硫磺尾气氢含量控制系统设计.doc

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辽宁工业大学课程设计说明书（论文）

辽宁工业大学

过程控制系统课程设计（论文）

题目：

硫磺尾气氢含量控制系统的设计

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

测控092班

学号：

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

2012.12.24～2012.1.4

本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

测控技术与仪器

学号

学生姓名

专业班级

测控092班

设计题目

硫磺尾气氢含量控制系统的设计

课程设计（论文）任务

设计任务：

经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右与外补富氢气（外补富氢气由工厂系统供给）混合后进入加氢反应器。

在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。

加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气-气换热器换热冷却后进入急冷塔。

尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。

尾气中的氢含量影响排放指标，试设计氢含量控制系统。

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，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；

4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；

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：

控制目标：

尾气氢含量为2%

控制范围：

尾气氢含量1～3%

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，分散完成）

2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。

（1天，实验室完成）

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，分散完成）

4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。

（实验室1天）

5、上机实现系统的模拟运行、答辩。

（3天，实验室完成）

6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）

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

本科生课程设计（论文）

摘要

在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，流量是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种反应器进行流量控制。

本文分别就硫磺尾气氢含量控制系统工作原理、系统控制方案的确定、流量变送器的选型、调节器的选型、控制算法等几方面进行阐述。

对系统的设计方案进行了深入的分析，比较了单回路系统与串级系统的优缺点，经过严格的选型，最终实现尾气氢含量的良好控制。

通过改善系统控制方案硫磺尾气氢含量控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。

关键词：

串级控制；传感器；调节器；PID调节

目录

第1章绪论 1

第2章系统的方案设计 3

2.1概述 3

2.2系统控制方案选择 3

第3章系统设计 6

3.1流量变送器的选型 6

3.2氢气含量监测仪的选型 6

3.3调节器的选择 7

3.4电气转换器的选择 8

3.5执行器的选择 9

第4章控制规律的选择 10

4.1控制规律的选择 10

4.2PID控制算法 10

4.3PID控制系统 11

4.4调节器正反作用、调节阀气开气关方式选择 12

第5章系统调试与仿真 13

第6章设计总结 14

参考文献 15

第1章绪论

我国自1996年第一套从天然气中回收硫磺的装置投产以来，随着加工原油硫含量及天然气开采量的增加及环保要求的提高，硫磺回收装置的数量及规模迅速增加，因此硫磺尾气氢含量的良好控制对工业生产尤为重要。

尾气中氢气的含量影响排放指标，本系统便对硫磺尾气氢含量的控制进行一系列设计阐述。

流量测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。

在许多场合，及时准确获得气体或液体流量信息是十分重要的，近年来，流量测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，流量的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业、化工等各领域中广泛使用。

随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。

其中，流量是一个非常重要的过程变量。

例如：

在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种反应器流量进行控制。

对于不同生产情况和工艺要求下的流量控制，控制方案也有所不同。

因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。

过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。

过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。

过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。

它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。

单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。

但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、控制精度、经济效益、安全运行、环境保护等提出了更高的要求。

此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。

为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。

而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。

本系统的主要内容是经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器，在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。

加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气/气换热器换热冷却后进入急冷塔。

尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。

尾气中的氢含量影响排放指标，设计氢含量控制系统。

本设计系统针对流量对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤。

第2章系统的方案设计

2.1概述

本流量过程控制系统的具体指标要求是：

经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气气换热器加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器。

离开反应器的尾气经气气换热器换热冷却后进入急冷塔。

尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。

尾气中的氢含量影响排放指标。

设计一个尾气氢流量检测调节系统，尾气氢含量控制目标为2%，控制范围为1-3%，主要用于硫磺尾气氢含量控制。

2.2系统控制方案选择

硫磺尾气氢含量控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。

根据系统设计要求，提出以下方案：

方案一：

单回路控制系统

氢气含量监测仪

FC

急冷塔

氢气

加氢反应器

图2.1硫磺尾气氢含量单回路控制原理图

如图2.2所示的硫磺尾气氢含量控制系统中，急冷塔出口尾气氢含量为被控参数，流量变送器FT将反映尾气氢含量高低的检测信号送往流量控制器FC；控制器根据实际检测值与设定值偏差情况，输出控制信号给执行器（调节阀），改变调节阀的开度，调节氢气进入流量维持尾气氢含量稳定。

单回路控制系统结构框图如图2.2所示。

Y（s）

氢气±

尾气氢含量

调节阀

调节器

流量变送器

图2.2单回路系统结构框图

方案二：

在单回路的基础上引入串级控制急冷塔

加氢反应器

氢气含量监测仪

FC1

FT2

FC2

氢气

图2.3硫磺尾气氢含量串级控制原理图

如图2.2所示的硫磺尾气氢含量串级控制系统中，流量调节器FC1对尾气氢含量的精确控制、流量调节器FC2对入口氢气含量的及时控制结合起来，先根据入口氢气流量的变化，改变氢气入口流量，快速消除氢气入口流量对尾气氢含量的影响，然后再根据尾气氢含量与设定值的偏差，改变流量调节器FC2的设定值，进一步调节氢气入口流量，以保持尾气氢含量的恒定。

这样就构成了以尾气氢为主要被控参数，以氢气入口流量为辅助被控参数的串级控制系统。

串级控制系统结构框图如图2.4所示。

Y（s）

氢气

尾气氢

氢气入口流量

调节阀

副调节器

主调节器

副变送器

主变送器

图2.4串级控制系统结构框图

通过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，使控制系统性能得到改善，表现在下列方面。

1、抗干扰性强。

由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。

同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。

表现更为突出。

2、及时性好。

串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。

3、适应能力强。

串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

4、能够更精确控制操纵变量的流量。

当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。

采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量。

通过采用串级控制系统，尾气氢含量控制更加平稳，因此选择方案二，串级控制系统作为本系统的设计方案。

第3章系统设计

本系统包括主回路与副回路两大部分，在系统设计的方面包括变送器的选型，调节器的选型，执行器的选择，电气转换器件的选择等几部分。

3.1流量变送器的选型

本系统选择的是氢检测公司的HY-OPTIMA™1700本安型氢气流量变送器操作简单，可实现真正的过程控制。

其氢气专一性传感器可在相对湿度高达95%和温度高达100ºC的过程气体介质环境下正常工作。

HY-OPTIMA™1700本安型氢气流量变送器非常适用于制氢生产企业，石化精炼厂和氯碱工业，它的实时监测功能通过提高车间生产效率、良好的诊断性能和加强维护管理实现高效益生产。

其具体参数如下：

1、检测气体：

氢气

2、输入信号：

电源安全栅24V.DC

3、输出信号：

1～5V.DC

4、精度：

≤±3%

图3.1Model1700本安型氢气变送器

3.2氢气含量监测仪的选型

由于从急冷塔出来的尾气中不仅含有氢气，还有其他气体混合在其中，所以对尾气氢的检测就不能使用流量变送器，需要对尾气中的氢气含量进行