常压炉控制系统设计.docx
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常压炉控制系统设计
目录
第1章计算机辅助设计简介1
1.1发展历程1
1.2基本技术1
1.3定义2
1.4基本功能2
1.5用途简介3
第2章常压炉系统流程4
2.1工艺流程图4
2.2工作过程5
2.3回路干扰因素5
2.4回路控制方案6
第3章节流装置的计算方法8
3.1概述8
3.2常压加热炉燃料油指示FI21308
第4章调节阀的计算10
4.1调节阀的选型10
4.2调节阀口径计算10
4.3常压加热炉燃料油调节THC2115A11
第5章计算程序13
5.1常压加热炉燃料油指示FI2130节流装置的计算迭代程序13
5.2原油缓冲罐压力阀PV-101的计算迭代程序13
结论与体会14
参考文献15
附录16
第1章计算机辅助设计简介
1.1发展历程
人类在表达思想、传递信息时，最初采用图形，后来逐渐演化发展为具有抽象意义的文字。
这是人类在信息交流上的一次伟大革命。
在信息交流中，图形表达方式比文字表达方式具有更多的优点。
一幅图纸能容纳下许多信息，表达内容直观，一目了然，在不同的民族与地区具有表达思想的相通性，而往往可以反映用语言、文字也难以表达的信息。
工程图是工程师的语言。
绘图是工程设计乃至整个工程建设中的一个重要环节。
然而，图纸的绘制是一项极其繁琐的工作，不但要求正确、精确，而且随着环境、需求等外部条件的变化，设计方案也会随之变化。
一项工程图的绘制通常是在历经数遍修改完善后才完成的。
在早期，工程师采用手工绘图。
他们用草图表达设计思想，手法不一。
后来逐渐规范化，形成了一整套规则，具有一定的制图标准，从而使工程制图标准化。
但由于项目的多样性、多变性，使得手工绘图周期长、效率低、重复劳动多，从而阻碍了建设的发展。
于是，人们想方设法地提高劳动效率，将工程技术人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，集中精力从事开创性的工作。
例如，工程师们为了减少工程制图中的许多繁琐重复的劳动，编制了大量的标准图集，提供给不同的工程以备套用。
工程师们梦想着何时能甩开图板，实现自动化画图，将自己的设计思想用一种简洁、美观标准的方式表达出来，便于修改，易于重复利用，提高劳动效率。
随着计算机的迅猛发展，工程界的迫切需要，计算机辅助绘图（ComputerAidedDrafting）应运而生。
早期的计算机辅助设计系统是在大型机、超级小型机上开发的，一般需要几十万甚至上百万美元，往往只有在规模很大的汽车、航空、化工、石油，电力、轮船等行业部门中应用，工程建设设计领域各单位则难以望其项背。
进入80年代，微型计算机的迅速发展，使计算机辅助工程设计逐渐成为现实。
计算机绘图是通过编制计算机辅助绘图软件，将图形显示在屏幕上，用户可以用光标对图形直接进行编辑和修改。
由微机配上图形输入和输出设备（如键盘、鼠标、绘图仪）以及计算机绘图软件，就组成一套计算机辅助绘图系统。
由于高性能的微型计算机和各种外部设备的支持，计算机辅助绘图软件的开发也得到长足的发展。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。
1.2基本技术
主要包括交互技术、图形变换技术、曲面造型和实体造型技术等。
在计算机辅助设计中，交互技术是必不可少的。
交互式CAD系统，指用户在使用计算机系统进行设计时，人和机器可以及时地交换信息。
采用交互式系统，人们可以边构思、边打样、边修改，随时可从图形终端屏幕上看到每一步操作的显示结果，非常直观。
图形变换的主要功能是把用户坐标系和图形输出设备的坐标系联系起来；对图形作平移、旋转、缩放、透视变换；通过矩阵运算来实现图形变换。
计算机设计自动化计算机自身的CAD，旨在实现计算机自身设计和研制过程的自动化或半自动化。
研究内容包括功能设计自动化和组装设计自动化，涉及计算机硬件描述语言、系统级模拟、自动逻辑综合、逻辑模拟、微程序设计自动化、自动逻辑划分、自动布局布线，以及相应的交互图形系统和工程数据库系统。
集成电路cad有时也列入计算机设计自动化的范围。
1.3定义
计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称CAD。
在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。
在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成；由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。
CAD能够减轻设计人员的劳动，缩短设计周期和提高设计质量。
1.4基本功能
平面绘图能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。
绘图辅助工具AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等。
正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。
编辑图形AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。
标注尺寸可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。
书写文字能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。
图层管理功能图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。
三维绘图可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。
网络功能可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。
数据交换AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。
图1-1AutoCAD的操作界面
1.5用途简介
AutoCAD之所以成为一个功能齐全、应用广泛的通用图形软件包。
首先它是一个可视化的绘图软件，许多命令和操作可以通过菜单选项和工具按钮等多种方式实现。
而且Auto—CAD具有丰富的绘图和绘图辅助功能，如实体绘制、关键点编辑、对象捕捉、标注、鸟瞰显示控制等，它的工具栏、菜单设计、对话框、图形打开预览、信息交换、文本编辑、图像处理和图形的输出预览为用户的绘图带来很大方便。
其次它不仅在二维绘图处理更加成熟，三维功能也更加完善，可方便地进行建模和渲染。
另外，AutoCAD不但具有强大的绘图功能，更重要的是它的开放式体系结构，赢得广大用户的青睐。
第2章常压炉系统流程
2.1工艺流程图
图2-1常减压装置常压炉控制工艺流程图
2.2工作过程
燃料油流量发生波动，干扰作用于副环，开始阶段因炉膛容积较大，故被加热介质出口温度暂不变化，主调节器因检测不到过程PV值的变化而输出不变；但流量调节器因过程量改变输出一调节信号至阀来克服燃料油量的波动，迫使燃油量逐渐向原给定方向靠近，故此阶段完全等同于单回路调节。
虽然流量的干扰经副环得到了初期和主要的克服，但不可能得到完全解决，一定时间后，燃料油变化通过温度对象渐渐影响介质出口温度，这样主调节器必然进入调整状态，通过改变副调节器的给定，副调在PV和SV值的同时变化中克服燃油波动的作用更加迅速和强大，最终使出口温度回至起初的设定上。
被加热介质流量、介质热焓及燃料气压力和流量的波动、空气流量和温度、湿度、火嘴物理性能等发生变化，当这些干扰进入主回路中，使炉出口温度受干扰影响而变化，这样，温度调节器就因偏差e1≠0而产生输出变化量来克服干扰作用对被控变量的影响，继而使流量调节器的偏差e2不为零，产生控制输出来改变阀开度，调节的最终目的使温度回至给定值。
无论干扰进入主回路还是副回路，控制的手段都是通过阀的调节作用来主动实施反干扰。
当主、副回路同时受到干扰作用时，即燃料油流量和温度都发生变化，若被加热介质流量增加，而燃油量减小，这时主调节器输出增大，两者产生给流量调节器的输入偏差同向，使阀门开度有较大的增加；若燃料气量减小，而燃料油量增加，这时温度调节器输出使副环SV增加，而因燃油量增大副调节器PV增加，这时调节器则根据总的偏差正负来决定输出是增大还是减小阀门的开度；若两者过程变量都增加，则温度调节器（反作用，阀选风开）输出减小，加之流量调节器过程PV值增加，使控制作用迭加后阀开度大为减小，较大幅度地克服干扰对过程的影响。
2.3回路干扰因素
主回路干扰有被加热介质流量、热焓、高低压瓦斯气压力、流量波动、炉膛压力以及空气流量和温度、火嘴物理性能、雾化蒸汽等变化；副回路有燃料油压力、热值、组分变化等干扰。
以下就主要干扰环节进行分析。
（1）炉膛容积大，温度反应滞后
当火嘴燃烧或分支进料发生变化时，炉总出口温度反应通常比较滞后。
通过调节阀来调节燃料油或高瓦流量时，存在着在同时调节东、西燃料室内火嘴燃烧，这样在保持炉出口温度一定的情况下，东、西辐射室四路分支温度不可避免出现了偏差。
（2）燃料气压力、组分等波动大
两台加热炉还承担着平衡整个干气管网压力的作用，当系统用量或管网压力发生变化时，需要经常对高瓦火嘴燃烧量进行调整，即增点或熄灭火嘴。
虽然常炉设有高瓦流量单回路调节，但是为了减少系统压力波动对常压炉的影响，平时用手动调节。
（3）燃料油压力波动大
燃料油主要来自于减压塔底，受液面指示滞后（减底液面计为浮球，反应时间偏大）和渣油出装置的影响，燃料油系统压力一直不够稳定。
渣油出装置流量完全依靠手动操作，在手动提降量时，燃料油压控反应强烈。
常常因为调节不及时，造成炉出口温度出现大的波动。
（4）燃料油调节阀选型偏大
常压炉燃料油流量调节阀选型偏大。
在串级控制过程中时常出现调节阀过分截流引起在用火嘴燃烧工况变差或熄灭、漏油。
2.4回路控制方案
加热炉平稳操作是整个常减压装置生产正常运行的必要保证。
出口温度是加热炉工艺生产的主要控制指标，是串级调节中起主导作用的被控参数；副参数是影响主参数的主要变量，能被定为副参数的变量较多，副参数选择要根据对主参数影响程度来确定。
由于改造后的常压炉热负荷大、炉膛容积大、系统干扰因素多、调节控制难度大，故以常炉作为研究对象，并根据以上存在的问题，提出改变副变量法和前馈补偿法解决措施。
（一）改变副变量
目前常压炉系统控制回路的副变量采用燃料油流量，将燃料油压力作主要干扰因素，方案上同阀后压力控制类似，副回路控制通道短、时间常数小，这样对燃料油压力等引起的流量变化控制作用及时。
根据串级控制回路副环自身的特点，副回路应包含对主变量影响最严重、最频繁、较可能多的干扰。
当燃料油压力不成为主要干扰时，若副变量选用炉膛温度，则能将燃料油流量、组分、热值及火嘴物理性能等干扰纳入副环。
根据常炉的结构特点，炉膛温度取值方案有多种，以下提出几种方法：
（1）两点平均法
（2）加权法
（二）前馈补偿法
当燃料油压力波动成为主要干扰时，副变量采用炉膛温度，则副对象滞后较大。
采用燃油流量时，由于高、低压瓦斯干扰在副回路之外，须通过补偿方法来克服干扰。
气相瓦斯相对燃料油其热值较低，I常加热炉系统使用的瓦斯气作为工艺调节手段来使用，燃料气存在可测、不可控、在干扰中对被控变量的影响较其它参数显著，故具有作前馈补偿的条件。
正常生产中将燃料气回路置于“手动”。
实际中管网燃料气有波动，因炉体容积大，对象时间常数大，受到干扰后，表现不很明显。
同时主调节参数是温度变量，对象存在容量滞后，惯性大，造成过程调节缓慢。
燃料气前馈补偿的方块图如图2-2所示。
图2-2燃料气前馈―串级控制方块图
利用前馈加串级控制方法，干扰通道对过程的影响正好与前馈补偿和对象调节通道的乘积相抵消。
只要前馈函数设置合理，实现近似完全补偿是可行的。
带有前馈补偿控制回路的控制器输出为前馈作用和反馈作用的迭加，是按干扰进行补偿和偏差调节的结合。
前馈补偿力求在任何时刻均实现对扰动影响的补偿，使高、低瓦斯对被调量的影响大大降低。
对燃料气施行前馈补偿，使控制作用和干扰作用对被控参数的影响大小相等，方向相反。
第3章节流装置的计算方法
3.1概述
GB/T2624-1993全称为《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量》。
国内的压差流量计经历了仿制、统一标准设计和自行设计等阶段：
我国1959年由国家推荐的苏联27-54规程作为我国的暂行规程。
1993年2月3日由国家技术监督局批准GB/T2624-1993代替GB2624-1981，1993年8月1日实施。
该标准第一次等效采用ISO5167（1991）与国际接轨，标志着我国现行的标准节流装置，在推广采用国际标准上的研究成果、提高测量精度方面，以取得了突破性的进展。
GB/T2624-1993主要特点有：
（1）以流出系数Kv代替流量系数α；Kv值的计算中的β降阶计算由原流量系数α0计算中的最高阶β20降至流出系数Kv计算中的最高阶β8次幂。
（2）提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。
（3）提出迭代计算方法，给出计算机计算程序框图。
（4）差压上限不再计算，而要由用户自行选定，要求设计者有更多的经验。
（5）管道粗糙度不再参加计算，而是在计算结果出来后验证。
在GB/T2624-1993中规定的标准节流装置有以下几种：
标准孔板：
角接取压；法兰取压；径距取压（D-D/2）。
标准喷嘴：
ISA1932喷嘴；长颈喷嘴。
文丘里管：
文丘里喷嘴；经典文丘里管。
3.2常压加热炉燃料油指示FI2130
表3-1常压加热炉燃料油指示FI2130标准节流装置设计参数表
常压加热炉燃料油指示
被测介质：
燃料油
管径：
¢114×4
最大流量：
0.43m3/h
工作温度：
30oC
工况密度：
780kg/m3
工作压力：
1.3Mpa
工况粘度：
2.46CP
管道直径：
50mm
标准孔板法兰取压
使用Matlab7.0编制标准截流装置的计算迭代程序，结果在workspace中以矩阵形式输出。
加热炉燃料流量FI2130标准截流装置的计算迭代程序所示。
计算结果：
表3-2常压加热炉燃料油指示FI2130标准截流装置迭代数据表
1
2
3
4
5
6
7
8
x
0.64034
0.52086
0.53203
0.5321
0.5321
0.5321
0.5321
0
b
0.73434
0.67967
0.68534
0.68538
0.68538
0.68538
0.68538
0
c
0.606
0.74547
0.72779
0.72969
0.7297
0.7297
0.7297
0.7297
E
0
0
0.00015926
3.1135e-6
-3.987e-8
6.6788e-10
1.5663e-12
0
g
-0.089307
0.0092012
6.1802e-5
1.2082e-6
-1.5471e-8
2.5917e-10
6.0779e-13
0
辅助计算
（1）求工况下管道直径
=0.1007m
管道内径（
下实测值），
管道材料热膨胀系数，
被测介质温度
（2）求雷诺数
971.819
最大质量流量，
工作状态下粘度
（3）求
0.016MPa
=2.378
2.初值计算
（1）求
设：
=0.6060，
=1，令
=3.924又
=0.98439
（2）求
C1=0.5959+0.0312β12.1—0.1840β18=0.463847124
（3）精确度判断
=0.413399
0.682177
0.597777
0.998298
=0.557863885
=1.23e-2,达到了精度要求，无需迭代。
3．计算结果求得：
、
＝0.099128m，求
＝0.098445m
第4章调节阀的计算
4.1调节阀的选型
调节阀又称控制阀，是执行器的主要类型，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。
调节阀一般由执行机构和阀门组成。
如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质（如油等）压力为动力的电液动调节阀，另外，按其功能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。
调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。
一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。
（1）从使用功能上选阀需注意的问题
①调节功能
②泄漏量与切断压差
③防堵
④耐蚀
⑤耐压与耐温
⑥重量与外观
（2）综合经济效果确定阀型
①高可靠性。
②使用寿命长。
③维护方便，备品备件有来源。
④产品价格适宜，性能价格较好。
（3）调节阀型式的优选次序
根据上述观点，特提供调节阀的优选次序如下：
①全功能超轻型调节阀→②蝶阀→③套筒阀→④单座阀→⑤双座阀→⑥偏心旋转阀→⑦球阀→⑧角形阀→⑨三通阀→⑩隔膜阀。
在这些调节阀中，我们认为应该尽量不选用隔膜阀，其理由是隔膜是一个极不可靠的零件，使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。
4.2调节阀口径计算
从调节阀的Kv计算到阀的口径确定，一般需经以下步：
①计算流量的确定。
现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的Qmax和Qmin。
②阀前后压差的确定。
根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S（阻力系数），再确定计算压差。
③计算Kv。
根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得Kvmax和Kvmin。
④选用Kv。
根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取〉Kvmax且与其最接近的一级C。
⑤调节阀开度验算。
一般要求最大计算流量时的开度〉90%，最小计算流量时的开度〈10%。
⑥调节阀实际可调比的验算。
一般要求实际可调比〈10。
⑦阀座直径和公称直径的确定。
验证合适后，根据C确定。
4.3常压加热炉燃料油调节THC2115A
表4-1常压加热炉燃料油调节THC2115A设计参数
常压加热炉燃料油调节THC2115A设计任务书
被测介质：
燃料油
最大流量：
0.43m3/h
阀前压力：
14（绝）kgf/cm2
阀后压力：
13.5（绝）kgf/cm2
工况密度：
780kg/m3
工况粘度：
2.46CP
工作温度：
130℃
管道内径：
50mm
选用双座V型直通阀，查得压力恢复系数为0.9。
C=187.7731465254733
查表得THC2115A的公称通径：
DN=100mm。
C值计算步骤：
1.选定调节阀的类型，并据此查表得到压力恢复系数
根据已知条件可选单座阀（JP）,压力恢复系数
=0.90
2.按下式计算液体的临界压力比系数
：
=0.96-0.28
=0.8952
3.判断流体是否为阻塞流
经判断为非阻塞流，按SI制
33.80
液体体积流量
被测介质工况密度
阀前压力
阀后压力
4.根据需要对C值进行低雷诺数修正
计算调节阀雷诺数Red
Red
59474
液体体积流量
运动粘度
5.由
即得：
选调节阀的口径为190mm。
6.结论
选定单座阀（JP），取为选定口径，非阻塞流工况，不作噪声预估。
第5章计算程序
5.1常压加热炉燃料油指示FI2130节流装置的计算迭代程序
见附录1。
5.2原油缓冲罐压力阀PV-101的计算迭代程序
见附录2。
结论与体会
两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的指导老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
参考文献
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化工部自控技术中心站，1991.
[2]董德发，张天春.自控工程设计基础[M].大庆：
大庆石油学院，1999.
[3]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：
化学工业出版社，2003.
[4]王化祥.自动检测技术[M].北京:
化学工业出版社,2004.
[5]郑阿奇,徐文胜.AUTOCAD实用教程[M].北京:
电子工业出版社,2003.
附录
附录1：
常压加热炉燃料油指示FI2130迭代程序
clear;
clc;
D=114-2*4;%
gm=1*500/（273/（273+20））;%（20'C）
gmmin=1*400/（273/（273+20））;%（20'C）
gmmax=1*650/（273/（273+20））;%（20'C）
t=10;%工况温度（'C）
u=0.0085*0.001;%工况粘度（Pa/s）
lmd=0.000012;%孔板膨胀系数
rd=0.000011;%管道膨胀系数
p=2;%工况密度（p20=1kg/m^3）
P=0.3*1000000;%工作压力（Pa）
k=1.315;%等墒指数
b=zeros（1,10）;c=zeros（1,11）;E=zeros（1,10）;x=zeros（1,10）;g=zeros（1,10）;
e=zeros（1,10）;
c（1,1）=0.6060;
e（1,1）=1;
red=0.354*gm/（D*u）;
B=（1000000/red）;
L=（25.4/D）;
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