管式熱裂解反應器出口溫度單回路控制系統(tǒng)

希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX1管式熱裂解反應器概述及控制方案管式熱裂解反應器是主要用于烴類熱裂解的反應裝置。烴類熱裂解過程是指石油烴類原料(天然氣、煉廠氣、油田氣、汽油和重油）在高溫（700-1000℃）、隔絕空氣的條件下發(fā)生分解反應而生成碳原子數(shù)較少、相對分子質量較低的三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）、三苯（苯、甲苯和二甲苯）等短褳烴的化學過程。管式反應器從結構上可以分為單管反應器和多管反應器，多管反應器是將多個管式電反應單元并聯(lián)組裝成電反應器；可以是空管，如管式裂解爐，也可以是在管內填充顆粒狀催化劑的填充管，以進行多相催化反應，如列管式固定床反應器。管式反應器結構簡單、加工方便，耐高壓、傳熱面積大，特別適用于強烈放熱和加壓下的反應。管式應器還具有容易實現(xiàn)自動控制、節(jié)省動力、生產能力高等特點，因此廣泛用于氣相、均液相、非均液相、氣液相、氣固相、固相等反應過程。為保證管式反應器內具有良好的傳熱與傳質條件,使之接近于理想反應器，一般要求流體在管內作高速湍流運動。熱裂解的原理：烴類熱裂解的過程十分復雜，不僅裂解原料發(fā)生反應，而且生成物還會繼續(xù)反應，同一種烴也會發(fā)生不同的反應。按反應進行的先后順序，可以反應劃分為一次反應和二次反應。本次課程設計是要完成管式熱裂解反應器出口溫度控制系統(tǒng)的設計，采用的是單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的有如下特點：系統(tǒng)結構簡單、易于分析設計，投資少、便于施工，并能滿足一般生產過程的控制要求，因此在生產中得到廣泛的應用。但單回路控制系統(tǒng)也有一些缺點，如系統(tǒng)適用于控制負荷變化較小的被控對象，如果負荷變化較大，無論選擇哪種調節(jié)規(guī)律，簡單控制系統(tǒng)都很難得到滿意控制質量。2管式熱裂解反應器溫度控系統(tǒng)工藝流程及控制要求管式熱裂解反應器的主要任務是把原油或重油加熱到一定溫度，以保證下一道工序（分餾或裂解）的順利進行。反應器的工藝流程為燃料油經過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒，被加熱油料流過爐膛四周的排管中，就被加熱到出口溫度。在燃料油管道上裝設一個調節(jié)閥，用它來控制燃油量以達到調節(jié)溫度的目的。其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都可以用專門的調節(jié)器保持其穩(wěn)定，以便把擾動因素減小到最低限度。從調節(jié)閥動作到溫度改變，這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積，因而反應很緩慢。工藝上對出口溫度要求不高，一般希望波動范圍不超過希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX±1～2%?？刂屏鞒虉D如下所示：反應物CTC出口溫度TCTC圖2熱裂解反應器控制流程圖控制原理為通過控制燃料的進料流量來控制溫度。3系統(tǒng)方框圖的確定根據(jù)控制流程圖和控制要求圖如下：干擾調節(jié)閥反應器溫度控制器T調節(jié)閥反應器溫度控制器—+測量變送元件測量變送元件圖6管式反應器出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖4控制系統(tǒng)設計及參數(shù)的確定4.1控制系統(tǒng)被控變量的選擇（1）溫度調節(jié)器TC是根據(jù)原料的出口溫度與設定值的偏差進行控制。當原料部分出現(xiàn)干擾后，控制系統(tǒng)并不能及時產生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)的影響控制質量差。當生產工藝對原料出口溫度要求很嚴格時，簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX（2）被控變量的選擇：在一個生產過程中，可能發(fā)生波動的工藝變量很多，但并非對所有的變量都要加以控制。一個化工廠的操作控制大體上可以分為三類，即物料平衡控制和能量平衡控制、產品質量或成分控制、限制條件或軟限保護的控制。因而在進行自動控制系統(tǒng)設計時，應深入了解工藝過程，找出對穩(wěn)定生產、對產品的產量和質量、對確保經濟效益和安全生產有決定性作用的工藝變量，或者人工操作過于頻繁、緊張，難以滿足工藝要求的工藝變量，作為被控變量來設計自動控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝過程、工藝特點以及對控制的要求選熱裂解反應器出口溫度，因為要得到穩(wěn)定的出口溫度。（3）操縱變量的選擇：由于種種外部的和內在的因素，對工藝過程的穩(wěn)定運轉必然存在著干擾，因而在進行自動控制系統(tǒng)設計時必須深入研究工藝過程，認真分析干擾產生的原因，正確選擇操縱變量，建立一個合理的控制系統(tǒng)，以確保生產過程的平穩(wěn)操作。根據(jù)操縱變量的選擇原則選擇燃料流量為操縱變量，以保證出口溫度的穩(wěn)定。4.2系統(tǒng)各壞節(jié)分析（1）調節(jié)器PID控制：在溫度控制系統(tǒng)中，常采用PID控制來作為控制規(guī)律，PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為寫成傳遞函數(shù)形式為式中——比例系數(shù)；——積分時間常數(shù)；——微分時間常數(shù)；希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX選擇比例環(huán)節(jié)，一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為，適用于簡單加熱系統(tǒng)，用于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。（2）執(zhí)行器分析在溫度控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器可看作一個比例環(huán)節(jié)。當然，在整個控制過程中執(zhí)行環(huán)節(jié)有一定的滯后作用，可在控制過程中添加一個延遲滯后環(huán)節(jié)。對于在此看作比例環(huán)節(jié)，不妨取比例放大倍數(shù)K=5。延遲滯后環(huán)節(jié)，不妨取延遲時間τ=1。（3）變送器分析在變送檢測環(huán)節(jié)中，當變化量較小時，可將該環(huán)節(jié)看作一個線性環(huán)節(jié)，即同樣可看作是一個比例環(huán)節(jié)，由于檢測變送滯后較小，所以取比例放大系數(shù)K=1。（4）被控變量特性根據(jù)能量守恒定律熱流失去的熱量等于冷流吸收的熱量C1、m1分別為高溫物體的比熱和質量，C2、m2分別為低溫物體的比熱和質量5儀表的選型（1）溫度變送器DZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點：（1）采用國際電工委員會（IEC）推薦的統(tǒng)一信號標準，現(xiàn)場傳輸信號為DC4～20mA，控制室聯(lián)絡信號為DC1～5V，信號電流與電壓的轉換電阻為250。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。（3）整套儀表可構成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī)程進行設計的，而且增加了安全柵，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID變送器主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調節(jié)器接收變送器送來的測量信號(DC4～20mA或DC1～5V），在輸入電路中與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最后由輸出電路轉換為4～20mA直流電流輸出。希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX下圖給出了溫度變送器實物圖：圖3溫度變送器原理框圖（2）執(zhí)行器的選擇：從生產工藝安全出發(fā)，燃料油調節(jié)閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調節(jié)閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安全為了保證。執(zhí)行器可分為氣動、液動和電動執(zhí)行器。氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器，主要特點是：結構簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價格便宜、維修方便、本質防爆、容易做成大功率等。應用廣泛，因此選用氣動執(zhí)行器。圖4氣動執(zhí)行器（3）調節(jié)器的選擇：調節(jié)器是構成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調量的偏差，在根據(jù)一定的調節(jié)規(guī)律產生輸出信號，從而推動執(zhí)行器的工作，對生產過程進行自動調節(jié)。選用SK-808/900智能PID調節(jié)儀，如下圖所示：希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX圖5SK-808/900智能PID調節(jié)儀智能PID調節(jié)儀與各類傳感器、變送器配合使用，實現(xiàn)對溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能PID調節(jié)儀并配合各種執(zhí)行器對電加熱設備和電磁、電動、氣動閥門進行PID調節(jié)和控制、報警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。SK-808/900調節(jié)儀功能特點：萬能輸入功能、自動校準和人工校準功能、手動/自動無擾動切換功能、可選擇適應加熱或制冷的正/反作用、控制輸出信號限幅、智能PID調節(jié)儀采用模糊控制理論和傳統(tǒng)PID控制相結合的方式，使控制過程具有響應快、超調小、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點，對常規(guī)PID難以控制的大純滯后對象有明顯的控制效果、智能PID調節(jié)儀增加了30段程序控制功能等。6Simulink仿真6.1控制系統(tǒng)仿真由以上各參數(shù)確定后可得系統(tǒng)的仿真結構圖，具體參數(shù)整定過程可參見下圖查閱相關資料知，對于流量系統(tǒng)，時間常數(shù)范圍較大，比例度要大，一般不用微分作用，要求較高時才加入積分作用。所以初步令TI=0，TD=0，延遲時間τ=1。圖7系統(tǒng)結構圖希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXXKP=1；TI=0；TD=0；τ=1KP=5；TI=0；TD=0；τ=1KP=10；TI=0；TD=0；τ=1KP=15；TI=0；TD=0；τ=1希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXXKP=20；TI=0；TD=0；τ=16.2對PID參數(shù)的整定由相關資料可知，常用的調節(jié)器參數(shù)整定方法有：經驗試湊法、臨界比例法、衰減曲線法。下面以經驗試湊法為參考對本系統(tǒng)進行參數(shù)整定。經驗試湊法就是根據(jù)被控變量的性質在已知合適的參數(shù)（經驗參數(shù)）范圍內選擇一組適當?shù)闹缸鳛檎{節(jié)器當前的參數(shù)值，然后直接在運行系統(tǒng)中，人為的加上階躍干擾，通過觀察記錄儀表上的過渡過程曲線，并以比例度、積分時間、微分時間對過度過程的影響為指導，按照某種順序反復試湊比例度、積分時間、微分時間的大小，直到獲得滿意的過度過程曲線為止。對于溫度系統(tǒng)，其對象容量滯后較大，被控變量受干擾作用后變化遲緩，一般選用較小的比例度，較大的時間積分。經驗試湊法簡單可靠，容易掌握，使用于各種系統(tǒng)。整定過程如下：KP=4；TI=0；TD=0；τ=1希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXX授課：XXX希望對大家有所幫助，多謝您的瀏覽！授課：XXXKP=4；TI=1；TD=0；τ=1KP=4；TI=3；TD=0；τ=1由上表PID各參數(shù)在不同設定值下的響應曲線結果分析可得，比較理想控制的各參數(shù)整定結果可參考：KP=4；TI=0；TD=0；τ=1。7課程設計總結課程設計已經做完了，從拿到題目，方案的設計到方案的確定，都經過了嚴謹?shù)乃伎?，回路的設計，調節(jié)器的正反作用的確定，被控參數(shù)的選擇，使系統(tǒng)能夠達到設計目的。在設計中，遇到了許多困難，老師對該論文從開始的題目介紹，構思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導,同時，其他的同學，在設計的過程中曾耐心給與幫助，使我得以最終完成這次關于管式熱裂解反應器出口溫度控制系統(tǒng)的設計。我們以前學習的知識都漸漸離我們遠去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。學校安排了這次管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)的課程設計，通過自己查找資料，了解情況，讓我們清楚我們學的知識與現(xiàn)實工業(yè)生產之間的聯(lián)系，使得我們對知識更加了解和鞏固。通過這次設計，我對過程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運用有了深入的認識，對過程控制系統(tǒng)設計步驟、思路有一定的了解與認識。我學到了控制系統(tǒng)的設計方法和步驟，拓展了知識面，了解了工業(yè)工程中控制系統(tǒng)起到的