粒碱生产装置中熔盐炉控制系统的设计

粒碱生产装置中熔盐炉控制系统的设计 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 目录 1设计任务及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ..................................................................................................................... 1 2粒碱生产流程介绍 ................................................................................................................. 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 3.2控制器 3.3温度传感器及变送器 .................................................................................................... 4 3.3.1温度传感器.......................................................................................................... 4 3.3.2变送器 ................................................................................................................. 5 3.4执行器 ........................................................................................................................... 6 3.4.1电/气转换器 ........................................................................................................ 6 3.4.2气动调节阀.......................................................................................................... 7 3.5调节规律选择 ............................................................................................................... 7 3.6调节器参数整定 ........................................................................................................... 8 4调节过程分析 ......................................................................................................................... 9 结束语 ..................................................................................................................................... 10 参考文献 ................................................................................................................................. 11 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 摘要 本次课程设计的任务是设计粒碱生产装置中熔盐炉温度控制系统。我们采用简单控制系统来达到目标。炉内的温度变化被温度传感器所检测到，成为控制器的输入信号，通过控制器对阀门开度的控制，从而控制重油的流量，如此循环，使炉内温度恒定在一定的范围之内，进而达到控制炉内温度的目的。 关键字:熔盐炉 温度控制 简单控制系统 恒定 1 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 粒碱生产装置中熔盐炉控制系统的设计 1设计任务及分析 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。 2?。 设计控制系统使炉温维持在450? 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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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 1 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 2粒碱生产流程介绍 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420?，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，该装置中独立设计了一个熔盐炉，其特点是依据特殊情况，即充分利用电解工序生产出的大量氢气，但氢气的燃烧值太高，火焰温度在2400?以上，装置不需要如此高的温度，且熔盐炉不耐如此高温，因此，采取氢气、重油混合燃烧的办法以保证炉温为1400,1600? 由于本设计只对温度进行控制，为一个简单控制系统。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简单控制系统典型框图 2 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 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 图3-1为粒碱生产装置中熔盐炉控制系统工艺流程图，在这个系统中，加热炉是被控对象，被加热的碱液出口温度是被控参数，重油的流量是控制变量。当控制变量——重油流量增加时，被控参数碱液(出口温度)升高;随着碱液温度的升高，温度传感器输出信号增大。从安全角度出发， 为避免系统发生故障时，燃料调节阀(失控)开启烧坏加热炉，应选择气开式调节阀。为了确保由被控对象，执行器及调节器组成的系统是负反馈，调节器就应该选择为“反作用”方式。这样才能在炉温升高，被控参数出现偏差时，测量变送器输出信号增大，调节器TC输出减小，燃料调节阀关小，使炉温下降。 图3-1粒碱生产装置中熔盐炉控制系统工艺流程图 3.2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DC420 ,控制室联络信号为DC15V，信号电流mA ,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。 3 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 图3-2 DDZ-III型调节器结构框图 DDZ-III型PID调节器框图如图3-2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420直流电流输出。 mA 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。 3.3温度传感器及变送器 温度检测元件和变送器的类型选择与被控温度的范围和精度等级有关。 3.3.1温度传感器 本设计温度检测元件使用pt100。pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而 ,,改变。PT后的100即表示它在0?时阻值为100，在100?时它的阻值约为138.5。 4 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 常见pt100的感温元件有陶瓷元件，玻璃元件，云母元件，它们是由铂丝分别绕在陶瓷骨架，玻璃骨架，云母骨架上再经过复杂的工艺加工而成。 3.3.2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420、010的输出信号。一体化温度变送器可直接安装在热电偶、mAmA 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 420 DC 输出。传输距离远，抗干扰能力强。 mA 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 技术指标 别 SK-SBW 模块式温变 SK-SBW 一体化温变 准 确 度 0.2%F.S 0.5%F.S 5 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 输 入 热电偶: B 、 S 、 T 、 K 、 J 热电阻: Pt100 、 Pt10 、 Cu100 、 Cu50 输出二线制 4-20 DC 或者三线制 4-20 DC mAmA 使用温度 -25-85? (一体化LCD表头时0-60? ) 温度影响 ?0.05%/? 湿度 5-95%RH 现场显示 无 3 1/2LED 3 1/2LCD 0-100% 等分刻度 显示精度 无 数字式: 0.5 级 指针式: 2.0 级 负载能力 < 600 (额定负载 250 ) ,, 外形尺寸 44×18 70 ×100(中继器) 一体化温度变送器一般由测温探头(热电偶或热电阻传感器)和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。 一体化温度变送器的输出为统一的4,20信号;可与微机系统或其它常规仪表匹配mA 使用。也可按用户要求做成防爆型或防火型测量仪表。图3-3为温度变送器原理框图。 图3-3温度变送器原理框图 3.4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。 3.4.1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 6 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 爆现场的优点，还不能呗电动调节阀所取代。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20100的标准气kPa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3-4为电/气转换器工作原理图。 图3-4电/气转换器工作原理图 3.4.2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。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。 3.5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 7 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 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。 3.6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。理论计算法要求知道被控过程的数学模型，由于难以获得被控过程精确的数学模型，因而理论计算法在工程上较少采用。工程整定法不需要对象特性的数学模型，可直接在现场进行参数整定，方法简单、操作方便、容易掌握，在工程实际中得到广泛应用。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，，根据广义对象特性选择一个较大的比力度P值，并在工况稳T,,T,0id 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(临界比例度)和系统等幅震荡的周期。 PTmm(3)根据记录的和，按表3-1给出的经验公式计算调节器的整定参数P、和，PTTTmmid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。 表3-1:稳定边界法整定参数计算表 整 定 参 调 P(%) 数 节 T T规 id律 — — 2P P m — 2.2P 0.85 TPI mm 1.7P 0.50 0.125 TTPID mmm 8 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 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，是熔盐炉内的温度保持在450??2?，当外部干扰系统时，重油流入量发生变化，导致熔盐炉内的温度发生变化，被温度传感器检测到，将其转换为电流信号后送入调节器。调节器根据PID调节规律对其进行调节，输出电压信号控制阀门的开度，从而改变重油的流入量，进而改变炉内温度，使其恢复到设定温度，完成对温度的调节。 9 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 结束语 课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。 在设计中收获知识、收获阅历、收获成熟，在此过程中，通过查找大量资料，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，则会更加珍惜我所拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐～享受过程，而不是结果～认真对待每一件事，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的～ 10 武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书 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. [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 11