目 录 第 1 章 绘制控制工艺流程图........................................... 1 1.1 工艺生产过程简介 .............................................. 1 1.2 加热炉的基本控制 .............................................. 1 1.3 加热炉的单回路控制方案 ........................................ 4 第 2 章 节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算....................... 6 2.1 GB/T2624-93 概述 .............................................. 6 2.2 计算实例 ...................................................... 6 第 3 章 调节阀口径计算.............................................. 11 3.1 调节阀的选型 ................................................. 11 3.2 调节阀口径计算 ............................................... 11 3.3 计算实例 ..................................................... 12 第 4 章 结论与体会.................................................. 14 参考文献........................................................... 15 附录............................................................... 16 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 在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三 大类。对于加热炉,工艺介质受热升温或同时进行汽化,其温度的高低会直接影响后一工 序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时,会使物料在加热炉内分解,甚至造成结焦 而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此,加热炉出口温度必须严加 控制。 加热炉是传统设备的一种, 同样具有热量传递过程。 热量通过金属管壁传给工艺介质, 因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备,首先由燃料 的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流,主要通过辐射传热将热量传给管壁,然后由管壁传 给工艺介质,工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的 70%~80%,而在对流段获得的 热量约占热负荷的 20%~30%。因此加热炉的传热过程比较复杂,想从理论上获取对象特性 是很困难的。 加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发,可以看出其 传热过程为:炉膛炽热火焰辐射给炉管,经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传 热对象一样,具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛,它具有较大的热容量,故 滞后更为显著,因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试,并做了一些 简化,可以用一介环节加纯滞后来近似,其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺 介质停留时间有关。炉膛容量大,停留时间长,则时间常数和纯滞后时间大,反之亦然。 1.2 加热炉的基本控制 加热炉进料一般分为几个支路。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。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等 方法能够收取一定的效果。其中差动式方法不仅效果不错,而且实现简单,操作简便,对 于长期运行有一定的优势。另外,针对系统的非线性、强耦合特性,模糊控制等智能控制 方法也能实现较好的控制。 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 1 自控工程课程设计 础上,加入燃料量控制回路,就可以构成加热炉的串级控制系统。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。 串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。这种串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。 在串级控制的基础上, 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,其中简单的串级控制应用较多,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。 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 是蒸馏装置中耗能最大的环节,能耗占整个装置的 70%以上,因此加热炉热效率的提高对 于整个蒸馏装置的节能具有决定性的意义。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。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。 控制任务概述:1.保持加热炉的出口温度在规定的范围内 2. 控制炉膛压力在规定的 范围内 3. 控制烟气含氧量在设定值附近波动 其中:保持出口温度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 的安全、平稳、高效运行,当加热炉运行平稳后,也有利于产品质量的保证。 加热炉炉膛压力是实现加热炉自动控制的一个重要的参数。炉膛压力过高时,炉膛向 外喷火,不仅使大量有效热量散失,增加炉子的燃料消耗,而且也易烧坏炉子的钢结构, 降低炉子的使用寿命,同时还会导致劳动环境的恶化,危及操作人员的安全;炉压过低时, 会吸入大量的冷风,漏风热损失和排烟热损失加大,引风机电耗增加。因此,必须将炉压 控制在规定的范围内,在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上,炉膛压力控制是可以通过控 制引风机变频器开度来实现,炉压的检测采用微差压变送器。烟气含氧量的大小能反映出 加热炉的燃烧情况,含氧量不足时,燃料燃烧不充分,造成大量的化学能损失,并且烟气 中含有大量的 CO,对环境造成了危害;含氧量过大时,过剩空气过多,烟气要带走大量的 热量,造成排烟热损失,并且空气中的 N2 在高温下与 O2 发生化学反映生成 NOX,也对环境 造成污染。因此控制烟气含氧量不仅可以提高加热炉的热效率,更有环保作用。 2 自控工程课程设计 炉膛压力控制方案:炉膛压力主要与进风量和引风量直接相关,同时也受到加热炉燃 烧状况以及燃料油、燃料气比例的影响,不同的燃料下,燃烧后的产物会不同,对炉膛压 力的影响也就不一样,但这些影响因素处于次要地位可以不加考虑,采用单变量控制加上 送风量前馈调引风来进行控制,控制图如图 1-1。 为了避免引风机变频器动作过大,需要对控制量进行如下限制: (1)引风机负荷不可扩大,限制引风机变频器的开度 (2)由于变频器有保护电路,如果一次动作过大,会导致断电保护,因此限制变频器 开度的每次变化量。 图 1-1 炉膛压力控制系统框图 烟气含氧量控制方案:烟气含氧量是标志燃烧状况的重要参数。炉膛温度、燃料量, 甚至燃烧油与燃料气的比例对烟气含氧量有直接的影响,控制图如图 1-2 所示,该控制方 案根据燃料量的变化对进风量做补偿,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燃烧状况却因进风量反应过慢而恶化的现象。与引风 机变频器类似,对于鼓风机的变频器的动作也有如下限制: (1)鼓风机的负荷不可过大,限制鼓风机变频器的开度。 (2)限制变频器开度的每次变化量。 图 1-2 烟气含氧量控制系统框图 3 自控工程课程设计 1.3 加热炉的单回路控制方案 加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度。对于不少加热炉来说,温度控 制指标要求相当严格,例如允许波动范围为±(1~2)℃。影响路出口温度的扰动因素有: 工艺介质进料的流量、温度、组分,燃料方面有燃料油的压力、成分、燃料油的雾化情况, 空气过量情况,喷嘴的阻力,烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的,有的是不可 控的。问了保证炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。图 1-3 为某一燃油加热炉控制系 统示意图,其主要的控制系统是以炉出口温度为控制变量、燃料油流量为操纵变量组成的 单回路控制系统。其他辅助控制系统有: (1)进入加热炉工艺介质的流量控制系统,如图 FC 控制系统。 (2)燃料油总压控制,总压控制一般调回油量,如入 P1C 控制系统。 图 1-3 加热炉控制系统示意图 采用雾化蒸汽压力控制系统后,在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求 的,目前炼厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时,单采用雾化蒸汽压力 控制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来 调节雾化蒸汽,还可以采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。但只能保持近似的 流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的畅通,以免喷嘴堵塞及管道局部 阻力发生变化,引起控制系统的误动作。此外,也可以采用二者流量的比值控制,则能克 服上述缺点,但所用仪表多且重油流量测量困难。 采用单回路控制系统往往很难满足工艺满足,因为加热炉需要将工艺介质从几十度升 温到数百度,其热负荷很大。当燃料油的压力或热值有波动时,就会引起炉出口温度的显 著变化。采用单回路控制时,当加热量改变后,由于传递滞后和测量滞后较大,控制作用 不及时,而使炉口温度波动较大,满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于 对炉出口温度要求不十分严格;其外来扰动缓慢而较小,且不频繁;炉膛容量较小,即滞 后不大。 4 自控工程课程设计 第 2 章 节流装置的计算方法和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: 1.以流出系数 C 代替流量系数 α;C 值的计算中的 β 降阶计算由原流量系数 α 计算中的 最高阶 β20 降至流出系数 C 计算中的最高阶 β8 次幂。 2.提出 5 种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。 3.提出迭代计算方法,给出计算机计算程序框图。 4.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。 5.管道粗糙度不再参加计算,而是在计算结果出来后验证。 2.2 计算实例 表 2-1 标准节流装置设计计算 序号 项 已知条件: 1 2 3 4 5 6 7 被测介质名称 被测介质温度 被测介质压力 管内径(20℃下实测值) 节流件形式 取压方式 管道材料热膨胀系数 λD mm/mm℃ t P D20 ℃ Pa m 高压瓦斯 60 3500000 0.0800 孔板 角接 0.00001116 目 符号 单 位 数 值 1. 辅助计算 (1)计算流量标尺: qm=qv×ρ1=300×1.4/3600=0.116666666Kg/s ,取标准流量为 0.125 Kg/s (2)计算差压上限: 再根据公式 qm = C 1? β 4 ε1 π 4 d 2 2?Pρ1 计算 ?P 其中 C=0.6, ε 1 =1, β =0.5,d= D20 × β , q m 代 0.125 Kg/s,全部代入得 ΔP=135078.47Pa 因国产差变的系列值为 1.0,1.6,2.5,4.0,6.0×10n ,取 ΔP =160000Pa 5 自控工程课程设计 (3)求工况下管道直径: D=D20 [1+λD(t-20)] =0.0800×[1+0.00001338×(60-20)] =0.080042816 m (4)求雷诺数: ReD= 4 gm πD? 4 × 300 × 1.4 3.141592654 × 0.00016 × 3600 × 0.0800 =11605.04793 = (5)求 A2 A 2= ?Re D D 2?Pρ1 0.00016 × 11605.04793 0.080042816 × 2 × 16000 × 1.4 = =0.109657395 2. 计算初值 (1)求 β1 设: C0=C∞=0.6060, ε 0 =1 并令 X1 = A2 =0.180952798 C0ε 0 0.25 又 ? X 12 ? β1 = ? 2 ? ?1 + X 1 ? =0.421972831 (2)求 ε 1 因被测介质为液体,所以 ε 1 = 1 (3)求 C1 2.1 8 2.5 6 0.75 C1 =0.5959+0.0312β1 —0.1840β1 +0.0029β1 (10 /ReD) 故 C1 =0.5959+0.0312×(0.421972831)2.1—0.1840×(0.421972831)8+0.0029× (0.421972831)2.5×(106/11605.04793)0.75=0.610298229,δ 1 = A2 ? X 1C1ε 1 =0.000625927 (4)精确度判断 6 自控工程课程设计 E1 = δ1 A2 =0.005708028 3. 进行迭代计算,设定第二个假定值 X2 X 2= A2 =0.296498972 C1ε 1 0.25 2 ? X2 ? =? β2 2 ? ?1 + X 2 ? =0.533166913 ε 2 =1 6 2.1 8 2.5 C 2 =0.5959+0.0312 β 2 —0.1840 β 2 +0.0029 β 2 (10 / ReD ) 0.75 =0.6041854730 因此 所以 δ 2 = A2 ? X 2 C 2ε 2 =-0.0000041122 E 2 = 0.0000232938 4. 进行迭代计算,设定第三个假定值 X 3 ,利用快速收敛弦截法公式(n=3 起用) X3 = X 2 ?δ2 × ? X 32 ? β3 = ? 2? ?1 + X 3 ? X 2 ? X1 =0.2541405981 δ 2 ? δ1 =0.4962970445 0.25 ε 3 =1 C3 = 0.5959 + 0.0312 β 32.1 ? 0.1840 β 38 + 0.0029 β 32.5 (10 6 / ReD ) 因此 所以 由于 0.75 =0.6041852546 δ 3 = A2 ? X 3 C 3ε 3 =0.0000000001 E3 = 0.0000000005 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=0.080042816 雷诺数 ReD=11605.04793 不变量 A2=0.109657395 matlab 程序如下: 7 自控工程课程设计 clear all; close all; red=11605.4793;error1=1;k=1.4;p1=16000;p2=3500000;e1=1; a1=0.109657395;c1=0.6060; for k=1:1:5000 if error1>=0.0000005 x1=a1/(c1*e1); b1=(x1^2/(1+x1^2))^0.25; e1=1-(0.41+0.35*(1^4))*p1/(k*p2); c1=0.5959+0.0312*(b1^2.1)-0.184*(b1^8)+0.0029*(b1^2.5)*((1000000/red)^0.75); error1=a1-x1*c1*e1; end end d=80*b1; 运行结果 d = 33.7578 b1= 0.4220 把精确度判断定为 5×10 ,程序参照附录 2, 计算结果列于下表 2-2。 表 2-2 计算结果 n X β C δ δ 1 0.2533795413 0.4955983337 0.6041653582 0.0004648607 0.0030274617 2 0.0030274617 0.0030274617 0.0030274617 -0.0000051122 0.0000332936 3 0.2541405981 0.4962970445 0.6041852546 0.0000000001 0.0000000001 -10 6. 计算结果 因此得:β= β 3 =0.4220 C = C3 =0.6041852546 求 d 20 d 20 = d 1 + λd (t — 20) =33.73974249 最后得: d 20 =33.740(mm) 8 自控工程课程设计 第 3 章 调节阀口径计算 3.1 调节阀的选型 调节阀的阀体种类很多,常用的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔膜、小流 量、三通、偏心旋转、蝶形、套筒式、球形等。在具体选择时,可做如下考虑: (1)阀芯形状结构:主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑。 (2)耐磨损性:当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时,阀的内部材料要坚硬。 (3)耐腐蚀性:由于介质具有腐蚀性,尽量选择结构简单阀门。 (4)介质的温度、压力:当介质的温度、压力高且变化大时,应选用阀芯和阀座的材料 受温度、压力变化小的阀门。 (5)防止闪蒸和空化:闪蒸和空化只产生在液体介质。在实际生产过程中,闪蒸和空化 会形成振动和噪声,缩短阀门的使用寿命,选择阀门时应防止阀门产生闪蒸和空化。 对于双作用的气动、液动、电动执行机构,一般都没有复位弹簧。对于单作用的气动 执行机构,输出力与阀门的开度有关,调节阀上的出现的力也将影响运动特性,因此要求 在整个调节阀的开度范围建立力平衡。 对执行机构输出力确定后,根据工艺使用环境要求,选择相应的执行机构。对于现场 有防爆要求时,应选用气动执行机构。从节能方面考虑,应尽量选用电动执行机构。若调 节精度高,可选择液动执行机构。 调节阀的作用方式只是在选用气动执行机构时才有,其作用方式通过执行机构正反作 用和阀门的正反作用组合形成。组合形式有 4 种即正正(气关型)、正反(气开型)、反正(气 开型)、反反(气关型),通过这四种组合形成的调节阀作用方式有气开和气关两种。对于 调节阀作用方式的选择,主要从三方面考虑:工艺生产安全;介质的特性;保证产品质量, 经济损失最小。 3.2 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: (1)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。 (2)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。 (3)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。 (4) 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。 (5)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%。 (6)调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比≮10。 (7)阀座直径和公称直径的确定。