专业综合设计课程设计说明书列管换热器自控设计.doc

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1、XX化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书列管式换热器自控设计说明书学生学号： 学生姓名： 专业班级： 自动0803 指导教师： 职 称： 起止日期： 2011.08.292011.09.16 吉林化工学院Jilin Institute of Chemical Technology专业综合设计任务书一设计题目：列管换热器自控设计二设计目的1、进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识，培养设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅和报告撰写等基本技能；2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；3、熟练运用AutoCAD等绘图工具制图；

2、4、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风。三设计任务及要求 1、熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图；2、仪表选型；3、绘制施工图，编制自控设备表相应表格。四设计时间及进度安排 设计时间（20011.08.092011.09.16）,具体安排如下表：周安排设 计 内 容设计时间第一阶段熟悉工艺流程，查找相关资料，根据工艺要求，确定自控方案；绘制工艺控制流程图。进行仪表选型及调节阀计算；绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。 2011.08.292011.09.05第二阶段并提交课程设

3、计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。2011.09.062011.09.16五指导教师评语及学生成绩指导教师评语:年 月 日成绩指导教师(签字):目 录专业综合设计任务书I第1章 专业综合设计的目的1第2章 工艺简介22.1 工艺介质介绍22.2 列管式换热器工艺流程22.3 主要控制指标及已知条件3第3章 控制方案的选择4第4章 调节阀54.1 调节阀介绍54.2 调节阀类型的选择54.3 调节阀口径的选择54.4 确定气开与气关6第5章 仪表选型75.1 模块的选择75.2 IO点表75.3 安全栅的选择85.3.1 安全栅的作用及特点85.3.2 开关量输入/输出检测端隔离式安全栅8第

4、6章 自控设计96.1 确定控制方案96.2 设计单回路控制图96.3 确定PLC控制器类型96.4 电源分配9结 论10参考文献11附 录12附录1工艺流程控制图12附录2 数字接线图13附录3 电源模块图14附录4 模拟接线图15第1章 专业综合设计的目的列管式换热器设计的目的是进一步巩固和加深对所学专业知识的理解，培养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。通过此次设计，培养学生树立为社会主义建设服务的观念

5、。设计者应该有敢于创新和勇于负责的精神，从投入施工的角度来严肃对待自己的设计，使自己的设计能最大限度满足生产实际需要，既经济，又可靠。第2章 工艺简介2.1 工艺介质介绍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

6、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。2.2 列管式换热器工艺流程列管式换热器工艺流程图如下图2-1所示：图 2-1 列管式换热器的工艺流程图 本单元设计采用列管式换热器。来自外界的10冷物流由泵P101送至换热器

7、E101的壳程被流经管程的热物流加热至150。冷物流流量由压力控制器PIC101控制,正常流量7kgf/cm2。来自另一设备的250热物流送至换热器E101与注经壳程的冷物流进行热交换,热物流出口温度由TIC111控制。2.3 主要控制指标及已知条件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=0.6 TP=1.2min。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, =0.9g/cm3 。 4.加热后的原油温

8、度T=1502。 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2-2所示图2-2 列管式换热器设计尺寸图第3章 控制方案的选择为了控制列管式换热器出口处的温度，系统对出口处温度采用的是温度的串级控制。温度由工艺阀后采入,经过温度变送器进行温度变送至TIC111,TIC111再经与PIC101的串级控制,作用于LV101,经过调节饱和蒸汽的补充量，来达到加热原油的目的。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

9、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3-1所示：图3-1 列管式换热器的温度串级控制系统方框图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。第4章 调节阀4.1 调节阀介绍调节阀接受控制器来的信号，通过改变阀的开度来达到控制的目的。因为它处于最终执行控制任务的地位，所以又称“末级控制元件”。调节阀直接与介质接触，当使用在

10、高压、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，调解阀选择的重要性就显得更为突出。不论是简单控制系统，还是复杂控制系统，调解阀都是系统中不可缺少的组成部分。经验表明，控制系统中，每个环节的好坏，都对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以对控制阀这个环节必须高度重视。在设计时，必须根据应用场合的实际情况，选择好阀的类型包括执行机构和阀体结构类型。4.2 调节阀类型的选择调节阀分为气动调节阀、电动调节阀、滚动调节阀、混合调节阀四大类。其中石油化工只要应用气动调节阀、电动调节阀两大类。本次设计选用HRVQ/X智能三通流调节阀用于总管路

11、的流量控制阀、除氧器出口压力阀、除氧器液位控制阀。它们的位号分别位于FV-101、FV-102。1、执行机构1) 型式：HRL智能型执行程机构2) 输入信号：420mA3) 输出信号：420mA.DC4) 供电电源：220V10%50/HZ5) 基本误差：1.0%6) 断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0100%之间预知的任意值7) 阀作用型式：任意作用正/反作用8) 环境温度：-20+60（4以下使用时，需要装加热电阻）2、阀体1) 公称通径：合流阀，25200mm，分流阀，25200mm2) 公称压力：PN1.6,4.0,6.4Mpa3) 材料：铸铁（ZG25）,铸不锈钢（ZG1

12、Cr18Ni9，ZG0Cr18Ni12M02Ti）4) 上阀盖：常温型：-40+2505) 热片型：+250+4506) 填 料：V型饱和蒸汽填料4.3 调节阀口径的选择调解阀的口径必须很好选择，在正常工况下，阀门开度处于%之间。口径选择过小，当经受较大扰动时，阀门很可能运行到全开时的饱和非线性工作状态，使系统处于暂时失控情况。口径过大，阀门经常处于小开度。这时，流体对阀芯、阀座的冲蚀严重。且在小开度时，阀芯由于受不平衡力的作用，容易产生震荡现象，这就更加重了阀芯和阀座的损坏，甚至造成控制失灵。4.4 确定气开与气关气动调节阀有气开（有信号压力时阀开）和气关（有信号压力时阀关）两种。调节阀的气

13、开气关主要根据工艺装置的安全要求决定。一般在调节阀气源中断时应切断选入装置和设备的原料、热源，停止向装置外输出产品。考虑到控制系统的安全和经济问题，控制饱和蒸汽流量和泵后原油流量的压力调节阀均选择气开形式。第5章 仪表选型5.1 模块的选择本系统中所选仪表具体参数如下：序号模块类型型号订货号备注数量1模拟量输入模块SM3316ES7331-1KF00-0AB08路、13位精度模拟量输入模块12模拟量输出模块SM3326ES7332-5HD01-0AB04路模拟量输出模块 从L+，最大240mA13数字量输出模块SM3226ES7322-1BF01-0AA08路，自身消耗60mA，每路继电器消耗

14、40mA14数字量输入模块SM3216ES7321-1FF10-0AA08路，每路消耗7.5mA15CPU312C6ES7312-5BD00-0AB0内存为16k16电源模块PS3056ES7305-1BA80-0AA024/48/60110VDC输入，24VDC/2A输出17输入安全栅HR-WP6133-31-QEX3、4输入，1、2输出38输出安全栅HR-WP6135-31-QEX1、2输入，3、4输出29输入安全栅(电阻)HR-WP6131-21-QEX310继电器2表5-1 模块选型表IO控制点具体参数如下：表 5-2 IO点表和仪器选型表序号 名称位号I/O点类型信号类型AI/AO1

15、泵后原油压力检测PIC101AI4-20mA2泵后原油压力调节阀PV101AO4-20mA3泵后原油流量就地指示PI1114-20mA4泵后原油温度就地指示TI1214-20mA5饱和蒸汽流量检测FIC112AI4-20mA6饱和蒸汽流量调节阀FV112AO4-20mA7加热原油出口温度检测TIC122AI4-20mA8加热原油出口温度就地显示TI1234-20mADI/DO1PUMP故障检测DI1-5V2PUMP启动状态检测DI1-5V3PUMP启动控制DO1-5V4PUMP停止状态检测DI1-5V5PUMP停止状态控制DO1-5V5.3 安全栅的选择 5.3.1 安全栅的作用及特点安全栅是

16、安装在安全场所，接收来自危险区的信号，输出安全信号到安全区或危险区。常见的安全栅类型为齐纳式和隔离式。特点：1 全智能、数字化、可编程；2 环境温度、零点、满幅自动补偿；3 极高的稳定性，确保准确度多年不变；4 电源、输入、输出、双回路间高隔离度；5 符合国际电工委员会IEC31000相关抗电磁干扰标准。5.3.2 开关量输入/输出检测端隔离式安全栅HR-WP6012-DI-EXA系列开关量输入/输出检测端隔离式安全栅功能：将来自危险区的有源或无源开关量信号，通过隔离安全栅传输到安全场合，输出方式有继电器或集电极输出方式，同时可进行正、反作用选择。第6章 自控设计6.1 确定控制方案根据工艺控

17、制要求，如动作顺序、动作条件、必要的保护和联锁、操作方式（手动、自动、连续、顺序等）等。本次设计的控制方案为串级控制系统。6.2 设计单回路控制图单回路图内容包括：仪表所在区域、仪表型号、仪表工艺位号、仪表端子号、仪表辅助设备、连接电缆号、端子号等，具体标准请参照自控专业工程设计用图像符号和文字代号。 同时应注明仪表的供电电压、功率、电源开关位号、保险丝规格等参数。本次的设计单回路控制图见附图1。6.3 确定PLC控制器类型根据系统I/O规模、控制周期、存储器容量选择PLC的控制器（CPU）。1、首先确定I/O规模、控制功能、通讯能力确定使用S7-300系统。2、在根据CPU的扩展能力、存储容

18、量选择适当的控制器（CPU）。6.4 电源分配1、统计本盘柜内电源开关数量，设计本盘柜内电源系统图。注意不要遗忘本盘柜内的照明设备、温控设备、维修插座等，另外还要至少保留10%余量。2、将电源系统的分路开关或保险连接到各控制回路。3、根据各控制回路电源容量为电源系统图各分路开关、或保险计算容量参数。一般设备为其额度电流的120%，含有开关电源的设备为其额度电流的200%，总开关电流等于电流总和的120%。另外使用断路器或空开时，应标明是直流还是交流开关。应有一台机柜包含系统电源柜功能，除了为本柜供电以外，还要含有系统总电源开关；UPS回路、操作站、各机柜分开关；现场设备等隔离开关。如果系统较大

19、应设立独立电源柜。结 论本次课程设计的题目是列管式换热器自控设计，它是一个系统的综合的专业设计，是我们通过自己所学知识运用到实践的一次极其有意义的活动。这次的课程设计让我们更加深刻的体会到自动控制原理和工业过程控制原理所讲述的很多知识的魅力。通过本次练习，巩固和深化我们所学的理论知识，增强了我们的独立分析和解决工程实际问题的能力，让我们对自己学的知识有了一个工程上的概念，知道了工程设计与应用的步骤及考虑问题的方向。同时，综合设计也培养学生综合应用所学的控制理论、自动化仪表、控制工程等知识进行工程设计的能力，提高视图、制图和使用相关工程技术资料的能力。这次难得的机会让我能独自进行列管式换热器的设

20、计，我了解了自己对专业知识的掌握的不足，不能够将书本的理论知识灵活运用到本次课程设计中。三周的课程设计了解自己的不足同时也是认识到作为一个设计者该有的态度和精神。设计者该有严谨的态度和不屈不挠坚毅品格。要以严谨的态度去对待，争取作到最好。遇到难题时，要积极发问，培养自己的团队合作能力。参考文献1 彭英杰. AutoCAD2008中文版完全实战M.机械工业出版社, 2007.22 王树青等工业过程控制工程M 北京：化学工业出版社，2003.13 陆德民石油化工自动控制设计手册M 北京：化学工业出版社，1988.34 吴忠仪表股份有限公司. 直行程调节阀技术参数（A）5 simatic S7-300可编程序控制器（A）产品目录. 07/20056 张宏建，蒙建波自动检测技术与装置M 北京：化学工业出版社，2004.77 胡寿松. 自动控制原理M. 北京：科学出版社, 2003.2附 录附录1工艺流程控制图附图1 工艺流程控制图附录2 数字接线图附图2 数字接线图附录3 电源模块图附图3 电源模块图附录4 模拟接线图附图4 模拟接线图