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工程策画文献(1)

工程设计

  工程设计文件(1)_能源/化工_工程科技_专业资料。河南理工大学 《过程控制系统》课程设计 设计小组名称: 设计小组成员 2017 年 6 月 9日 一、系统分析(包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全 要求等) 一、控

  河南理工大学 《过程控制系统》课程设计 设计小组名称: 设计小组成员 2017 年 6 月 9日 一、系统分析(包括控制需求分析、对象特性分析、工艺流程分析、系统安全 要求等) 一、控制需求分析 1.1 进料流量及比例控制 反应器共有两股连续进料。要求控制系统克服每股进料的流量扰动。同时,需要保证两股物料以一定 比例进料。 1.2 反应器液位控制 要求选手设计液位控制系统,保证液位处于 80%,以获得较大的反应停留时间,保证反应充分进行。 1.3 反应器压力安全控制 为保证反应安全,需要对压力进行安全控制系统的设计。反应器,反应器耐压约 2.5MPa。为了安全, 要求反应器在系统开、停车全过程中压力不超过 1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为 1.2 MPa。 1.4 反应器组份控制 为得到一定的转化率的产品,要求选手对反应器最终产物的组份进行控制。反应器内主产物 C 重量百 分比浓度在图中指示为 AI1201,反应温度为 TI1201,液位为 LI1201。反应器出口流量为 FI1202,由出口 阀 FV1202 控制其流量。反应器出口为混合液,由产物 C 与未反应的 A、B 组成。 1.5 反应器温度控制 为保证反应的进行, 需要对温度进行控制。 该连续反应系统以反应物 A 与反应物 B, 在反应温度 70.0℃ 下进行反应,反应的产物为 C。 1.6 产物流量控制 为保证产量,需要对产物流量进行控制。反应器出口流量为 FI1202,由出口阀 FV1202 控制其流量。 1.7 节能环保指标控制 出于对效能、环境等因素的考虑,要求在控制系统设计和实施中对冷却水用量等能耗指标予以充分考 虑。反应器冷却水入口流量为 FI1105,由阀 FV1105 控制流量。对入口流量进行控制。 1.8 开车步骤顺序控制 从生产单元冷态起,自动开车,按照开车步骤依次将控制回路投用,保证开车稳步进行,保证系统无 扰投运。开车步骤,初始条件,使得液位上升到 80%; ① 初始化检查,系统处于开车前状态,确认所有阀门处于关闭状态。 ② 开 FV1201 约 50%,开始进料。 ③ 开 FV1203 约 50%,开始进料。 ④ 液位 LI1201 上升,物料开始反应,当反应器温度达到 45℃ 时,调节冷却水进料确保反应器温度 缓慢上升。 ⑤ 当液位上升至 80%左右,打开出口阀门 FV1202。 ⑥ 反应器正常运行时,确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口流量均维持在工艺要求范围 内。同时,确保反应器处在安全、稳定的生产工况。 二、对象特性分析 物料 A 与物料 B 进行合成反应,生成的反应热从夹套中通过冷却水除去,反应完成的时间比停留的 时间短,反应的转化率、吸收率及副产品的分布决定于物料 A 与 B 的流量之比,通过控制反应器的液面 高度来改变进料量达到物料平衡。反应器正常运行时,确保反应器温度、压力、液位、产品组份和出口 流量均维持在工艺要求范围内。同时,确保反应器处在安全、稳定的生产工况,尽可能减少硬性停车, 保证较大的生产能力。 三、工艺流程分析 被控对象为过程工业常见的反应器系统,属于连续反应过程。反应过程为反应物 A 与反应物 B 发生 反应,生成产物 C。反应开始后由冷却水进行冷却。 FV1203 FI1203 物料B PI1201 FV1201 物料A FI1201 反应器 1201 FV1105 TI1201 AI1201 FI1105 冷却水 LI1201 冷却水 FI1202 FV1202 产物C 该连续反应系统以反应物 A 与反应物 B,在反应温度 70.0℃下进行反应,反应的产物为 C。 反应设备包括:反应器,反应器耐压约 2.5MPa。为了安全,要求反应器在系统开、停车全过程中压 力不超过 1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为 1.2MPa。 反应过程主要有两股连续进料。第一股是反应物 A,FI1201 为进料流量,FV1201 是进料阀;第二股 是反应物 B,FI1203 为进料流量,FV1203 是进料阀;反应器内主产物 C 重量百分比浓度在图中指示为 AI1201,反应温度为 TI1201,液位为 LI1201。反应器出口流量为 FI1202,由出口阀 FV1202 控制其流量。 反应器出口为混合液,由产物 C 与未反应的 A、B 组成。反应器冷却水入口流量为 FI1105,由阀 FV1105 控制流量。 四、系统安全要求 本次反应是主要危险地方在于反应器,物料 A 和物料 B 在反应器当中反应剧烈使反应器内部压强增 高,液位上升。通过温度检测装置,当反应温度高于所设定的警戒值时,对应的指示器变亮;同理,通 过压力和液位检测装置,当这两者也高于所设定的警戒值时,各自对应的指示器变亮。当两个或两个以 上的指示器亮起时,系统会发出警报声响。当反应器内温度过高时,会促使内部压力增高,可能会对反 应器造成损害且有可能对危及人身安全,造成不可估量的损失。当反应器内部的压力过高时,有可能反 应器壁承受不住压力而发生形变甚至爆炸。对反应器周围及反应器本身造成伤害。当反应器内部的液位 太高时,会使反应压力增大,造成反应物 A 和 B 的堆积和资源浪费,不符合绿色生产和绿色设计的理念, 进而影响反应结果。 二、控制系统设计 2.1 基础控制系统及开车顺序控制系统的设计(包括控制回路、控制算法、被 控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计, 并说明设计理由) 1.进料流量及比例控制 a) 因为物料 A 与物料 B 的比值是确定的: QA / QB ? K AB 流体 A 可被称为主动流体, Q A 主流 量;而流体 B 可称为被动流体, Q B 副流量,副流量为随动控制。 b) 反应罐: FC FT A QA QB B 混合罐 C c) 双闭环比值控制: 因为双闭环比值控制系统提降负荷比较方便,只要缓慢地改变主流量控制器的给定值,就可以提降主 流量,同时副流量也就自动跟踪提降,并保持两者比值不变。 2.反应器液位控制: a) 为使对反应器液位的控制不影响到反应器中组份的大小和温度压强,所以对于反应器液位的 控制采用控制反应出口流量阀 FV1202 的单回路控制方式。这样可以对反应器液位的控制得到很好地 解决,而不影响其他参数。而且通过控制主流量 Qa,就可以控制液位的变化。 b) 负反馈液位调节系统: QA T2sp TC 11 RV TT 11 T 2m 换热器 RF Qc 工艺 介质 凝液 c) 负反馈液位方框图: U(t) 控制器 控制阀 控制通道 Y(t) 测量变送 器 3.反应器温度控制: a) 反应器温度控制系统: FI1105 冷水 RV u TC 11 TI1201 TT 11 换热器 T1 RF 凝液 温度负反馈控制 b) 反应器温度控制方框图: 工艺 介质 U(t) 控制器 控制阀 控制通道 Y(t) 测量变送 器 c) 2.2 安全系统的设计(包括声光报警、安全联锁、紧急停车、安全仪表等功能 设计,并说明设计理由) 1.阀门选型: a) FV1202 调节阀选型——气开型: 浓液出口阀 FV1202 选用气开型,一旦发生事故,阀处于全关状态,不会导致憋气,保证压力不会 太高,损环其它阀门及其它设备。为了使反应物之间成线性关系,阀门流量特性选择百分比阀。 b) 物料 A 进口阀 FV1201 选用气开型: 一旦发生事故,阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高,过高的液位可能会进入抽气机,损坏抽 气机,阀门流量特性选择线性阀。 c) 物料 B 进口阀 FV1203 选用气开型: 一旦发生事故,阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高,过高的液位可能会进入抽气机,损坏抽 气机,阀门流量特性选择线 调节阀选型——气开型: 物料 B 进口阀 FV1203 选用气开型,一旦发生事故,阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高, 过高的液位可能会进入抽气机,损坏抽气机,阀门流量特性选择线 调节阀选型——气开型: 一旦发生事故,阀处于全关状态。不会使反应器的液位升高,过高的液位可能会进入抽气机,损坏抽 气机,阀门流量特性选择线 调节阀选型——气关阀: 一旦发生事故,阀处于全开状态。不会使反应器中因为有残留反应物而导致二次事故的爆发对相关的 生命财产造成损失。 2.声光报警:该连续反应系统以反应物 A 与反应物 B,在反应温度 70.0℃下进行反应,反应的产 物为 C。反应设备包括:反应器,反应器耐压约 2.5MPa。为了安全,要求反应器在系统开、停车全过程中 压力不超过 1.5 MPa。反应器压力报警上限组态值为 1.2 MPa。当温度超过发出声光报警,让操作员知道, 系统出错,然后由操作员决定是否停机检查。当反应器压力超过上限组态值为 1.2 MPa 时发出声光报警信 号,让操作员知道,系统出错,然后由操作员决定是否停机检查。若超过 1.5 MPa 时,系统自动进行停机 操作! 3. 紧急停车 :阀门失去控制是比较常见的硬件故障,当然这不是所有的故障,也不可能将所有 的故障考虑在其中。所以前面的调范围都要小于危险范围,可以说是预警范围,在这个范围里正常系统已 经失去了控制能力。需要一些特别的处理手段 。但仍存在很多因素使系统不安全。比如压力,当遇到这 种况情时必须要紧急停止,并要有声光报警。当液位高于 90%或低于 50%、温度高于 90℃或低于 40℃ 这些情都要立即停止。物料 A 和物料 B 进口阀和物料 C 出口阀分别使用气开和气闭,在阀门失控情况下 不会导致温度上升,只能减小 。当温度升高时很大可能不是阀门失控。具体情要等高温警报后人工处理。 2.3 绿色生产、节能减排降耗方面的考虑 由于我国已经进入工业化和城镇化加速期,重化工业较快增长还会持续一段较长时间,这一过程中能 源资源消耗和污染排放与经济增长一般呈现正向关联。因此,在资源稀缺与环境承载能力有限的情况下, 传统的高投入、高消耗、高 排放、低效率的增长方式已经走到了尽头。不加快转变经济发展方式,资源难 以支撑,环境难以容纳,社会难以承受,科学发展难以实现。因此,为了我们的国家,为了我们了社会, 为了更好的生存我们必须贯彻实施节能减排计划。 按照生产要求,温度范围为 70℃左右。显然如果能稳定在 70℃时能耗更加合理。所以在温度的选择 上既要考虑到系统稳定性,波动时是否满足生产要求,还要考虑到,能耗问题。也要加入高效的催化剂这 样,A 与 B 反应的更充分一些,有利于节省原材料。 2.4 控制系统管道仪表流程图(包括基础控制系统、安全控制系统等) 1.冷启动阶段: 冷启动开始 打开搅拌开关HS11 01。 关闭所有的阀门 打开热水加热开关 HS1102,诱发反应 。 检查所有阀门处于 关闭状态 打开催化剂阀门FV 1104。 开FV1203,开始B 进料 当温度TI1201大于 40℃时,关闭热水 加热开关。 液位上升到50%左 右,开FV1201,开 始A进料 如果温度继续上升 则反应诱发成功, 调节冷却水进料反 应器温度缓慢上升 ,不大于0.1℃/ 秒,直到到达70℃ 将TIC1201投入自 动。 当液位上升到60% ,将FIC1201和LIC 1201投入自动模式 ,打开阀门FV1202 结束 2.声光报警系统: 声光报警系统 T80℃ Y 发出声光报警信号 N 1.5 MPaP1.2 MPa Y N 发出声光报警信 号,并提示信息 P1.5 MPa Y 自动停机 N 正常运行 三、系统设备选择(包括控制器、测量变送装置、执行机构,DCS 规模、IO 模 块配置、仪表盘、控制柜、配电装置等) 四、实施效果 4.1 监控画面(包括流程画面、趋势画面、报警画面、操作画面等) 4.2 响应曲线及性能分析 (任选系统中的一个控制回路,模型参数自定,一般被控对象为一阶惯性 滞后环节,控制阀和变送器为纯比例环节,用 matlab 仿线.温度调节: 若被控对象为一阶惯性滞后环节,由拉氏变换延迟定理可得: G(s) ? e 则被控对象的传递函数为: ?? ? s ? 1 e? ? s G( s) ? 若将 e ?? ? s 1 e (Ts ? 1) ? ?s 按泰勒级数进行展开可得: e? ? s ? 1 ? ? ? s ? 所以当 ? ? 很小时, e -? ? s 2 2 ?0 s 2! ? 3 3 ?0 s 3! ?? 2 2 ? 1 ? ? 0 s ? 0.5? 0 s ,则被控对象 G(s)可以等效为: G(s) ? ? 2s2 1 ?1 ? ? ? s ? 0 Ts ? 1 2! 在使用 simulink 仿线 。仿真结果如图所示: 从图上看,红色曲线代表的参数效果更好一些。 2.双闭环比值控制环节: 控制阀和变送器是纯比例环节,被控对象为一阶惯性滞后环节。滞后环节等效为: e? ?s ? 1 ? ? 0 s 被控对象传递函数为: G( s) ? 1 1 ? Ts ? 1 ? ? s ? 1 取 T ? ? ? ? 1 可得 G ( s ) ? 仿线.液位调节: 五、心得体会

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