過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)---脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　成績(jī)： </p><p><b>　　《過(guò)程控制工程》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題目：脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院： 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院 </p><p&g

2、t;　　班 級(jí)： 自動(dòng)化09-2班 </p><p>　　起止日期：2012年12月31日～2013年01月4日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)………………………………………………… 2</p><p>　　設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)……………………………………………

3、…… 5</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　基本控制方案的設(shè)計(jì)與分析</p><p><b>　　節(jié)流裝置的計(jì)算</b></p><p>　　蒸汽流量控制閥口徑的計(jì)算</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………… 11&

4、lt;/p><p>　　附圖………………………………………………………… 15</p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目：</b></p><p>　　《脫丙烷塔控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》</p><p><b>　　設(shè)計(jì)目的：</b></p><p>　　1、掌握控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成、原理及設(shè)

5、計(jì)的方法和步驟。</p><p>　　2、掌握控制方案的設(shè)計(jì)、儀表選型的方法及管道流程圖、儀表接線圖、儀表安裝等圖的繪制方法。</p><p>　　3、掌握節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥的計(jì)算。</p><p>　　4、了解信號(hào)報(bào)警及聯(lián)鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和順序控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　5、通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際，掌握必須的工程知識(shí)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力和

6、獨(dú)立完成工程設(shè)計(jì)任務(wù)能力的培養(yǎng)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　1、主要工藝流程和環(huán)境特征概況</p><p>　　脫丙烷塔的主要任務(wù)是切割C3和C4混合餾分，塔頂輕關(guān)鍵組分是丙烷，塔釜重關(guān)鍵是組分丁二烯。主要工藝流程如圖1所示：第一脫乙烷塔塔釜來(lái)的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后進(jìn)入脫丙烷塔，進(jìn)料為氣液混

7、合狀態(tài)，液化率為0.28。進(jìn)料溫度為32℃，塔頂溫度為8.9℃，塔釜溫度為72℃。塔內(nèi)操作壓力為0.75MPa(絕壓)。采用的回流比約為1.13。冷凝器由0℃丙烯蒸發(fā)制冷,再沸器加熱用的0.15 MPa(絕壓)減壓蒸汽由來(lái)自裂解爐的0.6 MPa(絕壓)低壓蒸汽與冷凝水混合制得的。和其他精餾塔一樣，脫丙烷塔也是一個(gè)高階對(duì)象，具有對(duì)象通道多、內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜、變量間相互關(guān)聯(lián)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、控制要求高等特點(diǎn)。脫丙烷塔的自動(dòng)控制應(yīng)滿足質(zhì)量指標(biāo)、物料

8、指標(biāo)、能量平衡及約束條件等要求。</p><p>　　脫丙烷塔所處的環(huán)境為甲級(jí)防爆區(qū)域,工藝介質(zhì)為多種烴類混合物,沸點(diǎn)低、易揮發(fā)、易燃、易爆，生產(chǎn)裝置處于露天，低壓、低溫。主導(dǎo)風(fēng)向由西向東。</p><p><b>　　2、儀表選型說(shuō)明</b></p><p>　　所選儀表應(yīng)具有本質(zhì)安全防爆性能等特點(diǎn)，電動(dòng)Ⅲ型儀表在安全性、可靠性等方面已能滿足

9、要求。電動(dòng)儀表信號(hào)傳送快且距離遠(yuǎn)，易與計(jì)算機(jī)配合使用，除控制閥外，最好全部選用電動(dòng)Ⅲ型儀表。采用安全柵，可構(gòu)成本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)。</p><p>　　3、再沸器加熱蒸汽流量檢測(cè)系統(tǒng)環(huán)室式標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)算數(shù)據(jù)：</p><p>　?。?）被測(cè)流體：飽和水蒸汽</p><p>　?。?）流量：Mmax=1350kg/h; Mcom=900kg/h; Mmin=450kg/h

10、</p><p>　?。?）工作壓力：p1=0.15MPa（絕壓）; 工作溫度：t1=110℃</p><p>　?。?）密度：ρs=0.8528kg/m3;粘度η=25×10-6Pa·s</p><p>　?。?）允許的壓力損失：應(yīng)盡量小</p><p>　?。?）管道內(nèi)徑：D20=200mm</p>&l

11、t;p>　?。?）管道材質(zhì)：20#鋼，新無(wú)縫管</p><p>　　4、蒸汽流量控制閥口徑計(jì)算數(shù)據(jù)：</p><p>　?。?）流體：飽和水蒸汽</p><p>　?。?）正常流量條件下：</p><p>　　閥前絕壓：P1=140kPa</p><p>　　閥后絕壓：P2=105kPa</p>&

12、lt;p>　　閥前溫度：t1=110℃</p><p>　　管道內(nèi)徑：D1= D2=200mm</p><p>　　正常流量：MS=900kg/h</p><p>　　密度：ρS=0.8528kg/m3</p><p>　?。?）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h</p><p>　?。?）選型：氣動(dòng)單座調(diào)

13、節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開(kāi)向型。</p><p>　　型號(hào)：ZMAP-1.6K</p><p><b>　　四、主要設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1、確定基本控制方案，要帶有信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)（設(shè)置3個(gè)液位報(bào)警上、下限：塔釜液位：30%-90%，冷凝器液位：20%-80%，回流罐液位：30%-80%），并按規(guī)范繪制帶控制點(diǎn)的工藝流程圖。

14、</p><p>　　2、對(duì)至少一個(gè)回路（再沸器加熱蒸汽流量控制系統(tǒng)）進(jìn)行儀表選型。</p><p>　　3、對(duì)至少一個(gè)回路（再沸器加熱蒸汽流量控制系統(tǒng)）的節(jié)流裝置和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　4、分析所用到的復(fù)雜控制系統(tǒng)并繪制復(fù)雜控制系統(tǒng)的接線圖。</p><p>　　5、設(shè)計(jì)布置控制室并繪制控制室平面布置圖。</p>

15、<p>　　6、繪制再沸器加熱蒸汽流量檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)孔板制造圖。</p><p>　　五、需提交的設(shè)計(jì)文件</p><p><b>　　1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p><b>　　2、控制流程圖</b></p><p><b>　　3、自控設(shè)備表</b>&l

16、t;/p><p>　　4、復(fù)雜系統(tǒng)儀表接線圖</p><p>　　5、節(jié)流裝置及調(diào)節(jié)閥計(jì)算數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　6、標(biāo)準(zhǔn)孔板制造圖</b></p><p>　　7、控制室平面布置圖</p><p>　　其中第1項(xiàng)應(yīng)包括目錄、摘要、正文及參考文獻(xiàn)等項(xiàng)；2-7項(xiàng)均應(yīng)按制圖或制表規(guī)范來(lái)制作，圖

17、紙采用3號(hào)紙（297×420mm），也可以使用電腦制圖，作為附錄附在設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)后。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　1、《過(guò)程控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)》.孫洪程,翁唯勤合編.化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　2、《實(shí)用自動(dòng)控制指南》.[美]M.G安德魯，H.B威廉斯.化學(xué)工業(yè)出版社</p>&

18、lt;p>　　3、《煉油化工自控設(shè)計(jì)手冊(cè)》</p><p>　　4、《過(guò)程控制工程》.王樹(shù)清等編.化學(xué)工業(yè)出版社</p><p><b>　　設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　脫丙烷塔的主要任務(wù)是利用混合液中各組分揮發(fā)度的不同分離丙烷和丁二烯

19、組分，并達(dá)到規(guī)定的純度要求。塔頂輕組分主要是丙烷，塔低重組分主要是丁二烯。其中丙烷占 10，丁二烯占 89，其它雜質(zhì)占 1。</p><p>　　為了滿足脫丙烷塔的自動(dòng)控制的質(zhì)量指標(biāo)、物料指標(biāo)、能量平衡及約束條件等要求。設(shè)計(jì)包括提餾段的溫度與蒸汽流量的串級(jí)控制；塔頂鴨梨為被控變量，氣態(tài)丙烯與去尾氣管線組成分層控制；進(jìn)料流量的簡(jiǎn)單均勻控制；回流罐的液位與回流管的回流量組成串級(jí)均勻控制；回流量的定制控制；以及進(jìn)料、回

20、流、塔頂、塔釜的溫度檢測(cè)，塔壓檢測(cè)，回流量的流量檢測(cè)等。</p><p>　　關(guān)鍵字：串級(jí)控制，被控變量，分層控制，均勻控制，定值控制，檢測(cè)。</p><p>　　二、基本控制方案的設(shè)計(jì)與分析</p><p>　　1.提餾段的溫度與蒸汽質(zhì)量組成串級(jí)控制</p><p>　　維持提餾段的溫度恒定對(duì)此反應(yīng)裝置的是否能順利進(jìn)行以及產(chǎn)品的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)

21、是很重要的。設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的控制目的主要就是為了維持提餾段內(nèi)溫度得恒定，以保證反應(yīng)的穩(wěn)定順利進(jìn)行。由于影響提餾段的一個(gè)重要因素是來(lái)自減壓蒸汽總管的蒸汽流量，而提餾段的溫度恒定才是主要控制的目的。因?yàn)榧訜嵊玫臏p壓蒸汽由來(lái)減壓蒸汽總管的蒸汽與冷凝水混合制得，所以來(lái)自減壓總管蒸汽流量的變化作用于提餾段的溫度有一定的滯后時(shí)間。因此，設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)，以提餾段的溫度為主變量，以來(lái)自減壓總管的蒸汽量作為副變量，它能快速地消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變

22、化引起的擾動(dòng)，從而達(dá)到較好地控制提餾段的溫度恒定的目的。</p><p>　　2.塔頂壓力為被控變量，氣體丙烯與去尾氣管線組成分程控制</p><p>　　要保證反應(yīng)的順利進(jìn)行，塔頂?shù)膲毫愣ㄒ彩且粋€(gè)重要的的參數(shù)。影響此壓力的是再沸器的氣態(tài)丙烯流量以及回流灌的壓力（由去尾氣管線的流量控制）。為了擴(kuò)大控制閥的可調(diào)范圍，改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)，以滿足工藝上的要求。因此設(shè)計(jì)一分程控制，以塔頂壓力恒定

23、為主要控制目的，當(dāng)投操縱變量氣態(tài)丙烯流量的改變不足于控制斷控制壓力時(shí)，調(diào)解去尾氣管線上的流量，以達(dá)到控制塔頂?shù)膲毫Φ哪康摹?lt;/p><p>　　3.回流罐的液位與回流管的回流量串級(jí)均勻</p><p>　　為保證回流量的穩(wěn)定，以及使回流罐不流空，設(shè)計(jì)此液位一流量串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p>　　4.塔釜的液位與塔釜流出的流量的串級(jí)均勻控制</p>&

24、lt;p>　　同上一控制系統(tǒng)相似，由于變量間的相互關(guān)聯(lián)、為保證塔內(nèi)的液位恒定，去脫丁烷塔管線的流量穩(wěn)定，設(shè)計(jì)此串級(jí)控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制塔內(nèi)液位與流出量的穩(wěn)定。</p><p>　　5.為保證反應(yīng)的穩(wěn)定進(jìn)行，設(shè)計(jì)一進(jìn)料流量的均勻控制</p><p><b>　　6.報(bào)警系統(tǒng)</b></p><p>　　為保證塔釜、回流罐、冷凝器的液位不超過(guò)

25、可控范圍，可分別設(shè)計(jì)一液位報(bào)警系統(tǒng)——當(dāng)塔釜液位偏離30%-90%時(shí)，冷凝器液位偏離20%-80%</p><p>　　時(shí)，回流罐液位偏離30%-80%時(shí)，報(bào)警提示。</p><p>　　為了保證塔壓的變化不超過(guò)允許值，分別在塔頂與塔底安裝了一個(gè)具有溫度上限報(bào)警的溫度檢測(cè)儀表。為了保證塔壓的變化不超過(guò)允許值，在位于塔上部的地方裝一帶壓力上限報(bào)警系統(tǒng)的壓力檢測(cè)儀表</p>&l

26、t;p>　　7.除了上述控制裝置外，還設(shè)計(jì)有對(duì)進(jìn)料、塔底采出、不凝氣體排出、回流物溫度檢測(cè)。</p><p>　　具體見(jiàn)附圖：脫丙烷塔工藝流程圖。</p><p>　　8.控制室平面布置圖繪制說(shuō)明</p><p>　　由于生產(chǎn)裝置處于露天，工藝介質(zhì)易燃、易爆，且主導(dǎo)風(fēng)向由西向東，因此設(shè)計(jì)此控制室位子生產(chǎn)裝置的西邊，且門(mén)跟窗都向著生產(chǎn)裝置?？刂票P(pán)背向生產(chǎn)裝置，以

27、利于電纜進(jìn)入與之連接。具體見(jiàn)控制室平面布置圖。</p><p><b>　　三、節(jié)流裝置計(jì)算:</b></p><p><b>　　1、己知條件:</b></p><p>　　(1)被測(cè)流體:飽和水蒸汽</p><p><b>　　(2)流量:</b></p>&

28、lt;p>　　Mmax=1350 kg/h</p><p>　　Mcom=900 kg/h </p><p>　　Mmin=450 kg/h</p><p>　　(3)工作壓力:= 0.15Mpa (絕壓)</p><p>　　(4)工作溫度:t1= 110.0</p><p>　　(5)允

29、許的壓力損失:應(yīng)盡是小</p><p>　　(6)管道內(nèi)徑:D20=200mm</p><p>　　(7)仍管道材質(zhì):20#鋼，新無(wú)縫管</p><p>　　(8)管道和局部阻力件敷設(shè)簡(jiǎn)圖如下所示。圖中LI、L2, LO按設(shè)計(jì)要求要求設(shè)。</p><p>　　(9)要求采用角接取壓（環(huán)室）標(biāo)準(zhǔn)孔板，配電動(dòng)差壓變送器。</p>&

30、lt;p><b>　　2.輔助計(jì)算</b></p><p>　　（本例中的公式右側(cè)標(biāo)注的頁(yè)號(hào)和圖、表號(hào)與《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)流量測(cè)量節(jié)流裝置》）</p><p>　　(1)工作狀態(tài)下，質(zhì)量流量標(biāo)尺上限：Ｍ＝1600kg/h</p><p>　　(2)管道材質(zhì)的線膨脹系數(shù)：∧D=12.12×10 mm/mm·c</p>

31、;<p>　　(3)工作狀態(tài)下，管道內(nèi)徑：</p><p>　　D=D20[1+∧D(t1-20)]=200×[1+12.12×10×(110-20)]=200.218mm</p><p>　　(4)工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的粘度: η=25×10Pa·s</p><p>　　(5)工作狀態(tài)下,飽和水蒸

32、氣的密度: =0.8528kg/m</p><p>　　(6) 工作狀態(tài)下,飽和水蒸氣的等熵指數(shù): χ=1.29</p><p>　　(7)管道粗糙度: K=0.10</p><p>　　(8)管徑與粗糙度之比: D/K=200.218/0.10=2002.18>100</p><p>　　(9)求ReD的值: </p&

33、gt;<p>　　ReD=354×10× =354×10× =3.1825×10</p><p>　　(10)求ReD的值:</p><p>　　ReD=354×10×=354×10×=6.3651×10</p><p>　　(11)根據(jù)ReD=3.18

34、25×10和角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板的要求,角接取壓標(biāo)準(zhǔn)孔板適用的最小雷諾數(shù)ReD推薦值可知,在β<0.50的范圍內(nèi)β取任意值時(shí),因流量變化引起的流量系數(shù)α0的改變,其附加誤差小于0.5%。</p><p>　　(12)由于要求壓力損失盡量小，故取β=0.48為確定差壓上限的依據(jù)。</p><p>　　(13)確定差壓上限：</p><p>　　a：令γ=1

35、,R=10,β=0.48 取 αβ=0.14324</p><p><b>　　b:h==</b></p><p>　　=5693.1 Pa=5.693 kPa 取：h=6.0KPa</p><p>　　C:驗(yàn)算P2/P1值 P2/P1=（140-6）/140=0.96≥0.75</p&g

36、t;<p>　　上述h值可用 </p><p>　　d：選用1151DP-4E22M1B3D2Fa型電容式差壓變送器</p><p>　　(14)求h值：h=（Mcom/M） h=（900/1600）×6.0=1.8984 kPa</p><p>　　e：計(jì)算：(1)令γ=1, ε=1,根據(jù)M、、D、h，求（αβ）1值：</

37、p><p><b>　?。é力拢?==</b></p><p><b>　　=0.1395</b></p><p>　?。?）根據(jù)（αβ）1、ReD，求值：取接近（αβ）1=0.1395，ReD=6.3651×10的β值，查表可得 =0.474</p><p>　?。?）根據(jù)D/K、、ReD

38、，求值： =（）</p><p>　　式中 得 =1</p><p>　?。?）根據(jù)P2/P1，χ、，求ε值：P2/P1=0.96，χ=1.29，=0.474</p><p>　　ε=1-（0.3707+0.3184β）[1-]=1-(0.3707+3.84×) =0.9849</p><p&

39、gt;　　(5)求（αβ）2的值:（αβ）2= ==0.1416</p><p>　　(6)根據(jù)（αβ）2、ReD，求β和α的值：</p><p>　　=5×時(shí)： =0.476+</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=時(shí)： =</b></p>

40、<p><b>　　=</b></p><p>　　=時(shí)： =0.4771</p><p><b>　　=0.6221</b></p><p>　?。?）求d值： d==0.4771×200.218=95.5240mm</p><p>　?。?）驗(yàn)算： ==899.5932

41、kg/h</p><p>　　×100%=×100%=-0.045% 上述計(jì)算合格。</p><p>　?。?）求的值： 孔板采用1Cr18Ni9Ti不銹鋼。</p><p>　　∧d=17.00×mm/mm·C =d/[1+∧d(-20)]=95.524/[1+17.00××(110-

42、20)]=95.3781±0.045mm/mm·C</p><p>　　(10)求實(shí)際的最大壓力損失的值:</p><p>　　== =4.5115kPa</p><p>　　(11)確定最小長(zhǎng)度: L1=20D=4000mm L2=6D=1200mm L0=10D=2000mm</p><p>　　四

43、、蒸汽流量控制閥口徑計(jì)算：儀表位號(hào)：FV-102</p><p><b>　　1.已知條件</b></p><p>　?。?）流體：飽和蒸汽</p><p>　　（2）正常流量條件下： 閥前絕壓：P1=140kPa 閥后絕壓：P2=105kPa</p><p>　　閥前溫度：t1=110℃ 管道內(nèi)徑：

44、D1= D2=200mm 正常流量：MS=900kg/h</p><p>　　密度：ρS=0.8528kg/m3</p><p>　?。?）穩(wěn)態(tài)最大流量：Mmax=1350kg/h</p><p>　?。?）選型：氣動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，等百分比固有流量特性，流開(kāi)向型。</p><p><b>　　2.計(jì)算：</b>&l

45、t;/p><p>　?。?）判斷是否阻塞流</p><p>　　查《石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè)》得</p><p>　　臨界差壓變比系數(shù)=0.72以及氣體絕熱指數(shù)K=1.29</p><p>　　則 比熱系數(shù) =K/1.4=1.29/1.4=0.92 =0.92×0.72=0.66</p><p>　　差壓比

46、X=△P/ P1 =（P1- P2）/ P1 =0.035/0.140=0.25可見(jiàn)，X〈，故為非阻塞流。</p><p><b>　?。?）值計(jì)算：</b></p><p>　　膨脹系數(shù)Y=1-=1-=0.82</p><p><b>　　===63.57</b></p><p>　?。?）值的計(jì)

47、算： =1.2=1.2×1350=1620kg/h</p><p>　　==1620×63.57÷900=114.43</p><p>　?。?）口徑的選定：選閥的公稱流量系數(shù)和公稱通徑： =120， DN=d=100mm</p><p>　?。?）相對(duì)行程計(jì)算：控制閥在正常流量條件下：</p><p>　　

48、ι=（1+0.68）×100%=（1+0.68）×100%=81.2%</p><p>　　基本符合等百分比特性控制閥正常流量時(shí)相對(duì)形成為80%左右的要求。（直線流量特性控制閥正常流量時(shí)，要求ι=60%）</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.孫洪程，翁唯勤編.過(guò)程控制工程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)

49、出版社，2000</p><p>　　2.周澤魁主編.控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002</p><p>　　3.王樹(shù)青等編著.工業(yè)過(guò)程控制工程.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002</p><p>　　4.蘇彥勛等編著.流量計(jì)量與測(cè)試.中國(guó)計(jì)量出版社，1991</p><p>　　5.湖南大學(xué)化工系無(wú)機(jī)化工教研室.化工手冊(cè)（

50、上），1976</p><p>　　6.紀(jì)綱編著.流量測(cè)量?jī)x表應(yīng)用技巧.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003</p><p>　　7.何衍生等編著.控制閥工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005</p><p>　　8.謝小球編著.石油化工測(cè)量及儀表.中國(guó)石化出版社，1994</p><p>　　9.梁朝林編著.化工原理.廣州：廣東高等教育出

51、版社，2000</p><p>　　10.張建宏，蒙建波編著.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與裝置.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004</p><p>　　11.陸德明編著.石油化工自動(dòng)控制設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000</p><p>　　附件： 節(jié)流裝置計(jì)算數(shù)據(jù)表</p><p><b>　　控制閥計(jì)算數(shù)據(jù)表</b>

52、;</p><p><b>　　自控設(shè)備表</b></p><p><b>　　脫丙烷塔工藝流程圖</b></p><p>　　回流罐液位流量串級(jí)控制儀表回路接線圖</p><p><b>　　控制室平面布線圖</b></p><p><b>