列管式换热器自控设计

列管式换热器自控设计1课程设计说明书学院：机电工程学院专业：自动化班级：（1）班题目：列管式换热器的设计指导教师：施云贵职称:教授小组成员及任务：组长：李康（撰写整理说明书）组员：李和庆（控制方案的选择）刘彪（CAD工艺流程图的绘制）刘凯（控制方案系统结构图的绘制）刘廷福，刘静（调节阀的选型）刘杰，李璐（仪表的选型）列管式换热器自控设计2目录一、设计的目的、要求及任务________________________________________21.1设计目的_______________________________________________21.2设计要求_______________________________________________21.3设计任务_______________________________________________21.3.1列管式换热器的简介______________________________21.3.2设计的工艺流程__________________________________31.3.3有关数据和已知条件_______________________________4二、控制方案的选择________________________________________________52.1主回路设计______________________________________________52.2副回路选择______________________________________________62.3主、副调节器规律选择____________________________________62.4主、副调节器正反作用方式确定____________________________62.5工艺流程图______________________________________________7三、调节阀的选择_________________________________________________73.1阀的类型选择___________________________________________73.2确定起开与气关_________________________________________8四、仪表类型的选择_______________________________________________84.1流量变送器的选择________________________________________84.2温度变送器______________________________________________94.3安全栅的选择____________________________________________10五、总结_________________________________________________________11参考文献_______________________________________________________12列管式换热器自控设计3一、设计的目的、要求及任务1.1设计目的本设计是学生第一次进行的综合性专业训练，是自动化专业的一个重要教学环节，其设计目的是进一步巩固和加深对所学理论知识的理解，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。1.2设计要求在设计内容选择上要结合具体的生产实际，题目要有一定的实际意义，做到理论联系实际。自控设备设计要求采用计算机控制系统（如DCS、PLC、FCS等）。本设计应当在教师指导下，由学生独立完成下面内容：（1）设计说明书：包括设计指导思想和设计依据，自动化水平和控制方案的确定，设计计算，仪表选型，以及采用新技术新产品的依据，安全技术措施，重要的复杂调节系统的说明，设计中存在的问题等等；（2）填写表格：如自控设备汇总表、调节阀计算数据表、综合材料表等。设计要求方案合理、计算数据准确、图面图形和标注符合国家标准和有关技术规范要求，说明书编写符合指导书规定要求。1.3设计任务1.3.1列管式换热器的简介列管式换热器又称为管壳式换热器，是最典型的间壁式换热器，历史悠久，占据主导作用，主要有壳体、管束、管板、折流挡板和封头等组成。一种流体在关内流动，其行程称为管程；另一种流体在管外流动，其行程称为壳程。管束的壁面即为传热面。其主要优点是单位体积所具有的传热面积大，传热效果好，结构坚固，可选用的结构材料范围宽广，操作弹性大，因此在高温、高压和大型装置上多采用列管式换热器。为提高壳程流体流速，往往在壳体内安装一定数目与管束相互垂直的折流挡板。折流挡板不仅可防止流体短路、增加流体流速，还迫使流体按规定列管式换热器自控设计4路径多次错流通过管束，使湍流程度大为增加。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。1.3.2设计的工艺流程将原油储罐的原油用泵打入列管式换热器，经列管式换热器将其加热到T=150℃±2℃,进入后的原油进入下一工段加工。载热体为250℃的饱和蒸汽。图1列管式换热器工艺流程图列管式换热器自控设计51.3.3有关数据和已知条件①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=0.6TP=1.2分。②饱和蒸汽：Qmax=360m3/h，QC=280m3/h，P=40kgf/cm2,T=250℃。③原油：Qmax=50m3/h，Q=39m3/h，P=7kgf/cm2,T=10℃,ρ=0.9g/cm3。④加热后的原油温度T=150℃±2℃。⑤工艺上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。⑥工艺上要求就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度。⑦要求控制换热器原油出口温度。⑧设计尺寸：如下图所示在设计过程中除了上述的已知数据和要求，其它问题可以自己设定。列管式换热器自控设计6二、控制方案的选择2.1主回路设计换热器温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。温度调节器对被控参数精确控制与温度调节器对来自外界干扰的及时控制相结合，先根据被控的变化，改变蒸汽量，快速消除来自外界的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原油出口温度与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节蒸汽量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。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2所示：图2列管式换热器的温度串级控制系统方框图TCPC蒸汽调节阀出口温度被控蒸汽流量流量变送器温度变送器列管式换热器自控设计7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。2.2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。蒸汽由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择蒸汽量为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数蒸汽量能够有效地影响主参数原料油出口温度，提高了主参数的控制效果。2.3主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在换热器温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。2.4主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：蒸汽流量升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方列管式换热器自控设计8式。2.5工艺流程图三、调节阀的选择3.1阀的类型选择调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，选择ZZWPE温度自力式[电子型]调节阀。自力式电控温度调节阀（适用于较大口径及导热油控制），该阀最大的特点只需普通220V电源，利用被调介质自身能量，直接对蒸汽、热气、热油与气体等介质的温度实行自动调节和控制，亦可使用在防止对过热或热交换场合,该阀结构简单,操作方便,选用调温范围广、响应时间快、密封性能可靠,并可在运行中随意进行调节,因而广泛应用于化工、石油、食品、轻纺等部门。自力式电控温度调节阀公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、列管式换热器自控设计96.4MPa，使用温度范围由-20℃~350℃，接受信号为0~10mA.DC或4~20mA.DC来改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值，其中单座调节型适用于压差较小，介质粘度较大或稍有颗粒杂质场合。套筒调节型适用于压差较大场合。一．自力式电控温度调节阀技术参数：1．公称通径(阀座直径mm)：10、12、15、25、80、100、125、150等。2．公称压力(Mpa)：1.0、1.4、4.0、6.43．固有流量特性：直线、等百分比4．信号范围：0-10V或4-20mA5．作用方式：气开、气关3.2确定气开与气关由前面可以知道，从生产工艺安全出发，原油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。四、仪表类型的选择4.1流量变送器的选择本设计采用常用的罗茨流量计来检测原油的流量。罗茨流量计又称腰轮流量计，主要用于对管道中气体或液体流量进行连续或间歇测量的高精度计量仪表。它具有精度高、可靠性好、重量轻、寿命长、运行噪声低、安装使用方便等特点腰轮列管式换热器自控设计10流量计可现场指示累积流量、瞬时流量，单次量等，亦可输出脉冲信号、4-20mA或1-5V模拟信号、485通讯、4-20mA+HART、MODBUS协议等。罗茨流量计的主要技术指标：环境温度：-30℃-+60℃介质温度：-20℃-+250℃相对湿度：5%-95%大气压力：70Pa-106kPa公称