善控制 品质。3.1原油流量控制方案进入换热器的是温度较低的原油，根据工艺要求，泵后原油的流量 Q=39m3/h,因此对原油流 量的控制是非常重要的。对被控变量的选择过程如下：可选被控变量为原油流量。测得的原油流量 与要求的流量进行比较然后对控

11、制法做出相应的控制。控制方案方框图如图3-2所示。图3-2泵后压力单回路控制系统方框图3.3整体方案由于本设计要求在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量；要求就地指示原油 泵后压力、温度、加热原油出口温度，因此需要加上就地显示仪表。由于本工段属于小工段，为了 设计需要，本设计方案将就地显示仪表选择在控制室显示。设计系统的整体方案如图 3-3所示。图3-3系统工艺流程图第4章调节阀4.1调节阀介绍调节阀接受控制器来的信号，通过改变阀的开度来达到控制的目的。因为它处于最终执行控制 任务的地位，所以又称末级控制元件”调节阀直接与介质接触，当使用在咼压、咼温、深冷、强腐蚀、咼粘度、易结晶、

12、闪蒸、气蚀 等各种恶劣条件下工作时，调解阀选择的重要性就显得更为突出。不论是简单控制系统，还是复杂 控制系统，调解阀都是系统中不可缺少的组成部分。经验表明，控制系统中，每个环节的好坏，都 对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以对控制阀 这个环节必须高度重视。在设计时，必须根据应用场合的实际情况，选择好阀的类型-包括执行机 构和阀体结构类型。4.2调节阀类型的选择调节阀分为气动调节阀、电动调节阀、滚动调节阀、混合调节阀四大类。其中石油化工只要应 用气动调节阀、电动调节阀两大类。本次设计选用 HRVQ/X智能三通流调节阀用于总管路的流量 控制阀、除氧器出口压

13、力阀、除氧器液位控制阀。它们的位号分别位于FV-101、FV-102。1、执行机构1）型式：HRL智能型执行程机构2）输入信号：420mA3）输出信号：420mA.DC4）供电电源：220V 10%50/HZ5）基本误差：土 1.0%6）断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%之间预知的任意值7）阀作用型式：任意作用正/反作用8）环境温度：-20+60C（4C以下使用时，需要装加热电阻）2、阀体1）公称通径：合流阀，25200mm 分流阀，25200mm2）公称压力：PN1.6,4.0,6.4Mpa3）材料：铸铁（ZG25）,铸不锈钢（ZG1Cr18Ni9, ZG0Cr18Ni1

14、2M02Ti）4）上阀盖：常温型：-40+250C5）热片型：+250+45CC6）填料：V型饱和蒸汽填料4.3调节阀口径的选择调解阀的口径必须很好选择，在正常工况下，阀门开度处于15%85%之间。口径选择过小，当经受较大扰动时，阀门很可能运行到全开时的饱和非线性工作状态，使系统处于暂时失控情 况。口径过大，阀门经常处于小开度。这时，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重。而且在小开度时，阀 芯由于受不平衡力的作用，容易产生震荡现象，这就更加重了阀芯和阀座的损坏，甚至造成控制失 灵。4.4确定气开与气关气动调节阀有气开（有信号压力时阀开）和气关（有信号压力时阀关）两种。调节阀的气开气 关主要根据工艺装置的

15、安全要求决定。一般在调节阀气源中断时应切断选入装置和设备的原料、热 源,停止向装置外输出产品。考虑到控制系统的安全和经济问题，控制饱和蒸汽流量和泵后原油流 量的压力调节阀均选择气开形式。第5章仪表选型5.1输入输出点数对于一个过程控制系统来说，总有一定数量的输入点数和输出点数，并且输入和输出分为模拟 量输入输出和数字量（开关量）输入输出，并且输入输出点数根据设计方案的不同而不同。根据本 系统选择的控制方案，系统的输入输出点数如表5-1所示。表5-1 I/O点表I/O点表序号名称位号I/O点类型信号类型备注AI/AO1泵后原油压力检测PIC101AI4-20mA2泵后原油压力调节阀PV101AO

16、4-20mA3泵后原油流量就地指示PI1114-20mA4泵后原油温度就地指示TI1214-20mA5饱和蒸汽流量检测FIC112AI4-20mA6饱和蒸汽流量调节阀FV112AO4-20mA7加热原油出口温度检测TIC122AI4-20mA8加热原油出口温度就地显示TI1234-20mADI/DO1PUMP故障检测DI1-5V2PUMP启动状态检测DI1-5V3PUMP启动控制DO1-5V4PUMP停止状态检测DI1-5V5PUMP停止状态控制DO1-5V由上表可知，模拟量输入（AI）点数为3个，模拟量输出（AO）点数为2个，数字量输入（DI） 点数为3个，数字量输出（DO）点数位2个5.2

17、变送器选型根据本系统的设计方案，要求检测的信号有原油泵后压力、流量、温度，饱和蒸汽的流量，出 口原油的温度。因为本系统的工艺介质是易燃易爆，粘稠的原油，根据性价比的分析，选择虹润厂家的 K型 压力变送器HR-K2I1R1F2B5D3;流量选用涡街流量计，型号为 HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E1; 温度选择铠装型热电阻，型号为HR-WZPK2235。饱和蒸汽为高速高温的气体，测量其流量选用差压式流量计。选用的差压式变送器型号为HR-1151DP4E12BFM3B2。系统的所有变送器类型如表5-2所示。表5-2变送器选型变送器选型序号仪表位号名称型号1PIC101原油泵后压力变送器

18、HR-K2I1R1F2B5D32FI111原油泵后涡街流量计HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E13FIC112饱和蒸汽差压变送器HR-1151DP4E12BFM3B2I4TI122铠装热电阻HR-WZPK22345TI121铠装热电阻HR-WZPK22356TI123铠装热电阻HR-WZPK22365.3模块选型一、输入输出模块选型根据输入点和输出点的个数，输入输出模块选型如下（设系统裕量为20%）:系统的AI点为3个，3X1.2 = 3.6取整为4点。西门子S7-300 AI有2/8点输入模块，本系统 选8点输入模块较为合理，故应选择1个8点输入模块，实配点数为8点；A0点数为2

19、个，2 X.2 =2.4,取整为3点，西门子S7-300 A0有4/8点输出模块，选择4点输出模块较为合理。故应选择 1个4点的输出模块，实配点数为4点。系统的DI点为2个，2X1.2 = 2.4取整为3点。西门子S7-300 DI有8/16/32点输入模块，选8 点输入模块较为合理，故应选择1个8点的输入模块，实配点数为8点；DO点数为1个，1X.2 = 1.2,取整为2点，西门子S7-300 DO有 8/16/32点输出模块，本系统选择8点输入模块较为合理。 故应选择1个8点的输出模块，实配点数为8点。综上所述，实际配置点数为：AI为8点，AO为4点，模拟量合计为12点；DI点为8点、 D

20、O点为8点，数字量合计为16点。二、CPU选型一般模拟量显示按每点0.1KB,调节回路每点1KB，开关量每点0.1KB。模拟量总数即为显示 点数，则12X0.1KB=1.2KB;最大控制点数为AI点数，则4XKB=4K。开关量总点数为16点，则 16X.1KB=1.6KB。存储器使用总量为 1.2KB+4KB+1.6KB=6.8KB, 312CPU存储器容量为 16KB， 大于存储器开销，满足控制系统组态要求。三、电源选型PLC系统电源总功率=CPU功率+模块功率+系统外部供电功率。一般认为用PLC系统电源对 外部供电有一定风险，所以外部供电使用单独电源，功率另算。312CPU满载电流为0.5

21、A，模拟量输入模块不消耗24V电源，但其变送器回路需消耗24V电 源。假设全部模拟量输入（AI）均为二线制变送器，则有8X 22mA= 0.176A ;模拟量输出（AO） 模块个数为1,每块模块消耗240mA，则有1X 240mA = 0.24A;数字输入（DI）模块有8路，每 个DI回路消耗7.5mA,则总消耗电流为7.5mAX8=0.060A;数字输出（DO）模块自身消耗90mA, 如果每路带一个中间继电器，每个继电器消耗40mA电流，则中间继电器最高消耗电流为40mAX 8=0.32A。则总电流为 0.5A+0.176A+0.24A+0.06A+0.06A+0.09A+0.32A=1.4

22、46A 因为不可能所有回 路均为满载，所以再乘以满载系数0.8,则有1.446X 0.8=1.1568A因此该系统的电源选择2A的电 源。四、输入输出安全栅选型本系统输入量有变送器的电压信号输入和热电阻的三线制信号，而且原油要求防爆，综合考虑, 本系统选择虹润厂家的HR-WP-QEX系列的齐纳式安全栅。五、中继器选型因为本系统对中继器没有特别要求，故一般中继器静态电压中继器就行。本系统的模块选型见表5-3。表5-1模块选型模块选型序号模块类型型号订货号数量1模拟量输入模块SM3316ES7331-1KF00-0AB012模拟量输出模块SM3326ES7332-5HD01-0AB013数字量输出

23、模块SM3226ES7322-1BF01-0AA014数字量输入模块SM3216ES7321-1FF10-0AA015CPU312C6ES7312-5BD00-0AB016电源模块PS3056ES7305-1BA80-0AA017输入安全栅HR-WP6133-31-QEX38输出安全栅HR-WP6135-31-QEX29输入安全栅（电阻）HR-WP6131-21-QEX310继电器JZY2第6章自控设计6.1确定控制方案根据工艺控制要求，如动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁、操作方式（手动、自动、连 续、顺序等）等对工艺的每一个环节仔细与工艺人员沟通。本次设计的控制方案为串级控制系统。6.2

24、设计单回路控制图单回路图内容包括：仪表所在区域、仪表型号、仪表工艺位号、仪表端子号、仪表辅助设备、 连接电缆号、端子号等，具体标准请参照自控专业工程设计用图像符号和文字代号。同时应注明仪表的供电电压、功率、电源开关位号、保险丝规格等参数。本次的设计单回路控制图见附图1。6.3确定PLC控制器类型根据系统I/O规模、控制周期、存储器容量选择PLC的控制器（CPU。1、首先确定I/O规模、控制功能、通讯能力确定使用S7-200或300系统2、在根据CPU勺扩展能力、存储容量选择适当的控制器（CPU。 本次设计选用PLC的类型见附图9。6.4设计机柜布线图一个好的布线图设计能直接在设计阶段杜绝一些调

25、试阶段才能发现的问题，并使布线最简化。 因此要求设计者在设计初使必须掌握所使用DCS/PLC及各种仪表的接口特性。如端口的输入/输出 阻抗，电源/输入/输出端的隔离情况，通道之间是否隔离等。本次设计的布线图见附图2、4、5、6。6.5电源分配1、统计本盘柜内电源开关数量，设计本盘柜内电源系统图。注意不要遗忘本盘柜内的照明设 备、温控设备、维修插座等，另外还要至少保留10%余量。2、将电源系统的分路开关或保险连接到各控制回路。3、根据各控制回路电源容量为电源系统图各分路开关、或保险计算容量参数。一般设备为其 额度电流的120%含有开关电源的设备为其额度电流的200%总开关电流等于电流总和的120

26、% 另外使用断路器或空开时，应标明是直流还是交流开关。应有一台机柜包含系统电源柜功能，除了 为本柜供电以外，还要含有系统总电源开关；UPS回路、操作站、各机柜分开关；现场设备等隔离 开关。如果系统较大应设立独立电源柜。本次设计的电源接线图见附图7、&结论列管式换热器自控设计是第一次综合性专业设计，也是第一次接触自控系统工程实践任务。这 次设计对于即将从事工业过程设计的我们，是一次比较完整、比较综合性的系统训练。通过本次练习，巩固和深化我们所学的理论知识，增强了我们的独立分析和解决工程实际问题 的能力，让我们对自己学的知识有了一个工程上的概念，知道了工程设计与应用的步骤及考虑问题 的方向。同时，

27、综合设计也培养学生综合应用所学的控制理论、自动化仪表、控制工程等知识进行 工程设计的能力，提高视图、制图和使用相关工程技术资料的能力。通过近三周的努力，设计已经接近尾声。在这期间，我也明白了做一个工程的严肃性和重要性， 要以严谨的态度去对待，争取作到最好。在我遇到难题时，同学和老师都能积极和善的帮助我，使 我感受到了集体的温暖和团体协作的重要。最后，我要感谢吕春兰老师，在设计的过程中给我们进行了悉心的指导并提供了大量相关资料， 这些帮助对设计的完成都起着重要的作用。参考文献1 孙洪程，翁唯勤过程控制工程设计.北京：北京化学工业出版社，20012 史美中，王中铮.热交换器原理与设计.南京：东南大

28、学出版社，2009.63 李景仲，王梅.AutoCAD 2008中文版使用教程北京：国防工业出版社，2009.34 刘错，周海深入浅出四门子 S7-300PLC北京：北京航空航天大学出版社，2004附录附录1工艺流程控制图附图1工艺流程控制图附录2模拟量及开关量PLC模块接线图列管式换热器自.E3-2本007.AThis document is a property of SENLANCO. It may not be reproduced and provided to any third party without pemission of SENLANCO.It is invalid with 1/c：?： Pllllllllllllllllllll-I 一去-I - 去I 去 源 电 .1 -l-J B 113 LL2 K13_IX1-W-111XITlxn0代 PJC Lc91 ,* 1:1J11l-J HE11?竹1Xft pnlI.7n.1-r?nt IXIm设总APF2、.2列管式