自控工程课程设计指导书.docx
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自控工程课程设计指导书
《自控工程课程设计》
指导书
编制自动化教研室
东北石油大学电气信息工程学院自动化系
一、自控工程课程设计目的
“自控工程课程设计”是自动化专业的必修课，自控工程设计能力是自动化专业学生应具备的基本功，同时是“过程控制”、“自动检测技术”等课程非常有益的课外实践补充。
学生通过本门课程的学习，使学生获得自控工程设计的基础知识，掌握工程设计方法及CAD制图方法，掌握利用计算机辅助设计来完成节流装置的选型及计算、调节阀的选型及口径计算。
能够培养学生理论与实践相结合的能力，工程设计能力及创新能力，为今后走上工作岗位奠定良好基础。
二、自控工程课程设计任务及要求
1.本课程设计的主要任务如下：
（1）利用Auto-CAD绘制任务书中给出的控制工艺流程图。
（2）掌握节流装置的计算方法，编制计算程序，得出节流装置设计结果。
（3）掌握调节阀的选型及口径计算方法，给出相应的设计结果。
2.自控工程课程设计基本要求
在工程设计中，必须严格贯彻执行一系列国家技术标准和规定。
三、自控工程课程设计内容
（一）、Auto-CAD制图
Auto-CAD是自动化专业的专业基础课程，学生通过本课程的学习掌握了绘制机械，电气等图样，由于Auto-CAD是一门实践性很强的课程，其实践性体现在对各类图纸的绘制训练当中，在本课程设计中学生可以利用已掌握的理论知识很好的应用于实践当中，要求学生能够独立完成自控工程设计所要求的工艺流程图，在完成图样的绘制过程中，学生应全面系统地运用Auto-CAD知识，从中感悟出Auto-CAD的功能，特点和应用技巧。
在设计过程当中，学生应熟练掌握以下功能，即交互式作图，图形编辑，尺寸标注，图形存储和图形输出，Auto-CAD提供一组图素，如直线，圆，弧，椭圆，文字串等，用于构造各种复杂的二维图形，只要从键盘上输入所需的命令或在菜单中选择相应的项，对所绘制的图素输入必要的参数（如点的坐标值，长度数据或角度数据等），即可在屏幕上指定的位置显示出所绘图形，对于已给的图形，可用多种方式进行编辑修改，如擦除，拷贝，移动，修剪、圆角、倒角等等。
尺寸是工程图的重要组成部分，标注尺寸是一件细致而繁琐的工作。
对于以绘出的图形或经编辑修改的图形，可用图形文件的形式存储在硬盘上，也可以在打印上输出精确的工程样图，比手工绘制的图样更加精确和漂亮。
并且存储在硬盘上的图形，可根据需要随时调出进行修改或多次绘制输出。
（二）、节流装置设计计算
在石油化工生产中，流量计的应用非常广泛，而流量计中差压式流量计又占大部分。
因而节流装置的选型及其设计是自控工程设计的重要组成部分。
1.国家标准特点
1993年，国家技术监督局批准GB/T2624-1993实施，该标准第一次等效采用ISO5167（1991）与国际接轨，这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，已取得了突破性的进展。
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》。
其主要特点：
（1）以流出系数
代替流量系数
；
值的计算中的
降阶计算由原流量系数
计算中的最高阶
降至流出系数
计算中的最高阶
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需验证。
所谓“标准节流装置”就是他们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准，有关计算步骤和方法都经过系统试验而有统一规定。
按统一标准规定进行设计制造的节流装置，不必经过个别标定就可以使用。
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。
2.设计计算的原则和依据
（1）设计原则
①测量的精度应尽可能高；
②流出系数C稳定；
③节流件前后所需直管段长度，就尽可能短；
④流体流经节流件的压力损失尽可能小。
上述四点要求之间是存在矛盾的，而标准节流装置的设计计算，则主要是根据具体情况统一考虑，妥善解决这些矛盾，找出合理的方案。
（2）标准节充装置设计计算的依据
主要依据是工艺生产所提供的流量测量条件、要求和有关数据。
具体的原始数据有：
①被测流体的名称、状态、组分；
②被测流体的流量；最大流量qmax；
③被测流体的工作状态：
工作压力P1、工作温度t1、及其变化范围；
④被测流体的物理参数；这一部分较难确定；
⑤允许的压力损失；
⑥管道材质、在20℃时管道内径D20、管道内表面情况；
⑦节流装置安装地点的平均大气压；
⑧管道敷设情况和局部阻力形式；
⑨其它方面的要求。
3.标准节流装置的设计
标准节流装置的设计计算是自控工程技术人员的基本功，此项训练十分重要。
标准节流装置的计算命题，根据GB/T2624-93有五种命题。
自控工程设计中主要涉及第二命题。
（1）辅助计算
①根据原始数据的最大流量确定计算最大流量；
②根据工作状态和被测量流体的成分，求物性参数；
工作状态下的粘度μ1、密度ρ1。
对于气体还要求出对比压力Pr，对比温度Tr，以及工作状态下的压缩系数Z和等熵指数K。
③求工作状态下的管道内径；
④根据最大流量，求出相应的雷诺数ReD；
⑤根据管道材质及内表面情况，确定管道内壁的绝对平均粗糙度K。
⑥确定差压上限。
新标准中视为已知条件，由工艺人员或仪表人员自行确定。
（2）迭代计算方法
迭代计算的实质是利用具有快速收敛的弦截法，来实现近似计算。
计算出X、δ，直到∣δn∣值小于某个规定值
（即
）时，说明计算已达到规定的精确度，迭代计算完毕。
（3）验算
质量流量的不确定度的计算公式。
4.节流装置程序设计流程
本课程设计要求标准节流装置设计计算需编制计算机程序实现，程序设计流程框图如下图所示。
具体程序设计可采用C语言、MATLAB等。
（三）、调节阀选型及口径计算
1.调节阀特点
调节阀是自动化仪表和自动调节系统的重要组成部分之一，在调节系统中称为终端控制元件。
它直接与介质接触，使用条件差，尤其在高压、高压差、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，调节阀在自动调节系统中的重要性就更为突出。
随着工业生产的迅速发展，调节阀的品种、规格日益繁多，为此，对调节阀的选用技术要求也越来越高，选用不当，必然会降低调节质量。
另外，在工程计算中，调节阀口径计算是个关键问题。
它不仅关系到调节系统的调节质量，还关系到生产的经济性；适用的可靠性和稳定性等问题。
调节阀口径计算的主要内容有流量系数
值计算及口径选定等。
符号
是国际制单位的流量系数。
它定义为：
温度5℃至40℃的水，在105Pa压降下，流过调节阀的每小时立方米数。
2.调节阀型确定
阀型的选择是一项重要而复杂的工作。
为了计算流量系数、预估噪声等，需要初步选择阀体结构型式。
若计算结果不符合要求，还应重选阀型，并重新计算，直至满足要求。
选择阀型的依据是根据介质性质、工艺参数、使用要求等条件；若所给条件可以选用两种以上阀型，则可以依据经济性、订货周期等条件进行选择。
3.调节阀口径计算
调节阀口径计算的主要内容有流量系数计算及口径选定等。
流量系数计算公式的建立与发展已有半个多世纪的历史，其中气体与液体的单相流计算公式比较成熟，双相流公式还有待进一步完善。
精度较高的计算公式，还需要有正确的原始数据，才能得到满意的结果。
调节阀口径计算所需数据及条件：
（1）介质名称、性质及主要物化参数（
等）。
（2）工艺参数（
等）
（3）配管情况（型式、阀前后管径、系统阻力计算、预估S值等）
（4）调节对象类型、特点，如主调参数及主要干扰因素等
（5）调节性能要求，如泄漏量、稳定性等要求。
三、课程设计报告撰写规范
（一）内容要求
一份完整的课程设计报告应包括以下几个方面:
（1）封面（见附件1）
（2）任务书
（3）工程实例介绍
（4）CAD流程图
（5）标准节流装置设计及计算程序设计
（6）调节阀选型及计算
（7）课程设计心得
（8）参考资料
（二）版式要求
课程设计报告用A4纸打印；一级标题：
黑体，三号，段前、段后间距为1行，居中；二级标题：
黑体，小四号，左对齐，行距20磅；正文用五号字,行间距为20磅，上下左右各留20mm，装订线留5mm。
四、学时分配（计划安排）
1．自控工程系统设计实例讲解 2天
2．查阅资料1天
3．利用Auto-CAD 画出流程图 1天
4．标准节流装置孔径计算及程序设计2天
5．调节阀选型及计算 2天
6．写设计报告和说明书 2天
五、考核方式
1．参加评定人员
课程设计指导教师、学生代表
2．评分标准
《自控工程设计》课程设计应进行严格的考核并评定成绩。
评定成绩的主要依据是设计成果的质量、课程设计的态度和完成的工作量以及在课程设计过程中的主动性和创造性。
（1）《自控工程设计》课程设计成绩评定依据以下几个方面的内容：
①课程设计成果；
②课程设计报告；
③课程设计答辩情况；
④课程设计出勤记录；
⑤课程设计纪律性、主动性和创造性。
（2）课程设计成绩按五级分评定（优、良、中、及格、不及格）。
（3）课程设计成绩按下列标准进行评定；
①评为“优”的条件：
a、设计方案合确，理论与实际结合紧密，能用所学内容解决实际问题，成果完善，具有一定的创新性，对设计内容具有一定的研究。
b、课程设计报告内容完整，有1-2个主要工艺操作过程的分析总结，有具体的设计方案、设计的程序和结果，有对设计内容的认识和体会总结；
c、按时出勤、纪律性强、主动思考、力求创新；
d、答辩问题约有90%以上正确。
②评为“良”的条件：
a、设计方案基本合确，在老师的指导下能用所学内容解决实际问题，成果基本完善，具有一定的实用性，对设计内容具有一定的体会。
b、课程设计报告内容基本完整，有主要工艺操作过程的分析总结，有基本合理的设计方案、设计的程序和结果，有对设计内容的认识和体会总结；
c、按时出勤、纪律性强、能完成设计内容；
d、答辩问题约有80%以上正确。
③评为“中”的条件：
a、设计方案基本合确，在老师的指导下能完成设计任务，成果基本完善，对设计内容具有一定的体会。
b、课程设计报告内容基本完整，撰写规范，设计的程序和结果正确，有对设计内容的认识和体会总结；
c、按时出勤、在老师的指导下能完成设计内容；
d、答辩问题约有70%以上正确。
④评为“及格”的条件：
a、设计方案尚合确，主要成果基本正确；
b、课程设计报告内容基本完整，撰写规范，有对设计内容的认识和体会总结；
c、按时出勤、不违反课程设计的纪律要求；
d、答辩问题约有60%以上正确。
⑤具有下列情况之一者定为“不及格”：
a、设计成果不正确；
b、课程设计报告内容基本不完整，撰写不规范；
c、在课程设计中严重违纪和弄虚作假，抄袭他人设计成果的学生，以不及格论处；
d、答辩问题有50%以上不正确，成绩不及格者必须重修。
六、自控工程课程设计选题（任选一题）
以下设计题目分别给出工艺流程图，标准节流装置设计计算原始数据及调节阀计算原始数据，要求：
（1）工艺流程图采用CAD制图形式。
（2）根据标准节流装置设计计算原始数据进行节流装置设计。
（3）根据调节阀计算原始数据进行调节阀选型及口径计算。
设计一电脱盐控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算原始数据
位号：
FI2535
工作介质：
软化水取压方式：
法兰取压孔板
操作温度：
143℃工况密度：
926.012Kg/m3
工作压力：
0.7MPa工况粘度：
199×10-6Pa.S
管道内径：
80mm最大流量：
30000kg/h
管道材质：
20#钢节流件材质：
1CR18NI9TI
3、调节阀计算原始数据
位号：
LIC2307
工作介质：
软化水单座阀：
操作温度：
140℃工况密度：
926.012Kg/m3
阀前压力：
0.7MPa 工况粘度：
199×10-6Pa.S
阀后压力：
0.6MPa最大流量：
30000kg/h
管道内径：
80mm饱和蒸汽压力P=0.016MPa
设计二初馏塔控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FIC2103A名称：
初顶回流油流量指示控制
被测介质：
初顶油
最大流量：
49.62m3/h正常流量：
33.8m3/h
最小流量：
16.54m3/h工作温度：
40℃
工况密度：
665kg/m3工作压力：
5.2MPa
工况粘度：
1.139CP管道直径：
100
3、调节阀口径计算数据
位号：
LIC2101FIC2301～FI2304名称：
初馏塔液位与原油流量串级调节
被测介质：
原油最大流量：
100m3/h
阀前压力：
17.5（绝）kgf/cm2阀后压力：
16.5（绝）kgf/cm2
工况密度：
510kg/m3工况粘度：
0.781CP
工作温度：
240℃管道内径：
300mm
计算结果（参考）
KV=250阀的公称直径：
150mm
设计三常压炉控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FI2130名称：
常压加热炉燃料油指示
被测介质：
燃料油
最大流量：
0.43m3/h工作温度：
130℃
工况密度：
780kg/m3工作压力：
1.3MPa
工况粘度：
2.46CP管道直径：
50mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
THC2115A名称：
常压加热炉燃料油调节
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
设计四常压塔控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FIC2110B名称：
常二线油
被测介质：
油品
最大流量：
46m3/h正常流量：
40.1m3/h
最小流量：
28m3/h工作温度：
50℃
工况密度：
780kg/m3工作压力：
6.7MPa
工况粘度：
1.001CP管道直径：
100mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
TC2106名称：
常顶热回流调节
被测介质：
常顶油最大流量：
90m3/h
阀前压力：
5.9MP阀后压力：
4.4MP
工况密度：
670kg/m3工况粘度：
2.132CP
工作温度：
80℃管道内径：
100mm
设计五减压炉控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FIC2201～FIC2204名称：
减压炉进料指示调节
被测介质：
常底油
最大流量：
87.5m3/h工作温度：
353℃
工况密度：
677kg/m3工作压力：
9.5MPa
工况粘度：
1.139管道直径：
100mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
PDIC2205名称：
雾化蒸汽压差调节
被测介质：
蒸汽最大流量：
660m3/h
正常流量：
450m3/h最小流量：
220m3/h
阀前压力：
8.2MPa阀后压力：
7.2MPa
工况密度：
4.2kg/m3工况粘度：
0.023CP
等熵指数：
1.3压缩系数：
1
工作温度：
250℃管道内径：
80mm
设计六减压塔控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FIC2201～FIC2204名称：
减压炉进料指示调节
被测介质：
常底油
最大流量：
87.5m3/h工作温度：
353℃
工况密度：
677kg/m3工作压力：
9.5MPa
工况粘度：
1.139管道直径：
100mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
LIC2202A名称：
减压塔釜液位调节
被测介质：
蒸汽最大流量：
194.35m3/h
正常流量：
169m3/h最小流量：
118.3m3/h
阀前压力：
2.2MPa阀后压力：
1.7MPa
工况密度：
7.3057kg/m3工况粘度：
23.4×106Pa.s
工作温度：
375℃管道内径：
250mm
等熵指数：
1.29压缩系数：
1
设计七减压塔顶部控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FIC2211名称：
减压塔顶温度与减一线回流流量串级
被测介质：
减一线油
最大流量：
20.2m3/h工作温度：
55℃
工况密度：
810kg/m3工作压力：
9.3MPa
工况粘度：
2.132管道直径：
100mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
LIC2207名称：
减压塔顶罐液位调节
被测介质：
减顶油最大流量：
0.93m3/h
正常流量：
0.81m3/h最小流量：
0.57m3/h
阀前压力：
6.1MPa阀后压力：
4MPa
工况密度：
820kg/m3工况粘度：
2.132CP
工作温度：
58℃管道内径：
50mm
设计八加热炉控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FHC2155B名称：
常压炉炉膛温度与高压瓦斯流量串级
被测介质：
高压瓦斯
最大流量：
300m3/h工作温度：
60℃
工况密度：
1.4kg/m3工作压力：
3.5MPa
工况粘度：
0.016CP管道直径：
80mm
等熵指数：
1.4压缩系数：
1
3、调节阀口径计算数据
位号：
PIC2106名称：
燃料油压力调节
被测介质：
燃料油最大流量：
1.087m3/h
阀前压力：
1.4MPa阀后压力：
1.33MPa
工况密度：
920kg/m3工况粘度：
0.00506Pa·s
工作温度：
130℃管道内径：
50mm
设计九原油预热控制系统设计
1、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FI2101（两套FI2102）名称：
装置总进料
被测介质：
原油
最大流量：
300m3/h工作温度：
99℃
工况密度：
800kg/m3工作压力：
19.5MPa
工况粘度：
0.0052Pa·s管道直径：
300mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
FIC2301（共四套FIC2301～FIC2304）名称：
四路换热原油流量调节
被测介质：
原油最大流量：
150m3/h
阀前压力：
1.75MPa阀后压力：
1.65MPa
工况密度：
510kg/m3工况粘度：
0.00432Pa·s
工作温度：
150℃管道内径：
150mm
设计十蒸汽发生部控制系统设计
一、工艺流程图
2、标准节流装置设计计算数据
位号：
FI3013名称：
蒸汽流量指示
被测介质：
蒸汽等熵指数：
1.3
最大流量：
6300kg/h工作温度：
215℃
工况密度：
3.8kg/m3工作压力：
0.853MPa
工况粘度：
0.000023Pa·s管道直径：
150mm
3、调节阀口径计算数据
位号：
PIC2303名称：
蒸汽压力调节
被测介质：
蒸汽最大流量：
3200kg/h
阀前压力：
1.0MPa阀后压力：
0.9MPa
工况密度：
4.2kg/m3工况粘度：
0.000023Pa·s
工作温度：
215℃管道内径：
100mm
等熵指数：
1.29压缩系数：
1
设计十一转油站控制系统设计
1、工艺流程图
2.调节阀的选型及口径计算
游离水介面放水
已知条件：
工作介质：
污水工作温度：
35℃
阀前绝压：
0.392Mpa阀后绝压：
0.363MPa
操作密度：
1000kg/m3最大流量：
199×103kg/h
管道直径：
200mm热力学临界压力（绝压）PC=25.07MPa
阀入口温度饱和蒸汽压（绝压）PV=0.018MPa
求调节阀的口径：
3．角接取压节流装置计算说明
已知条件：
工作介质：
天然气操作温度：
30℃
标况密度：
0.97kg/Nm3（20℃下）工作压力：
P1=0.22MPa
操作状态下粘度：
η=0.0112Cp最大压差：
δp=0.01MPa
相对湿度：
φ=100%管道内径：
D20=363mm
体积流量：
Qmax=8300Nm3/h等熵指数：
k=1.315压缩系数：
Z=1
孔板材质线膨胀系数：
λd=0.000012mm/mm℃
管道材质线膨胀系数：
λD=0.000011mm/mm℃
计算：
孔板孔径
的设计计算
设计十二联合站电脱水器控制系统
1、工艺流程图
2．油田联合站外输天然气节流装置的口径计算
已知条件：
工作介质：
天然气取压方式：
法兰取压
操作温度：
30℃工况密度：
ρ=1.9678kg/Nm3
标况密度：
ρ=0.97kg/Nm3工作压力：
P1=215600Pa
操作状态下粘度：
η=0.0112cP最大压差：
δp=9800Pa
管道内径：
D20=363mm体积流量：
Qmax=8300Nm3/h
等熵指数：
k=1.315相对湿度：
φ=100%
孔板材质线膨胀系数：
λd=0.000012mm/mm℃
管道材质线膨胀系数：
λD=0.000011mm/mm℃
孔板孔径d20的设计计算
3．油田联合站电脱水器油水界面控制中的调节阀口径计算
已知条件：
工作介质：
污水工作温度：
阀前绝压：
==
，
阀后绝压：
==
操作密度：
最大流量：
管道直径：
介质临界压力
；
阀入口温度下介质饱和蒸气压力
；
求调节阀的口径：
设计十三联合站游离水脱除器控制系统
1．工艺流程图
2.调节阀的选型及口径计算
游离水介面放水
已知条件：
工作介质：
污水工作温度：
35℃
阀前绝压：
0.392Mpa阀后绝压：
0.363MPa
操作密度：
1000kg/m3最大流量：
99×103kg/h
管道直径：
200mm热力学临界压力（绝压）PC=25.07MPa
阀入口温度饱和蒸汽压（绝压）PV=0.018MPa
求调节阀的口径：
3．法兰取压节流装置计算说明
已知条件：
工作介质：
天然气操作温度：
30℃
标况密度：
0.97kg/Nm3（20℃下）工作压力：
P1=0.22MPa
操作状态下粘度：
η=0.0112Cp最大压差：
δp=0.01MPa
相对湿度：
φ=100%管道内径：
D20=363mm
体积流量：
Qmax=8300Nm3/h等熵指数：
k=1.315
孔板材质线膨胀系数：
λd=0.000012mm/mm℃
管道材质线膨胀系数：
λD=0.000011mm/mm℃
计算：
孔板孔径
的设计计算
设计十四锅炉循环水控制系统设计
1．工艺流程图
2、标准节流装置设计计算原始数据
位号：
FRQ102
工作介质：
循环水取压方式：
法兰取压孔板
操作温度：
150℃工况密度：
926.012Kg/m3
工作压力：
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