减压炉控制系统设计课设

1、东北石油大学课程设计课程PLC控制系统课程设计题目院系专业班级学生姓名学生学号指导教师2015年11月13日1/23东北石油大学课程设计任务书课程自控工程课程设计题目减压塔控制系统设计专业自动化姓名学号主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容:1 .掌握利用Auto-CAD绘制常减压装置减压塔控制工艺流程图。2 .掌握节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算方法，完成减压炉进料指示调节3 .掌握调节阀的选型及口径计算方法，完成减压塔釜液位调节。基本要求：1 .在工程设计中，必须严格贯彻执行一系列国家技术标准和规定。2 .边学习标准和规定，边上机设计。3 .必须按阶段完成任务。4 .设计完成后交

2、出一份包括上述三个部分符合撰写规范的设计报告。主要参考资料:1HG/T2063620639-1998,化工装置自控工程设计规定（上下卷）S.2GB/T2624-1993，流量测量节流装置S.3奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中心站,1991.4董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：大庆石油学院，1999.5王骥程，祝和云.化工过程才5制工程M.北京：化学工业出版社，2003.完成期限2015.11.22015.11.13指导教师专业负责人2015年10月20日2/23第1章绘制控制工艺流程图01.1 工艺生产过程简介01.2 减压炉主要工艺参数及干扰因素21.

3、3 减压炉一般的控制方案3第2章节流装置的计算机辅助设计计算62.1 GB/T2624-93概述62.2 程序框图72.3 计算实例8第3章调节阀口径计算123.1 调节阀的选型和口径计算123.2 调节阀口径计算方框图及相关参数表133.3 计算实例14参考文献16附录183/23第1章减压塔控制系统实例1.1工程背景及说明现代动力工程和热能技术要求高温-高压锅炉产生过热度极高的过热蒸汽。但对某些设备工艺要求，这样的蒸汽也许是过干或过热的。例如：当换热器用于制程操作时，使用过热蒸汽由于低的传热系数而降低效率，使用饱和蒸汽更加适合。另外当高压的干饱和蒸汽减压至低压时，在下游出口会产生过热度。这

4、样都需要将过热的蒸汽降温至所需的接近饱和的温度，这就需要减温器。在很多情况下需要对高压过热的蒸汽同时进行减温和减压。对原油蒸储，国内大型炼油厂一般采用年处理原油250270万吨的常减压装置，它由电脱盐、初储塔、常压塔、减压塔、常压加热炉、减压加热炉、产品精储和自产蒸汽系统组成。该装置不仅要生产出质量合格的汽油、航空煤油、灯用煤油、柴油，还要生产出催化裂化原料、氧化沥青原料和渣油；对于燃料一润滑油型炼油厂，还需要生产润滑油基础油。各炼油厂均使用不同类型原油，当改变原油品种时还要改变生产方案。控制系统的应用软件一部分是通过连续控制功能块来实现，另一部分则用高级语言编程来实现。常减压装置是用来加工原

5、油的第一个装置，是根据原油的沸点不同，用蒸储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。常减压装置一般包括三个部分，即初储部分、常压部分和减压部分。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“储份”。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储，从塔顶分储出沸点较低的产品，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。常压蒸储后剩下的重油组份分子量较大，在高温下易分解（500

6、76;C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（真空蒸储方法）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储，从而使高沸点的组份在相应的温度下依次储出做为润滑油料。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。减压部分由减压塔、汽提塔、减压炉组成。减压炉是炼油厂常减压蒸储装置的重要设备之一，处理量和热负荷杜比较大，也是装置主要的耗能设备，其能耗占常减压蒸储装置总能耗的50%Z上。0/23减压炉0.7MPa蒸汽的压力是通过补充1.1MPa蒸汽或向0.4MPa乏气管网排气来调节。用

7、DCS控制0.7MPa蒸汽压力，是通过计算器功能进行计算和判断，实现蒸汽压力的分程控制。0.7MPa蒸汽压力检测信号送入功能块调节器，调节器输出412mA段去调节1.1MPa蒸汽入管网调节阀，输出1220mA段去调节0.4MPa乏气管网调节阀。这实际是仿照常规仪表的硬分程方案实现分程调节，以保持0.7MPa蒸汽压力稳定。炼油厂通常包括常压蒸储和减压蒸储系统。减压炉是属于减压蒸储系统的加热炉。在石油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉，其形式可以分为箱式、立式和圆筒炉三大类。它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温气焰与烟气作为热源，来加热炉管中流动的油品，使其达到工艺规定的温度，以供给原料油或油品进行

8、分储、裂解和反应等加工过程中所需要的热量，保证生产正常运行。例如：在常减压装置中常压炉就是将原油加热到一定温度，使之汽化从而达到分储的目的。管式加热炉的一般结构如下：蝠射室燃烧器对流室图1-1管式加热炉由图可知，它由烟囱，对流室，辐射室和燃烧器四部分组成。管式加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。使用本加热炉，具加热炉的排烟温度可降低到100左右，实现烟气中

9、含酸水蒸气的部分冷凝，且在回收烟气低温显热的同时，能回收部分含酸水蒸气的汽化潜热，进一步提高加热炉热效率，节约能源。下面是一个减压炉控制系统图。1/231.2CAD流程图苣Lqf-L(w9足口I£=2*£_l->5日受hstia晶y=b丁，(7c-ILhrIIIr-t.相本解品潴翳本«有期东«1滨212I/I-詈Frig医总至隹»t.值clRrHFSgos?N雪I-含曰笆福一，箕+nn±aCKio-性一TDm门口q以偎K族同-tr占d#5n¥爵5思增斶RJ-赛&'国UL、N"一哥«9

10、一-25ffil0-0=L0加I.tQEm赢UM坦兄Hi一1L3EI营日黄三己-3中一猛耳日一二3*5011雷希ffi!式meA宣Eorsl%IrlF号anL/cf营至£T二E，雷hlsUJn*r-g*Ie沦口40nd,B凸明ngi8ffl图1-2工艺流程图2/231.2.1 炉管表面热强度单位时间内单位炉管表面积所传递的热量称为炉管表面热强度，单位为kJ/m2h或W/m20炉管表面热强度越大，完成相同热任务所需的传热面积越小，使用的炉管就越少，炉子体积可减小，投资可以降低。应注意的是炉管表面热强度一般指平均值。1.2.2 炉膛温度（又称火墙温度）炉膛温度指烟气离开辐射室进入对流室时

11、的温度，它表征炉膛内烟气温度的高低，是炉子操作中重要的控制指标。1.2.3 热负荷每台加热炉单位时间内向管内介质传递的总热量，单位为W或kJ/ho炉子的热负荷越大，其生产能力越大。计算公式为：QWFeIv（1e）lLIiQ01.2.4 炉膛热强度燃料燃烧的总发热量除以炉膛体积，称之为炉膛热强度（又称体积热强度），它表示单位体积的炉膛在单位时间里燃料燃烧所放出的热量，单位为kJ/m3h或W/m3。炉膛热强度越大，完成相同的热任务所需的炉子越紧凑。1.2.5 管内流速及压力降液体在管内的流速越低，则边界层越厚，是传热系数越小，管壁温度越高，介质在炉内停留的时间越长。其结果，介质易结焦，炉管易损坏。

12、但流速过高有增加管内压力降，增加了管路系统的动力消耗。1.3减压炉一般的控制方案1.3.1 加热炉的单回路控制加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于常压塔等后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基础上，加入燃料量控制回路，就可以构成加热炉的审级控制系统。这种控制方案也比较简单，效果比简单控制的效果要好一些，但因为没有考虑原油进料量的波动，所以出口温度仍不容易稳定，另外

13、没有考虑空气量与燃料量之间的配比控制，燃烧也不能达到较为理想的状态，这也是出口总管温度不容易稳定的一个原因。3/23审级控制系统也可以引入炉膛温度的控制回路来构成：出口温度控制器的输出作为炉膛温度的设定值，炉膛温度控制器的输出作为燃料量的给定值，燃料量控制器再去控制调节阀。这种审级控制利用炉膛温度的重要信息，有利于克服某些装置燃料压力的波动，但反过来对炉膛温度测量的准确性要求较高。在审级控制的基础上，再引入原油进料前馈，可以构成静态前馈控制或动态前馈控制。采用原油进料前馈控制后，在原油进料流量有变化时，控制系统能很快使燃料流量发生相应的变化，从而得到补偿，使进料流量波动对出口温度的影响较小。国

14、内大多数的炼油厂目前均采用以上几种方法进行出口总管温度控制，其中简单的审级控制应用较多，控制多采用经典的PID控制器。实际上，由于系统的大时延、非线性以及时变特性，PID控制很难取得理想的控制效果，采用先进控制如目前在工业过程中应用最广泛的预测控制成为改善控制品质的必要手段。1.3.2 加热炉的前馈-反馈控制在加热炉的自动控制系统中，有时遇到生产负荷即进料流量，温度变化频繁，干扰幅度有较大时，此时采用审级控制难以满足生产要求，而采用前馈-反馈控制系统，往往是行之有效的。前馈控制部分克服进料流量（或温度）的干扰作用，而反馈控制克服其余干扰作用。1.3.3 加热炉出口温度控制减压炉进料一般分为几个

15、支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。1.3.4 加热炉燃烧控制加热炉燃烧控制的任务是提高加热炉的热效率，以达到节能增效的目的。由于加热炉是常压蒸储装置中耗能最大的环节，能耗占整个装置的70犯上，因此加热炉热效率的提高对于整个常压蒸储装置的节能具有决定

16、性的意义。常规的控制系统中，加热炉出口温度、炉膛负压、烟气氧含量等变量是独立的、互不关联的，而实际上各变量之间相互影响。一般可以采用前馈加反馈的控制方法。如：反馈调节对象选择加热炉的热效率或烟气氧含量，执行手段采用调节控制量；前馈系统采用单参数或多参数前馈，如选干扰源为燃料流量或燃料压力等。在燃烧控制的基础上可进一步实施燃烧优化，即采用高级优化策略通过烟气氧含量或热效率反馈寻求最佳的过剩空气系数。一般情况下，采用燃烧优化控制后能显著的提高加热炉的热效率。加热炉燃烧系统自动控制的基本任务是使燃料燃烧所产生的热量，满足原油蒸储的4/23需要，同时还要保证经济燃烧和加热炉的安全运行，主要有下列控制任

17、务：1、保持加热炉出口总管温度在365土0C范围内；2、保证四路支管温差在5°C以内，流量差在3吨以内；3、控制炉膛压力在规定的范围内；4、控制烟道氧含量在设定值附近波动。其中前两个控制任务是为了保证产品的质量合格；后两个控制任务是为了保证加热炉安全、平稳、高效运行，当加热炉运行平稳后，也有利于实现前两个控制任务。1.3.5 加热炉烟道氧含量控制烟气氧含量是标志燃烧状况的重要参数。炉膛温度、燃料量（主要是燃料油量和燃料气量），甚至燃料油与燃料气的比例等对烟气氧含量有直接的影响。根据燃料量的变化对进风量作补偿，能够快速响应系统因负荷突然变化而引起的燃料变化，不会出现燃料因负荷突变而变化

18、燃烧状况却因进风量反应过慢而恶化的现象。加热炉运行过程中，操作工每隔一小时会观察炉子燃烧状况，如果发现有那一路火嘴燃烧不好，就会到炉底不断地调节燃油和进风量的手动调节阀，这样就会引起氧含量与鼓风机风门挡板开度之间模型的变动，并且加热炉的燃料、燃烧状况也是在不断的变化，如果只采用固定的模型，那么在某段时间控制效果比较理想，但一旦工况变动较大时，控制效果就不会令人满意。广义预测控制虽然对模型失配具有较好的鲁棒性，但在工作点大幅度漂移时，引入自校正控制是最好的选择。自校正广义预测控制控制，它通过在线辨识系统模型，得到新的模型参数后，重新设计控制器参数，再使用新的模型参数和控制器参数对变化了的对象实施

19、控制，是较好的控制方案。5/23第2章标准节流装置设计及计算程序设计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a；C值的计算中的B降阶计算由原流量系数%计算中的最高阶仍降至流出系数C计算中的最

20、高阶f次幕。 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。6/232.2 程序框图产ar3M4人D=门加1+/“-20）3世土.-»&工/£父）当行1工时C（用公式18）£f用公式IGA,AjRCC4«-l

21、G，*a*X.=X,._U-,.,nT£当r=3忖1图2-1标准节流装置程序框图注：流量标尺为：1;1.25;1.6;2;2.5;3.2;4;5;6.3;8;X10nn为正负整数或零7/232.3计算实例标准节流装置设计计算任务书序号项目符号单位数值1已知条件：2被测介质名称常底油3被测介质温度tC3534被测介质压力PPa5管内径（20c下实测）D20m0.1006节流件形式孔板7取压方式角接8管道材料热膨胀系数入Dmm/mm.C0.9节流件材料热膨胀系数用mm/mm.C0.10最大质量流量（或体积流量）Qvm3/h87.511工作状态下密度P1Kg/m367712工作状态下粘度g

22、1CP1.13913管道材料：20#钢，新轧制无缝钢管1 .辅助计算计算流量标尺因被测介质为液体，应求出质量流量。所以qmqv尸87.5677=59237.5Kg/h根据流量标尺取标准流量为63000Kg/h,即为17.5000Kg/s。计算差压上限再根据公式qmC1一式窗P1计算P144其中C=0.6,1=1,=0.5,d=D20X,qm代17.5000Kg/s,全部代入得P=135078.47Pa因国产差变的系列值为1.0,1.6,2.5,4.0,6.0X10n,取P=160000.00Pa求工况下管道直径D=D201+D(t-20)8/23=0.100*1+0.00001338*(353

23、-20)=0.100446m求雷诺数4gmReD=D_4*16.4553.141592654*0.100446*0.001139=183127.498360求A2八ReDA2=D2P1二0.001139*183127.4983600.100446*,2*135078.47*677=0.1535482 .计算初值求1设：Co=C=0.6060,0=1Xi=2=0.2533795413Co0二X；1-1Xi20.25=0.4955983337因被测介质为液体，所以11求C1C1=0.5959+0.0312用一0.1840&0.0029声5(106/ReD)0.75故C1=0.5959+0.

24、03120.4955983337)2.10.1840X0.4955983337)8+0.0029乂(0.4955983337)2.5X(106/183127.49836(0)0.75=0.60416535829/23因此产A2X1C11=0.0004648607精确度判断所以EiA2=0.00302746173 .进行迭代计算，设定第二个假定值X2X2Ci1=0.2541489676X21X；0.25=0.49630472082=1C2=0.5959+0.0312广一0.18408+0.0029产100.25X31X；=0.49629704453=10.750.59590.0312；0.184

25、0；0.0029；106/ReD=0.6041852546因此3A2X3C33/23/ReD=0.6041854730因此2=A2X2C22=-0.0000051122所以E20.00003329364.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）X3X22X2X1=0.2541405981C321=0.0000000001所以E30.0000000005由于E3=0.0000000005精确度达到要求。5.此题用计算机编程求解时：工作温度下的管道直径D=0.100446雷诺数ReD=183127.498360不变量a2=0.153548把精确度判断定为5*10-1

26、0计算结果列于下表。计算结果表n123X0.25337954130.25414896760.254140598130.49559833370.49630472080.4962970445C0.60416535820.60418547300.6041852546s0.0004648607-0.00000511220.0000000001E0.00302746170.00003329360.00000000056.计算结果可得：B=3=0.4962970445C=03=0.6041852546求得：d=DB=0.1004460.4962970445=0.04985(m)=49.85(mm)求d20

27、d20=d1d(t-20)=49.562最后得：d20=49.562(mm)11/23第3章调节阀选型及计算3.1 调节阀的选型和口径计算3.1.1 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

28、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。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。3.1.2 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

29、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410。阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C确定。12/233.2 调节阀口径计算方框图及相关参数表阻塞流判别按非阻塞谶条件计算C低雷诺也修正判别电计算式的确7Ql（甲L）、Pl、P小*八p.1Pr>几、口八网邓低雷诺数修正（八）按阻富流条件计算C图3-1调节阀口径计算程序框图13/233.3计算实例调节阀口径计算任务书序号项

30、目已知条件：1调节阀类型2理想流量特性3被测介质名称4被测介质温度5最大质量流量6最大体积流量7正常质量流量8正常体积流量9最小质量流量10最小体积流量11阀前压力12阀后压力13最大压差14最小压差15上游管内径16上游管内径17饱和蒸气压18工作状态下密度19工作状态下运动粘度20工作状态下等燧指数21工作状态下压缩系数22临界压力计算过程：(1)计算Kv符号单位数值tc直通双座直线蒸汽250Wmaxkg/hQmaxm3/h660Wnkg/hQnm3/h450Wminkg/hQminm3/h220PikPa8200P2kPa7200PmaxkPaPminkPaDimm80D2mm80Pvk

31、PaP1g/cm30.0042V1cts0.023111.3Zi1PckPa-0.01Wmax0.012772KvJPP2<4.28.27.2选定口径Kv值圆整、放大13.52查产品目录，附表3,取（=16（Dn32）,选双座阀（Vn）14/23其放大系数为：m161.1813.52查表12-9,知?f足m=1.18时，阀最大开度90%,所以Kv值应再向上取一挡，即25取Kv=25(Dn40),此时M1.8513.52开度验算L1她1”85of2,即开度82%可满足要求LlgRlg30(3)结论选定双座阀，取Dn40为选定口径，因为非阻塞流工况，故不作噪音预估及管件形状修正。因为QMAX

32、3,R30J0Z18.973,可调比满足要求。Qmin15/23第4章课程设计心得16/23参考文献1GB/T2624-1993,流量测量节流装置S2HG/T2063620639-1998,化工装置自控工程设计规定（上下卷）S3董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：大庆石油学院，19994王骥程，祝和云.化工过程控制工程M.北京：化学工业出版社，20035奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中心站，199117/23#include"math.h"main()doubleD20=0.1,zp=135078.47,qm=16.455,t=353,s=677,u=0.001139,h=0.00001338,k=0.0000175;doubleX10