列管式换热器自控设计 论文

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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
2)输入信号:4~20mA
3)输出信号:4~20mA.DC
4)供电电源:220V±10%50/HZ
5)基本误差:±1.0%
6)断信号阀位置:可任意设置为保持/全开/全关/0~100%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~+60℃(4℃以下使用时,需要装加热电阻)
2、阀体
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(2009.12.21~2010.01.06),具体安排如下表:
1)公称通径:合流阀,25~200mm,分流阀,25~200mm
2)公称压力:PN1.6,4.0,6.4Mpa
3)材料:铸铁(ZG25),铸不锈钢(ZG1Cr18Ni9,ZG0Cr18Ni12M02Ti)
4)上阀盖:常温型:-40~+250℃
5)热片型:+250~+450℃
6)填料:V型饱和蒸汽填料
5.2 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Байду номын сангаас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。
TIC122
AI
4-20mA
8
加热原油出口温度就地显示
TI123
4-20mA
DI/DO
1
PUMP故障检测
DI
1-5V
2
PUMP启动状态检测
DI
1-5V
3
PUMP启动控制
DO
1-5V
4
PUMP停止状态检测
DI
1-5V
5
PUMP停止状态控制
DO
1-5V
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。
3
FIC112
饱和蒸汽差压变送器
HR-1151DP4E12BFM3B2I
4
TI122
铠装热电阻
HR-WZPK2234
5
TI121
铠装热电阻
HR-WZPK2235
6
TI123
铠装热电阻
HR-WZPK2236
5.3 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%):
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、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。
信号类型
备注
AI/AO
1
泵后原油压力检测
PIC101
AI
4-20mA
2
泵后原油压力调节阀
PV101
AO
4-20mA
3
泵后原油流量就地指示
PI111
4-20mA
4
泵后原油温度就地指示
TI121
4-20mA
5
饱和蒸汽流量检测
FIC112
AI
4-20mA
6
饱和蒸汽流量调节阀
FV112
AO
4-20mA
7
加热原油出口温度检测
2010.01.04~200.01.06
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):
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。
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,当使用在高压、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、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。
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-1151DP4E12BFM3B2I。
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
1
PIC101
原油泵后压力变送器
HR-K2I1R1F2B5D3
2
FI111
原油泵后涡街流量计
HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E1
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。
4.2 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
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AutoCAD等绘图工具制图;
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。
3.3 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
工艺上要求加热后的原油温度T=150℃±2℃;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。换热器设计尺寸如下图2-2所示。
图2-2 列管式换热器设计尺寸图
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—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。
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5-1I/O点表
I/O点表
序号
名称
位号
I/O点类型
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:
图 2-1 列管式换热器的工艺流程图
本单元设计采用列管式换热器。来自外界的10℃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150℃。冷物流流量由压力控制器PIC101控制,正常流量7kgf/cm2。来自另一设备的250℃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。
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。进行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。
2009.12.21~2009.12.31
第二阶段
完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。
系统的AI点为3个,3×1.2 =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;AO点数为2个,2×1.2 = 2.4,取整为3点,西门子S7-300 AO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。
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=360m3/h,QC=280m3/h,P=40kgf/cm2,T=250℃。原油的参数为:Qmax=50m3/h,Q=39m3/h,P=7kgf/cm2, T=10℃, ρ=0.9g/cm3。
2.1 工艺介质
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——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。
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。
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
Jilin Institute of Chemical Technology
专业综合设计任务书
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