熔盐炉温度控制系统的设计

课程设计
题目熔盐炉温度控制系统的设计学院自动化学院
专业自动化专业
班级
姓名
指导教师邓燕妮
2015 年 1 月10 日
课程设计任务书
学生姓名：专业班级：
指导教师：邓燕妮工作单位：自动化学院
题目: 熔盐炉温控制系统的设计
初始条件粒碱生产的工艺流程图如下
成品液碱(质量分数为50 %) 通过两段降膜蒸发浓缩为质量分数为99 %的熔融碱,再进一步通过负压闪蒸达到99. 5 %以上,送造粒塔造粒,形成直径小于1 mm 的颗粒碱,进行冷却、入仓库保管。

产品质量的关键是熔盐炉温度控制。

炉温是通过重油燃烧控制的。

设计控制系统使炉温维持在680±2℃。

要求完成的主要任务：
1、了解粒碱生产工艺
2、绘制熔盐炉温度控制系统方案图
3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数
4、撰写系统调节原理及调节过程说明书
时间安排
1月2日选题、理解课题任务、要求
1月3日方案设计
1月4-9日参数计算撰写说明书
1月10日答辩
指导教师签名： 2014 年 12 月 30 日
系主任（或责任教师）签名： 2015年 1 月 20 日
目录
摘要 (1)
1粒碱生产工艺介绍 (2)
2控制系统 (2)
2.1简单控制系统 (2)
2.2比值控制系统 (2)
3熔盐炉温度控制系统设计 (3)
3.1熔盐炉温度控制系统工作原理 (3)
3.2各环节的正反作用选择 (5)
3.3控制器 (5)
3.4传感器及变送器 (6)
3.4.1温度传感器 (6)
3.4.2 孔板流量计 (7)
3.4.3温度变送器 (7)
3.4.4差压变送器 (8)
3.5执行器 (9)
3.5.1电/气转换器 (9)
3.5.2气动调节阀 (9)
3.6调节规律选择 (10)
3.7调节器参数整定 (10)
4调节过程分析 (11)
心得体会 (12)
参考文献 (13)
摘要
由于熔融盐类热载体不爆炸、不燃烧、耐热稳定性好，其泄漏蒸汽无毒，传热系数是其他有机载体的2倍等优势，所以在需要低压高温的工业生产中经常被用到。

而熔融盐的温度需要很好地控制才能保证生产流程的顺利进行，所以熔盐炉温控制系统是粒碱生产工艺中至关重要的一环。

本文综合了简单控制和开环比值控制，构建了一个温度控制系统。

简单控制主要是通过调节重油的流量用来控制加热炉出口的熔盐温度，而增加比值控制是为了让燃料重油充分燃烧，既节省原料又减少烟尘对大气的污染。

关键字：熔盐炉、温度控制、比值控制、简单控制系统
1
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1粒碱生产工艺介绍
粒碱生产装置是把原有的离子膜法生产的成品液碱（质量分数为50%）通过常用的两段降膜蒸发浓缩为质量分数为99%的熔融碱，再进一步通过负压闪蒸打到99.5%以上，送造粒塔造粒，形成直径小于1mm 的颗粒碱，进行冷却、自动包装、码垛、打包、入仓库保管。

此装置突出的特点是用熔融盐作为热载体，对液碱进行蒸发浓缩。

热载体温度要控制在680℃，传统热源不能提供如此高的温度，而在360℃以下，熔盐又会凝固，堵塞管路；温度过高，熔盐汽化，体积膨胀，管路破裂，造成重大危害。

因此，对熔融盐的控制系统要求十分严格。

2控制系统
2.1简单控制系统
所谓简单控制系统，是指由一个测量元件及变送器、一个控制（调节器）器、一个调节阀和一个被控过程（调节对象）组成，并只对一个被控参数进行控制的单闭环反馈控制系统。

图2-1为简单控制系统的典型框图。

图2-1 简单控制系统框图
2.2比值控制系统
实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，
称为比值控制系统。

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在需要保持比值关系的两种物料中必有一种物料处于主导地位，称为主物料，气流量称为主流量，用1Q 表示；而另一种物料按主物料进行配比，在控制过程中随主物料而变化，因此称为从物料，其流量称为副流量，用2Q 表示。

比值控制系统就是要实现副流量随主流量成一定比值关系，满足如下关系式：
12
Q Q K
比值控制系统有多种，如开环比值控制、单闭环比值控制、双闭环比值控制、变比值控制系统。

需根据控制精度及工艺要求选择合适的控制系统，本文用到的是开环比值控制，其系统构成如图2-2。

图2-2 开环比值控制系统构成 3熔盐炉温度控制系统设计
3.1熔盐炉温度控制系统工作原理
由粒碱生产工艺知，熔盐加热系统是对熔盐在高温加热后作为热载体在熔盐炉与用热设备之间进行加热循环的热传递体系。

所以在对熔盐炉进行温度控制的这个系统中，熔盐炉是被控对象，被加热的熔融盐出口温度是被控参数，重油的流量是控制变量，而风的流量是随重油流量变化的副流量。

图3-1为粒碱生产装置中熔盐炉温度控制系统工艺图。

1Q
2Q
图3-1 熔盐炉温度控制系统工艺图
影响熔盐出口温度的的干扰有熔盐入口温度，熔盐流量，风的流量等。

若在干扰的作用下，熔盐的出口温度降低，温度检测变送器会立马检测到，然后把测量值反馈给控制器，与设定值比较后，做出相应的控制信号，去控制调节阀的开度，从而改变重油的流量，使出口温度尽快恢复到设定值。

同时，重油流量改变后，经比值控制系统，风的流量也做出相应调节，保证重油充分燃烧。

熔盐炉温度控制系统框图如图3-2所示。

图3-2 熔盐炉温度控制系统框图
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3.2各环节的正反作用选择
从安全角度出发，重油流量调节阀在没有控制信号时，应该是全关的，所以调节阀1应选气开型，即正作用；对于被控对象熔盐炉而言，在重油流量增大后，熔盐出口温度会增加，所以是正作用；根据构成负反馈的条件，就是反馈环中需要奇数个反作用，所以调节器1应该是反作用。

同理，风流量调节阀应选气关型，即反作用；比值调节器则是正作用。

3.3控制器
DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度，仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂，炼油厂的防爆要求。

它采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4-20mA,控制室联络信号为DC1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250 。

这种信号制的主要优点是电器零点不是从零开始，而是从4mA开始，容易识别断电、电线等故障。

它采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高，维修工作量减少。

整套仪表壳构成安全火花型防爆系统。

DDZ-III型PID调节器框图如图3-3所示，其主要由输入电路、给定电路、PID 运算电路、自动与手动切换电路、输出电路及指示电路组成。

图中，调节器接收由温度传感器来的测量信号DC，在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号。

然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。

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图3-3 DDZ-III 型调节器结构框图
输入电路的首要任务是实现测量信号与给定信号的相减，得到偏差信号电压。

另外，由于DDZ-III 型仪表电路供电电压时DC+24V ，而电路中的运放在单电源+24V 供电时，输出不可能为负，但偏差是有正有负的，因此偏差信号的零点电压不能为0V ，必须在输入电路中进行电平移动，把偏差电压的电平抬高到以+10V 为起点变化的电压，这样后面的PID 运算电路就能够正常工作了，而输入电路采用差动输入方式，可以消除公共地线上的电压降带来的误差。

DDZ-III 型调节器的运算电路是PD 与PI 两个运算电路串联组成的。

调节器输出电路的首要任务是将PID 电路输出的电压转换为电流，同时还承担电平移动的任务。

3.4传感器及变送器
3.4.1温度传感器
由于本课设中要求温度控制在680℃附近，所以我们选择用热电偶做温度传感元件。

它能将温度信号转换成电动势信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有性能稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点。

不同材质的热电偶，其热电动势与热端温度的关系不同，
用分度号来区别不
同的热电偶。

其中，镍铬、康铜的灵敏度最高，而且680℃在它的测温范围内，而且价位适中，所以我们就选他作为本设计中的温度传感器。

镍铬-康铜分度号E 热电丝材料：正极Ni90%,Crl10% 负极Ni60%,Cu40%
测温范围-200~+900℃
特点：灵敏度高，价廉，可在氧化及还原气氛中使用。

3.4.2 孔板流量计
HYG系列孔板流量计（又称节流装置、差压式流量计）是测量流量的差压发生装置，配合各种差压计或差压变送器可测量管道中各种流体的流量。

孔板流量计节流装置包括环室孔板，喷嘴等。

孔板流量计节流装置与差压变送器配套使用，可测量液体、蒸汽、气体的流量，孔板流量计广泛应用于石油、化工、冶金、电力、轻工等部门。

充满管道的流体，当它们流经管道内的节流装置时，流束将在节流装置的节流件处形成局部收缩，从而使流速增加，静压力低，于是在节流件前后便产生了压力降，即压差，介质流动的流量越大，在节流件前后产生的压差就越大，所以孔板流量计可以通过测量压差来衡量流体流量的大小。

这种测量方法是以能量守衡定律和流动连续性定律为基准的。

3051X高精度差压变送器具备EJA原装表所有功能，还扩展了一些实用功能。

旋转开关可PV值清零，顺时针增大，逆时针减小,可以1μA调整，也可大范围调整。

3.4.3温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。

变送器的任务就是将各种不同的检测信号转换成标准信号输出。

因此，热电偶、热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。

本设计采用WZPB一体化温度变送器。

WZPB一体化温度变送器与工业热电
7
8
偶、热电阻配套使用，一体化温度变送器采用二线制传输方式（两根导线作为电源输入和信号输出的公用传线）。

一体化温度变送器将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的4-20mA 、0-10mA 的输出信号。

一体化温度变送器可直接安装在热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。

WZPB 一体化温度变送器特点：
超小型（模块φ44×18 ）一体化，通用性强，二线制 4-20mA DC 输出。

传输距离远，抗干扰能力强。

冷端、温漂、非线形自动补偿。

测量精度高，长期稳定性好。

温度模块内部采用环氧树脂浇注工艺，适应于各种恶劣和危险场所使用。

一体化设计，结构简单合理，可直接替换普通装配式热电偶、热电阻。

机械保护 IP65。

采用热电偶温变，可免用补偿导线，降低成本。

液晶、数码管、指针等多种指示功能方便现场适时监控。

现场环境温度>70℃时，变送器和现场显示仪表可采用分离（隔离）式安装。

如条件不允许可采用延长保护管长度的方法以达到保护温度变送器的目的。

防爆等级： dIIBT4 、 dIIBT5 。

防护等级： IP54
一体化温度变送器的输出为统一的4～20mA 信号；可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。

也可按用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。

图3-4为温度变送器原理框图。

图3-4温度变送器原理框图
3.4.4差压变送器
3051X 高精度差压变送器主要性能和参数：（1）输出信号：4～20mA.DC,二线制。

（2）供电电压：12V ～45V.DC 。

（3）电源影响：＜0.005%/V 。

（4）负载影响：电源稳定时无负载影响。

（5）启动时间：＜2秒，不需预热。

（6）工作环境：-25℃～+70℃。

相对温度：0～100%。

迁移后的上下限绝对值均不应超过最大量程范围的上限值。

（7）负载特征：RL ≤（u-12）/i ，式中：u---供电电压，i---
回路
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电流。

（8）振动影响：任何方向200Hz 振动±0.5%/g 。

（9）安装位置：膜片未垂直安装时，可能产生小于0.24Kpa 的误差，但可通过调零消除。

（10）防爆类型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6.
3.5执行器
在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。

调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。

执行机构则接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出。

3.5.1电/气转换器
由于本文采用DDZ-III 型调节器，其输出为电流信号，由于气动调节阀能用于易燃易爆现场的优点，还不能被电动调节阀所取代。

为了使气动调节阀能够接受电动调节器的输出信号，必须使用电/气转换器把调节器输出的标准电流信号转换为20-100kPa 的标准气压信号。

因此，电/气转换器的作用就是将电信号转换为气信号。

图3-5为电/气转换器工作原理图。

图3-5电/气转换器工作原理图
3.5.2气动调节阀
气动调节阀由执行机构和调节机构（阀）两部分组装而成。

执行机构：执行机构按调节器输出的控制信号，驱动调节机构动作。

其中薄膜式执行机构最为常用，它可以用作一般控制阀的推动装置，组成气动薄膜调节阀。

调节机构：调节机构实际上就是阀门，
是一个局部阻力可以改变的节流元件。

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阀门主要由阀体、阀座、阀芯、阀杆等部件组成。

阀杆上部与执行机构相连，下部与阀芯相连。

由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，被控介质的流量也就相应地改变，从而达到控制工艺参数的目的。

根据不同的使用要求，阀门的机构形式很多，有直通单座阀、直通双座阀、角阀、三通阀、隔膜阀、蝶阀、球阀等。

本文采用直通单座阀。

直通单座阀阀体内只有一个阀芯，其特点是机构简单，泄漏量小，易于保证关闭，甚至完全切断。

从工艺生产安全考虑，一旦发生故障、信号中断时，应该关闭阀门停止重油的流入量，故我们应选择气开式调节阀，保证工艺设备和操作人员的安全。

3.6调节规律选择
在实际控制系统中，调节器采用的基本调节规律有比例、积分和微分调节规律，简称PID 调节。

通过P 、I 和D 三个环节的不同组合，即可得到常用的各种调节规律。

PID 调节规律作为一种基本控制方式获得广泛的应用，主要是由于它具有原理简单、鲁棒性强、适应性广等优点。

PID 调节器是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的稳定性，又可以消除静差。

对于负荷变化大、容量滞后打、控制品质要求高的控制对象（温度控制）均能适应。

3.7调节器参数整定
简单控制系统的控制品质，与被控过程的特性、干扰信号的形式和大小、控制方案及调节器的参数等因素密切相关。

一旦控制方案确定，工艺条件和设备特性干扰特性等因素就完全确定，不可能随意改变。

这时控制系统的控制品质完全取决于调节器的参数整定。

调节器参数整定方法可以简单归结为理论计算法和工程整定法两大类，通常采用工程整定法。

而常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、响应曲线法和经验法。

根据系统特性，采用稳定边界法进行参数整定：
（1）首先取i T =∞，0d T =，
根据广义对象特性选择一个较大的比力度P 值，
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并在工况稳定的情况下，将控制系统投入自动状态。

（2）等系统运行平稳后，对设定值施加一个阶跃扰动，并减小P ，直到系统出现等幅震荡——临界震荡过程。

记录下此时的m P （临界比例度）和系统等幅震荡的周期m T 。

（3）根据记录的m P 和m T ，按表3-1给出的经验公式计算调节器的整定参数
P 、i T 和d T ，并按计算结果设置调节器参数，再做设定值扰动试验，观察过渡过程曲线。

若过渡过程不满足控制质量要求，再对计算值做适当的调整，直到得到满意的结果为止。

4调节过程分析
假设在工况稳定的情况下，重油的流入量一定，熔盐炉内的温度保持在680℃±2℃。

当外部干扰系统时，导致熔盐炉内温度发生变化，出口处熔融盐的温度变化，很快被温度传感器检测到，将其转换为电流信号送入调节器1，调节器按照事先的PID 调节规律对其进行调节，输出的电压信号去控制阀门的开度，从而改变重油的流量，相应的风的流量也发生变化，使炉内温度恢复到设定值。

心得体会
本次课设我做的实际上就是个温度控制系统，只不过把它嵌入一个具体的工艺环境当中。

在学习过程控制的理论课程时我还是很认真的，所以在这次做课设时，还算是比较顺利。

首先在设计一个控制系统时，要合理选择被控对象，被控参数，控制变量，不仅需满足基本的控制要求，还应在此基础之上，力求较好的控制质量与精度。

比如，应通过合理选择控制变量，使控制通道的放大系数大、时间常数小、纯滞后时间越小越好。

其次，要选择检测环节、执行器及调节器的正反作用，然后根据测量精度要求等选择各元件、仪表。

接着，需建模，选择合适的控制规律。

最后，参数整定，得到预期的控制效果。

这样从头到尾完整地做一遍之后，加深了我对这些知识的理解。

通过这次课设，我不仅再次巩固复习了过程控制的相关理论知识，而且尽力把所学到的运用到这里，结合理论与实际，让我感受到了学以致用的快感，此外，我也充分意识到无论做简单的件事儿还是复杂的事儿，都需要一步一步，坚持不懈，直到最后各个细节都做好。

这样就可以享受整个过程带来的乐趣，而且可以证实自己的能力。

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参考文献
[1] 王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表.机械工业出版社.2006年
[2] 施仁，刘文江等.自动化仪表及过程控制.电子工业出版社.2003年
[3] 林德杰主编.过程控制仪表及控制系统.机械工业出版社.2004年
[4] 张井岗主编.过程控制与自动化仪表.北京大学出版社.2007年
[5] 黄正慧，刘朝英，齐树兴.过程控制系统工程设计.北京科学出版社.1995年
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本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。