氨冷却器出口温度控制系统.docx
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氨冷却器出口温度控制系统
辽宁工业大学
过程控制系统课程设计（论文）
题目：
氨冷却器出口温度控制系统的设计
院（系）：
专业班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间：
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
教研室：
学号
学生姓名
专业班级
设计题目
氨冷却器出口温度控制系统的设计
课程设计（论文）任务
设计任务
工业中，氨冷却器是利用液氨汽化吸收大量的热来冷却热物料的，工艺要求冷物料的出口温度为135±1℃，同时气氨不能带液，否则将危机氨压缩机的安全，所以当液位达到75%时，就应该采取软保护措施。
试设计氨冷却器出口温度控制系统。
设计要求
1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；
2、选择传感器、变送器、控制器、执行器（阀），给出具体型号和参数；
3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和开闭形式；
4、进行模拟调试或仿真
5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
测量范围：
温度0～200℃；液位0-4米
控制温度：
135±1℃；
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。
（2天）
2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。
（1天）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。
（2天）
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式（1天），调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。
（1天）
5、上机实现系统的模拟运行或仿真、答辩。
（2天）
6、撰写、打印设计说明书（1天）
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
指导教师签字：
总成绩：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
本文的物料冷却过程主要是借助于氨冷却器来实现的，氨冷却器是利用液氨气化吸收热量，使温度下降来冷却物料这一原理进行的。
液氨在氨冷却器中气化需要一定的时间，氨冷却器在某一液位高度上气化面积为最大。
因此，当液氨高度超过安全液位高度后，气氨有很大可能夹带液氨输出，进去氨压缩机从而损坏压缩机。
正常情况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。
增加液氨量，经液氨的蒸发，使出口温度下降。
如果液位上升到安全上限液位仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器。
一旦温度下降，温度控制器就自动取代液位控制器，系统恢复到正常状况。
因此为了达到生产过程对控制系统的要求，本文在简单温度控制系统的基础上需要加上一个液位控制系统，构成选择性控制系统。
关键字：
氨冷却器；出口温度；安全上限液位；选择性控制系统
第1章绪论
氨冷却器是工业生产中用的很多的一种换热设备，它利用液氨的蒸发吸取大量的气化热，来冷却流经管内的被冷却物料。
通常需要被冷却物料出口温度稳定。
此时液氨液位在一定允许范围内。
而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的安全上限的，所以需要使用选择控制方法，通过对液位的检测，来判断液位高度是否工作在正常情况，在正常情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统，二者的切换通过低值选择器自动根据工况实现。
本文设计主回路采用了温度控制系统，在正常工况下系统的输出物料进行控制。
随着系统的正常工作运行，液位会逐渐升高，当升高到超出安全限制的时候。
很可能发生事故，对系统加以液位控制系统，则会避免事故的发生，即会组成温度液位选择性控制系统。
当液位超过限制的时候，系统立即切换到液位控制系统，限制液位的升高。
当系统稳定后，再次切换到温度控制系统，进行正常情况下的系统输出。
由于本次任务的要求，同时对温度和液位进行检测和控制，单一控制回路无法满足任务的要求，双回路控制成了任务的目标控制系统。
由于温度是主被控量，液位过高又容易发生事故，所以将液位作为副被控量进行检测，当液位超过限制的时候，系统应立即降低液位，以保证系统的安全运行，即选用温度液位选择性控制系统。
第2章课程设计的方案论证
2.1概述
氨冷却器是工业生产中用的很多的一种换热设备，它利用液氨的蒸发吸取大量的气化热，来冷却流经管内的被冷却物料。
通常需要被冷却物料出口温度稳定。
此时液氨液位在一定允许范围内。
而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的上限的，所以需要使用选择性控制系统，通过对液位的检测，来判断液位高度是否工作在正常情况，在正常情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统，二者的切换通过低值选择器实现。
2.2系统方案论证
工艺上要求被冷却物料的出口温度稳定为某一定值，所以将被冷却物料的出口温度作为被控变量，以液态氨的流量为控制变量，构成正常工况下的单回路温度控制系统如图2.1所示。
从安全角度考虑，当无压力信号时调节阀必须关闭，避免液位超过上限损坏压缩机，因此调节阀选用气开式，又由于液氨流量越大，出口温度越小，因此根据回路必须符合负反馈的特性，所以温度控制器选择正作用方式。
这一控制方案实际上是基于改变换热器列管淹没在液态氨中的多少，以改变传热面积来达到控制温度的目的。
所以液面的高度也就间接反映了传热面积的变化情况。
图2.1温度控制系统
在正常的工况下，操纵液氨流量使被冷却物料的出口温度得到控制，而液位在允许的一定范围内变化。
如果突然出现非正常工况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。
如果当液位升高刀全部淹没换热器的所有列管时，传热面积以达到极限，出口温度任没有降下来，温度控制器会不断的开大调节阀门，使液位继续升高。
这时就可能导致生产事故。
这时因为气化氨要经过压缩机后，变成液态氨重复使用，如果液位太高，会导致氨中夹带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。
为了保护压缩机安全，要求氨蒸发器有足够的气化空间，这就限制了氨液面的上限高度（安全软限），这是根据工艺操作所提出的限制条件。
为此，需要在温度控制系统的基础上，增加一个液位控制系统取代温度单回路控制系统，如图2.2所示。
显然，从工艺上看，控制变量只有液氨的流量一个，而被控变量却有温度和液位两个，从而形成了对被控变量的选择性控制系统。
由于液氨流量越大，液位越高，根据回路必须符合负反馈的特性，所以液位调节器为反作用。
图2.2温度液位选择性控制系统
2.3系统组成总体结构
根据以上对液态氨冷却器的工艺分析，可以画出整个系统的原理框图如图2.3所示。
图2.3氨冷却器控制系统结构框图
第3章各种仪表的仪器设计
3.1传感器的选择设计
3.1.1温度传感器
在本文中，温度传感器选用的是如图3.1所示的铂热电阻PT100。
图3.1铂热电阻PT100
技术参数：
标准化输出信号：
0mA-10mA和4mA-20mA（或1V~5V）的直流电信号
温度的采集范围：
-200℃～+200℃
湿度采集范围是：
0%～100%
3.1.2液位传感器
在本文中，液位传感器选用的是如图3.2所示的CR-602电容式液位计。
图3.2CR-602电容式液位计
CR-602系列高温高压液位计，适用于工业生产过程中各种高压设备、容器中液位（物位）的连续性测量，变送输出4-20mA直流标准信号，可直接用于电Ⅲ型仪表及计算机联接使用、自动控制等。
探极采用特殊材料可在250℃环境下长期工作，独创的自动密封结构，压力越大密封越严，完全杜绝介质的泄露。
技术参数：
检测范围：
0.01～5m
精度:
0.5级
承压范围:
-0.1MPa～32MPa
探极耐温:
-50～250℃
输出信号:
4～20mA
供电电压:
12～28VDC
3.2控制器的选择设计
3.2.1温度调节器
在本文中，温度调节器选用的是如图3.3所示的SH300高温温度调节器。
图3.3SH300高温温度调节器
技术参数：
操作方便、抗干扰能力强
控温范围：
0~300℃
负载电流：
7A
仪表电源：
AC220V±15%
环境温度：
-20℃~70℃
相对湿度：
20%-85%
3.2.2液位调节器
在本文中，液位调节器选用的是如图3.4所示的COLL-106高温液位调节器。
图3.4COLL-106高温液位调节器
技术参数：
输入电源：
115V或230V50/60Hz（标准）12或24VDC（可选）
输出：
10ADPDT继电器（标准）4-20mA
温度范围：
探头-40-288℃
3.3执行器的选择设计
在控制系统的设计中，调节阀的选择是一个重要的问题。
选用调节阀时，一般应考虑以下几个方面。
1.调节阀结构的选择
调节阀的结构形式主要根据工艺条件，如使用温度、压力及介质的物理、化学性质来选择。
由于液氨是一种化学物质且是液体，易泄露而危害人体健康，所以为了防止其泄露，系统将选用单通单座阀，它的优点就是关闭时比较严密，可以做到不泄露。
2.气开式与气关式的选择
无压力信号时阀全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀为气
关式。
反之，无压力信号时阀全闭，随着压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式。
气开、气关的选择原则是：
从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。
根据本文的要求，当液位达超过75%时，气氨容易带液，将会危机氨压缩机的安全，所以系统将选用气开式调节阀。
3.调节阀的流量特性
在阀门的固有流量特性之中，常用的调节阀有三种。
一是直线流量特性，直
线阀在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。
也就是说，当阀门在小开度时控制作用强；而在大开度时控制作用弱。
二是等百分比流量特性，等百分比阀门在小开度时控制作用和大开度时控制能力相等。
三是快开特性，阀门开度较小时，流量变化迅速，随着开度增加，流量很快达到最大值。
由于本文系统在液位达到75％时需要迅速调节阀门大小来降低液位，所以选择能迅速启闭的切断阀，即选用具有快开特性的阀门。
因此本文选用如图3.5所示的直通球形单座调节阀WT-1100。
图3.5直通球形单座调节阀WT-1100
3.4选择器高低值型式的选择
在本文中，低值选择器选用的是如图3.4所示的QFZ-100气动低值选择器
图3.5QFZ-100气动低值选择器
技术参数：
测量精度:
1级
输入、输出气压信号：
20～100Kpa
环境温度范围：
5-50℃
湿度范围：
10-90％
气管接头：
M10×1
选择器在选择性控制系统中是重要的部件，它的功能相当于一个二选一的开关，它接受正常调节器的输出信号a和取代调节器的输出信号b，其输出信号c去驱动执行器。
高值选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值作为输出。
看上去问题较简单，但针对一个实际系统如何确定选择器高低值型式呢?
我们首先统计工业生产过程可能出现的情况，做出选择器高低值选择的表格，如表3.1所示。
液位调节器回路
温度调节器回路
气开阀
气关阀
正作用
反作用
正作用
反作用
气
开
阀
正作用
高值
高值
反作用
低值
低值
气
关
阀
正作用
低值
低值
反作用
高值
高值
表3.1选择器型号选择统计表
该表格是根据温度调节器回路的静态特性和液位调节器回路的静态特性联合考虑的。
表中打的
是指不可能出现的组合。
如温度调节器回路的调节阀为气开式，调节器
为正作用；液位调节器回路的调节阀也为气开式，液位调节器
为反作用，因此选用低值选择器。
第4章控制规律
目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。
选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。
下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。
比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出P与输入偏差e（实际上是指它们的变化量）之间的关系为：
比例控制器的可调整参数是比例放大系数或比例度
，对于单元组合仪表来说。
它们的关系为：
比例控制器的特点是：
控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。
当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。
但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。
负荷变化越大，余差就越大。
比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。
比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。
它的输出p与输人偏差e的关系为：
比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数和积分时间
。
比例积分控制器的持点是：
由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。
所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是它的显著优点。
但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。
比例积分控制器是使用最普遍的控制器。
它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。
例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。
比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。
理想的PID控制器，其输出P与输入偏差e之间具有下列关系：
比例积分微分控制器的特点是：
微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。
在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。
所以，适当调整
、
、
三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。
比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。
对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。
针对本文的温度液位选择性控制系统，由于系统要求出口温度必须恒定在135±1℃，所以温度控制器不能有偏差存在，又因为当液位达到75％时，需快速的切换到液位控制系统上对液位进行控制，以避免损坏压缩机，因此在时间上不能有过大的滞后。
综合以上系统要求，本文的温度控制器采用比例积分控制规律，液位控制器采用比例积分微分控制规律。
第5章系统仿真
对于本文的氨冷却器出口温度控制系统，当氨冷却器液氨液位小于75％时，选择温度控制，否则为液位控制，假设该系统被控对象的传递函数为
设计一个液位温度选择性控制系统，系统框图如图5.1所示
图5.1系统方框图
根据对被控变量的选择性控制系统的方框图，建立如图5.2所示的仿真框图。
其中PIDController和PIDController1模块的参数分别设置为Kc、Ki、
和Kc1、Ki1、Kd1，模块Step模拟温度输入，Step1模拟液位输入，Switch为选择器。
当输入小于阈值时，选择输入下端口3进行温度控制，否则选择输入上端口1进行液位控制。
模块Step2与Step3叠加，模拟干扰信号。
系统仿真如图5.2所示。
图5.2系统仿真图
在时间t=50~60之间加入幅值为0.5的干扰信号，此时若无保护回路作用，得到如图5.3所示的抗干扰特性曲线。
假设选取选择器的阈值为1.1，再引入液位控制回路，可得如图5.4所示的温度液位选择性控制系统的抗干扰特性曲线。
图5.3干扰作用下温度控制回路响应图5.4温度液位选择性控制系统响应曲
比较以上两图，可以看出单独的温度控制系统在干扰作用下超调量较大，引入液位保护控制回路后的温度液位选择性控制系统的超调量明显减少，使系统的稳定性得到提高，保证了氨冷却器出口温度的稳定，也使液位能得到稳定的控制。
第6章课程设计总结
本次设计主要针对于工业生产中比较常用的冷却装置-氨冷却器。
此装置利用了液氨的蒸发吸热来冷却物料。
在工作的同时，为保证质量，需要出口温度保持在一定的稳定值，同时要求液氨的液位不能超出安全软限，防止液氨进入压缩机损坏设备。
通过对生产要求的出口温度设计，到安全因素的安全上限液位控制系统，在满足两方面的要求下设计温度液位选择性控制系统。
设计完成后在对设备的变送器、控制器、执行器、选择器进行筛选设计，然后进行实际的SIMULINK建模仿真、MATLAB仿真来完成模拟实际操作，找出不足之处。
从而来对整个设计进行完善。
任务的规划，资料的收集以及对系统的实际仿真完成了整个设计，满足了所需要的条件，达到了基本的氨冷却器的工作允许要求，并且稳定到了允许的误差范围内。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的综合素质。
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