列管式換熱器自控設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上課程設計說明書學 院： 機電工程學院 專 業(yè)： 自動化 班 級： （1）班 題 目： 列管式換熱器的設計 指導教師：施云貴 職稱: 教授 小組成員及任務：組長：李康 （撰寫整理說明書）組員：李和慶 （控制方案的選擇） 劉彪 （CAD工藝流程圖的繪制） 劉凱 （控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的繪制） 劉廷福，劉靜 （調(diào)節(jié)閥的選型） 劉杰，李璐 （儀表的選型）目 錄一、設計的目的、要求及任務_21.1 設計目的_21.2 設計要求_21.3 設計任務_21.3.1 列管式換熱器的簡介_21.3.2 設計的工藝流程_31.3.3 有關(guān)數(shù)據(jù)和已知條件_4二、控制方案的選擇_52.1 主回

2、路設計_52.2 副回路選擇_62.3 主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇_62.4 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定_62.5工藝流程圖_7三、調(diào)節(jié)閥的選擇_73.1 閥的類型選擇_73.2 確定起開與氣關(guān)_8四、儀表類型的選擇_84.1流量變送器的選擇_84.2溫度變送器_94.3安全柵的選擇_10五、總結(jié)_11參考文獻_12一、設計的目的、要求及任務1.1 設計目的本設計是學生第一次進行的綜合性專業(yè)訓練，是自動化專業(yè)的一個重要教學環(huán)節(jié)，其設計目的是進一步鞏固和加深對所學理論知識的理解，培養(yǎng)學生獨立分析和解決工程實際問題的能力，使學生對自控設計有較完整的概念，培養(yǎng)學生綜合運用所學的控制理論、儀表、控制工程等

3、知識進行工程設計的能力，進一步提高設計計算、制圖、視圖、編寫技術(shù)文件，查閱參考文獻與資料、儀表類型選擇的能力。1.2 設計要求在設計內(nèi)容選擇上要結(jié)合具體的生產(chǎn)實際，題目要有一定的實際意義，做到理論聯(lián)系實際。自控設備設計要求采用計算機控制系統(tǒng)（如DCS、PLC、FCS等）。本設計應當在教師指導下，由學生獨立完成下面內(nèi)容：（1）設計說明書：包括設計指導思想和設計依據(jù)，自動化水平和控制方案的確定，設計計算，儀表選型，以及采用新技術(shù)新產(chǎn)品的依據(jù)，安全技術(shù)措施，重要的復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)的說明，設計中存在的問題等等；（2）填寫表格：如自控設備匯總表、調(diào)節(jié)閥計算數(shù)據(jù)表、綜合材料表等。設計要求方案合理、計算數(shù)據(jù)準確

4、、圖面圖形和標注符合國家標準和有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，說明書編寫符合指導書規(guī)定要求。1.3 設計任務1.3.1 列管式換熱器的簡介列管式換熱器又稱為管殼式換熱器，是最典型的間壁式換熱器，歷史悠久，占據(jù)主導作用，主要有殼體、管束、管板、折流擋板和封頭等組成。一種流體在關(guān)內(nèi)流動，其行程稱為管程；另一種流體在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。其主要優(yōu)點是單位體積所具有的傳熱面積大，傳熱效果好，結(jié)構(gòu)堅固，可選用的結(jié)構(gòu)材料范圍寬廣，操作彈性大，因此在高溫、高壓和大型裝置上多采用列管式換熱器。為提高殼程流體流速，往往在殼體內(nèi)安裝一定數(shù)目與管束相互垂直的折流擋板。折流擋板不僅可防止流體短路、增加流體

5、流速，還迫使流體按規(guī)定路徑多次錯流通過管束，使湍流程度大為增加。列管式換熱器是目前化工及酒精生產(chǎn)上應用最廣的一種換熱器。它主要由殼體、管板、換熱管、封頭、折流擋板等組成。所需材質(zhì)，可分別采用普通碳鋼、紫銅、或不銹鋼制作。在進行換熱時，一種流體由封頭的連結(jié)管處進入，在管流動，從封頭另一端的出口管流出，這稱之管程；另-種流體由殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，這稱為殼程。1.3.2 設計的工藝流程將原油儲罐的原油用泵打入列管式換熱器，經(jīng)列管式換熱器將其加熱到T=150±2,進入后的原油進入下一工段加工。載熱體為250的飽和蒸汽。圖1 列管式換熱器工藝流程圖1.3.3 有關(guān)數(shù)據(jù)和已

6、知條件 換熱器出口溫度的調(diào)節(jié)通道動態(tài)特性，可以近似看成一階慣性環(huán)節(jié)的對象。設其放大倍數(shù)KP=0.6 TP=1.2分。 飽和蒸汽：Qmax=360m3/h，QC=280m3/h，P=40kgf/cm2,T=250。 原油：Qmax=50m3/h，Q=39m3/h，P=7kgf/cm2, T=10, =0.9g/cm3 。 加熱后的原油溫度T=150±2。 工藝上要求在儀表盤上記錄原油流量、加熱原油溫度、飽和蒸汽流量。 工藝上要求就地指示原油泵后壓力、溫度、加熱原油出口溫度。 要求控制換熱器原油出口溫度。 設計尺寸：如下圖所示在設計過程中除了上述的已知數(shù)據(jù)和要求，其它問題可以自己設定。二

7、、控制方案的選擇2.1 主回路設計換熱器溫度串級控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自外界干擾的及時控制相結(jié)合，先根據(jù)被控的變化，改變蒸汽量，快速消除來自外界的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原油出口溫度與設定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設定值，進一步調(diào)節(jié)蒸汽量，使原料油出口溫度恒定，達到溫度控制的目的。大部分的溫度檢測采用溫度變送器，如果單純采用溫度控制得系統(tǒng)的控制質(zhì)量將不會得到改善。因此換熱器的控制系統(tǒng)中，采用溫度-壓力的串級控制系統(tǒng)。其中，溫度為主回路，壓力為副回路?？刂葡到y(tǒng)方框圖如圖2所示： TCPC蒸汽調(diào)節(jié)閥出口溫度被控

8、蒸汽流量流量變送器溫度變送器圖2列管式換熱器的溫度串級控制系統(tǒng)方框圖上圖為列管式換熱器的溫度串級控制系統(tǒng)方框圖。由于系統(tǒng)中工藝要求是控制原油加熱出口溫度，溫度控制器為主控制器。壓力控制器為副控制器，溫度控制器的輸出是壓力控制器的給定。串級控制系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)響應速度更快，有更強的控制作用和更好的魯棒特性，能明顯的改善控制品質(zhì)。2.2 副回路選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。蒸汽由于其成分和流量變化，對控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇蒸汽量為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)蒸汽量能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度，提高了主參數(shù)的控制效果。2.3 主、副調(diào)節(jié)器規(guī)

9、律選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在換熱器溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，原料油溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為住調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以我們的負調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。2.4 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定由生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進入

10、加熱爐，確保設備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：蒸汽流量升高，物料出口溫度也升高，主被控過程Ko10。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正，所以負調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K10，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負調(diào)節(jié)器大于0，負調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。2.5工藝流程圖三、調(diào)節(jié)閥的選擇3.1 閥的類型選擇調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，其特性好壞對控制質(zhì)量的影響是很大的。由于其結(jié)構(gòu)較簡單又較粗糙，所以往往不被人們所重視。實踐證明，在過程控制系統(tǒng)設計中，若調(diào)節(jié)閥特性選用不當，閥門動作不靈活，口徑大小不合適，都會嚴重影響控

11、制質(zhì)量。通過調(diào)節(jié)閥的選擇原則，及本系統(tǒng)的要求，選擇ZZWPE溫度自力式電子型調(diào)節(jié)閥。自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥（適用于較大口徑及導熱油控制），該閥最大的特點只需普通220V電源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量，直接對蒸汽、熱氣、熱油與氣體等介質(zhì)的溫度實行自動調(diào)節(jié)和控制，亦可使用在防止對過熱或熱交換場合,該閥結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,選用調(diào)溫范圍廣、響應時間快、密封性能可靠,并可在運行中隨意進行調(diào)節(jié),因而廣泛應用于化工、石油、食品、輕紡等部門。自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥公稱通徑由20至200mm，公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用溫度范圍由-20350，接受信號為010mA.DC或420mA.DC來改變被

12、調(diào)介質(zhì)流量，使被控工藝參數(shù)保持在給定值，其中單座調(diào)節(jié)型適用于壓差較小，介質(zhì)粘度較大或稍有顆粒雜質(zhì)場合。套筒調(diào)節(jié)型適用于壓差較大場合。一自力式電控溫度調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)：1公稱通徑(閥座直徑mm)：10、12、15、25、80、100、125、150等。2公稱壓力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.43固有流量特性：直線、等百分比4信號范圍：0-10V或4-20mA5作用方式：氣開、氣關(guān)3.2 確定氣開與氣關(guān)由前面可以知道，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，原油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應完全關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。調(diào)節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動

13、三類。氣動調(diào)節(jié)閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中；電動調(diào)節(jié)閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作；液動調(diào)節(jié)閥用液壓推動，推力很大，一般生產(chǎn)過程中很少使用。故本設計采用了氣動調(diào)節(jié)閥，且為氣開形式。四、儀表類型的選擇4.1流量變送器的選擇本設計采用常用的羅茨流量計來檢測原油的流量。羅茨流量計又稱腰輪流量計，主要用于對管道中氣體或液體流量進行連續(xù)或間歇測量的高精度計量儀表。它具有精度高、可靠性好、重量輕、壽命長、運行噪聲低、安裝使用方便等特點腰輪流量計可現(xiàn)場指示累積流量、瞬時流量，單次量等，亦可輸出脈沖

14、信號、4-20mA或1-5V模擬信號、485通訊、4-20mA+HART、MODBUS協(xié)議等。羅茨流量計的主要技術(shù)指標：環(huán)境溫度：-30-+60 介質(zhì)溫度：-20-+250相對濕度：5%-95% 大氣壓力：70Pa-106kPa公稱通徑：DN25-DN600，如有特殊要求，可提供更大口徑的流量計。流量范圍：1-10000m3/h公稱壓力：0-4Mpa，如有特殊要求，可提供更大壓力的流量計。重復性：優(yōu)于 0.3%準確度：±1.0%或±1.5%防爆等級：ExiallBT4防護等級：IP654.2溫度變送器根據(jù)本系統(tǒng)技術(shù)要求控制溫度在150±2，因此選用Pt100、熱電

15、偶一體化溫度變送器。Pt100、熱電偶一體化溫度變送器測溫探頭采Pt10鉑電阻,J、K、E、熱電偶，精度高,穩(wěn)定性好、集傳感變送于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便,精度高、功耗低 電流輸出型適合長距離傳送,抗電磁干擾電路設計，保證變送器在受到各種干擾下能夠安全可靠的工作，適于現(xiàn)代電磁污染嚴重的環(huán)境使用，整體密封性能良好，溫度量程和外形尺寸可以按戶要求訂貨,靈活方便、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計合理，過程連接接口靈活方便，體積小，重量輕，安裝位置任意、殼體保護材料多樣化，適應多種介質(zhì)測量。Pt100、熱電偶一體化溫度變送器主要技術(shù)指標：溫度測量范圍：0300  輸出信號：420mA、0-5V

16、0;負載電阻：500 供電電源：24V DC 功耗：1W 基本誤差：0.20.5 FS4.3安全柵的選擇安全柵是安裝在安全場所，接收來自危險區(qū)的信號，輸出安全信號到安全區(qū)或危險區(qū)。常見的安全柵類型為齊納式和隔離式。特點：1 全智能、數(shù)字化、可編程；2 環(huán)境溫度、零點、滿幅自動補償；3 極高的穩(wěn)定性，確保準確度多年不變；4 電源、輸入、輸出、雙回路間高隔離度；5 符合國際電工委員會IEC31000相關(guān)抗電磁干擾標準。HR-WP6012-DI-EXA系列開關(guān)量輸入/輸出檢測端隔離式安全柵功能：將來自危險區(qū)的有源或無源開關(guān)量信號，通過隔離安全柵傳輸?shù)桨踩珗龊?，輸出方式?/p>

17、繼電器或集電極輸出方式，同時可進行正、反作用選擇。五、總結(jié)這次課程設計對我們的能力要求有了進一步的提高，老師沒有像以前那樣，而是完全放開了手，具體怎么做你自己摸索去，只有你碰到困難時去問老師時，他才會給你具體的解答。剛拿到題目時大家都陷入了迷茫中，每個人設計的題目都不同，而且設計對象也是我們沒有接觸過的，這就要求我們花更多的精力去查閱資料，了解更多的知識，對我們提出了更強的獨立性要求。最終一步一步腳踏實地的慢慢的把它做了下來，通過這個復雜的控制系統(tǒng)的設計，我對控制系統(tǒng)又有了更深的理解，尤其是對比值控制系統(tǒng)的認識了解的更多了。在本次的課程設計中 ，最終通過廣泛的查閱資料，相對較好的解決了這個問題，同時，這也給我一個教訓，做事不要死守一點，學會變通，另外，該控制方案在實際的生產(chǎn)中的實際效果有待考驗。 另外，通過這次的課程設計，我對本專業(yè)的相關(guān)知識有了更深的認識，尤其是在實際生產(chǎn)的工程實踐中，如何設計控制系統(tǒng)這一過程有了更清晰的認識。重新溫習過程裝備控制儀表與應用這門課，對其中的部分內(nèi)容有了新的認識，并在實際中得到應用。通過MATLAB這一工具，學會了參數(shù)整定的相關(guān)方法，借助這種先