《毕业设计（论文）-串级控制在合成一段炉上的应用.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-串级控制在合成一段炉上的应用.doc（47页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、*大学毕业设计（论文） 串级控制在合成一段炉上的应用学 生：*学 号：*专 业：*班 级：*指导教师：* *大学*系二O一一年六月- I -摘 要 合成一段炉是大型合成氨厂的关键设备之一，一段炉出口温度是转化工艺段的重要控制参数，出口温度控制的稳定性和快速性方面均有较高要求。因合成一段炉的大热容量，传热过程的滞后和温度变化的相对延迟，传统的单回路控制系统难以满足控制要求。本文研究了串级控制控制系统的基本组成结构，并通过与单回路控制系统的比较，分析了串级控制系统在提高系统工作频率，增强抗干扰能力和自适应能力方面的优势，探讨了串级控制系统的设计、参数整定方法。在对合成一段炉对象建模基础上，求解出燃
2、烧天然气流量到合成一段炉出口温度的传递函数，设计出相应的串级控制系统，并利用simulink仿真器对该系统进行了相应的仿真实验。关键词：合成一段炉；串级控制；建模；传递函数；Simulink；阶跃响应ABSTRACT Primary reformer of ammonia synthesis plant is one of the key equipment in a large ammonia plant .The temperature of primary reformer outlet-gas is an important control parameters in transfor
3、mation process section. The temperature of the outlet-gas control has higher requirements both in swiftness and accuracy. Due to the large heat capacity of primary reformer of ammonia synthesis plant, heat transfer and temperature changes lag relative delay, the traditional single loop control syste
4、m can not meet the requirements of control quality. In this paper, control system elements of the cascade control structure have been studied , an analysis of advantages of cascade control system in improving system operating frequency, enhancing anti-jamming capability and self-adaptive ability by
5、comparing with single-loop control system .The design method and parameter tuning methods of the cascade control system was discussed .Base on the object modeling of primary reformer of ammonia synthesis plant, the transfer function of the flow rate of burning natural gas to the temperature of outle
6、t-gas were solved ,and the corresponding cascade control system was designed, then simulink simulator was used to do corresponding simulation experiment .Key words： Primary reformer of ammonia synthesis plant；Cascade control； Modeling；Transfer function；Simulink；Step response目录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言11
7、.1 研究概述11.1.1 选题背景及意义11.1.2 合成氨工艺及设备2第2章 串级控制系统52.1串级控制系统的基本概念52.1.1 串级控制系统的组成52.1.2 串级控制系统的特性分析62.2 串级控制系统的实现92.2.1串级控制系统的工业应用92.2.2串级控制系统的设计112.2.3串级控制系统的整定和投运14第3章 合成一段炉出口温度对象特性分析163.1 合成一段炉工艺概况163.1.1 合成一段炉工艺概况163.2 合成一段炉出口温度控制系统183.2.1 合成一段炉出口温度控制的任务183.2.2 合成一段炉出口温度控制的动态特性18第4章 合成一段炉出口温度串级控制系统
8、设计204.1 合成一段炉出口温度串级控制系统组成204.2 合成一段炉出口温度对象传递函数求取214.3 串级控制系统各仪表的选取244.3.1变送器和检测元件244.3.2 控制阀选择254.3.3 主、副控制器选择264.5合成一段炉出口温度串级控制系统仿真分析29第5章 结束语36致 谢38参考文献39附 录40四川理工学院本科毕业（设计）论文- 39 -第1章 引 言1.1 研究概述1.1.1 选题背景及意义选题背景：（1）串级控制研究与应用的成熟。单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值控制问题在工业生产中得到广泛的应用。但是.现代工业生产的进一步深入发展，工艺的要求
9、条件更加严格，对安全运行，经济性和控制系统控制质量的要求也越来越高。当负荷变化比较剧烈或负荷频繁变化，对象表现为大容量滞后，或者工艺对产品品质要求比较高，此时单回路控制系统就很难满足控制要求，这就需要设计一种更为有效的控制系统对生产流程进行控制。在这样的情况下，串级控制系统应运而生，并因其能有效改善控制品质而在过程控制中得到了广泛应，对串级控制的理论研究和工程实践经验均有相当的积累。（2）一段炉出口温度控制的研究有待深入。在一段炉热力学和动力学模拟方面，Sverre G等(2001)建立一段炉蒸汽转化反应和炉膛传热的模型。何东（2007）对布朗工艺合成氨过程进行了一段转化炉和氨合成塔的建模和计
10、算。Sepehr Sanaye等(2007)对建立模型对一段炉进行热力学和动力学模拟，建立蒸汽转化反应的动力学模型并研究了压力、水碳比、天然气组成等对甲烷蒸汽转化反应的影响。在一段炉运行控制方面，吴鸿欣（2003）进行了提高布朗合成氨装置一段炉生产能力的探讨。张恩玲（2005）对一段炉过剩空气的控制进行了相关研究。王勇明（2003）提出了利用数学模型优化一段炉的运行。另在合成一段炉的结构优化，工艺技改，故障检修等均有相关研究，但对合成一段炉的出口温度控制还少有研究。 选题意义：合成一段转化炉处于合成氨全部工艺流程之首，是烃类蒸汽转化法制成合成氨原料气的关键设备之一。另外一段转化炉材质上大量使用
11、高级合金钢，据估计其造价要到占全厂总投资的30左右，一段炉构造相对复杂却十分脆弱，其部分部件对高温及急剧的温度变化敏感，因此一段炉不仅在开停炉上有严格要求，在日常运行的温度控制上也有较高的要求。合成一段炉出口温度能在一定程度上反映一段炉炉管内温度，无论从合成一段炉稳定运行的角度还是工艺条件的角度，对合成一段炉出口温度的控制均有重大意义。而当使用传统的单回路控制系统控制合成一段炉出口温度时，因合成一段炉的大热容量及传热的速度限制，温度的不可突变性，单回路控制系统的控制作用发挥的不够及时，合成一段炉出口温度波动，难以满足一段炉温度控制的精度与及时性的要求，同时影响一段炉使用寿命。本文选用有在工业控
12、制上有成熟应用的串级控制系统来控制合成一段炉出口温度。本文在研究了串级控制系统的基本结构，工作原理，系统设计，参数选择及串级控制在工业过程控制中的实际应用之后，分析了一段转化炉的相关特性和控制指标，并探讨串级控制在合成一段炉炉温控制的可行性和实际应用前景，并针对一段转化炉设计相应的流量-温度串级控制系统，并对合成一段炉出口串级控制系统控制效果进行matlab仿真分析。 1.1.2 合成氨工艺及设备 合成氨是无机化工基础工业。合成氨工业诞生于20世纪初，在六十年代开始的合成氨厂大型化是其发展史上一次重大的改革。（1）合成氨工艺合成氨工艺常见流程图如图1-1所示：天然气原料气压缩机脱硫一段转化二段
13、转化高温变换低温变换脱碳甲烷化合成冷冻产品蒸汽空气空气压缩机副产品合成气压缩机冰机热回收系统高压蒸汽图1-1 烃类蒸汽转化法大型氨厂原则流程图合成氨基本反应式：+3=。气态烃(亦可以是液态烃)首先要经脱硫工序以除去硫化氢和硫化合物后，再与水蒸汽混合，在一段转化炉的反应管内进行转化反应，一段转化气中除了反应产物和、外，还有未转化的和水蒸汽。气态烃转化反应总体表现为吸热，因此在反应管外用燃料燃烧（一般为天然气）供给所需热量。之后一段转化气进入二段转化炉，在此还需引入空气，在炉内燃烧掉一部分氢气或其它气体，放出热量以供进一步转化，同时又把合成氨所用氮气引入系统。二段转化气残余的已经很少了。接下去的高
14、温变换和低温变换(简称高变和低变)各在不同的温度下使气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成等量的和，从而提供了更多的作为合成氨原料的氢气，这个反应叫作变换反应。 以上几个工序构成了合成氨厂的造气系统，创出了合成氨所用的粗原料气，主要成分是和、。天然气蒸汽转化的基本反应式如下所示：天然气蒸汽转化后即得到合成氨粗原料气。合成氨粗原料气进入脱碳工序，用一种溶液把气体中的二氧化碳吸收掉，而后再将溶液加热并减压，释放出二氧化碳释作为副产品。二氧化碳吸收溶液可循环使用。甲烷化工序把气体中残存的极少量和气体经甲烷化反应变成水蒸汽和。水蒸汽经冷凝排出，因对后续工序是无害的惰性气体不予处理。脱碳和甲烷化工序合称为净
15、化，即把转化反应后的粗原料气净化成合成氨所需要的比较纯净的氢氮混合气。氢氮混合气经合成气压缩机压缩到高压后，送入合成氨合成塔进行氨的合成。由于气体一次通过合成塔后一般只能有10一20%的氢氮气发生反应，因此需要将出塔气体冷却，使产品氨冷凝分离后将未反应的氢氮混合气重新送回合成塔，以提高原料利用率。以上所述的合成氨工艺流程大体上可分为制气，净化和合成三个部分。此外，在凡有生产余热可资利用之处，都安排有热回收设备，构成了全厂的蒸汽动力系统，穿插于各个工艺工序之内。（2）合成氨设备合成氨工业主要设备包括:脱硫工序中的加氢转化器，铁锰脱硫槽。 转化工序中的一段转化炉和二段转化炉 。变换工序的主要设备变
16、换炉（高变炉和低变炉两部分）。脱碳工艺中的主要设备吸收塔和再生塔（高度都有五、六十米，直径都在3米以上，是全厂的两台主要设备，两塔一般均采用填料塔。一般说来，填科塔是较老的塔型，生产能力不如一些新型的板式塔）。甲烷化工序中的甲烷反应器（又叫甲烷化妒）。另外以天然气为原料的大型氨厂使用四台大压缩机，即原料气压缩机将原料天然气送入一段转化炉，空气压缩机将工艺空气送入二段转化炉，合成气压缩机将合格的氢氮气送入合成回路(包括循环气的增压)，以及提供冷冻的氨气压缩机；另有热交换器，水泵，烟囱等设备。典型合成氨设备布置图如图1-2所示。图1-2合成氨设备布置图 第2章 串级控制系统 串级控制系统是为应对不
17、断发展的工业生产，不断出现的新工艺，日趋强化的生产过程，日益严格的产品质量要求，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况应运而生的。 串级控制是在单参数、单回路PID调节基础上发展起来的一种控制方式.它可以较简易地解决几个因素影响同一个被控制变量的相关问题。 在生产过程的常规控制中，串级控制系统是提高过程控制品质很有效的方案之一，因此，得到了广泛的应用。2.1串级控制系统的基本概念 2.1.1 串级控制系统的组成图1-2为串级控制系统的结构图，该系统有两个调节器。在串级控制系统的一般结构中，外闭环称为主回路或主环，用于最终保证被调量满足工艺要求。副控制器，副对象，副检测变送环节，在主回路内部构成一
18、个内闭环称为副回路或副环，用于克服被控对象所受到的主要干扰。对应有两个控制器:主控制器用于保证系统的控制精度，减小稳态误差，其输入是被控量给定值的偏差信号，其输出作为副控制器的给定值。副控制器主要用于保证系统反应快速性，其输出作为控制信号直接送到执行机构。串级控制通用框图如图2-1所示 ：输出副对象控制阀副控制器主控制器 主对象 副测量变送器主测量变送器 图2-1串级控制系统通用框图 2.1.2 串级控制系统的特性分析(1) 串级控制系统的工作过程 在串级控制系统中，扰动作用进入控制回路时，控制系统克服扰动的过程即开始。根据扰动进人系统的位置不同，可将其分为两类，二次扰动（包含于副回路的扰动）
19、和一次扰动（作用于副回路之外的扰动），现分三种情况加以讨论： 1) 扰动进入副回路一般来说，当扰动进入副回路时，由于副回路控制通道短，滞后小，时间常数小，可获得相比于单回路控制超前的控制作用。当扰动大时，副控制器抢先发生控制作用，削弱扰动影响，干扰余量再由主、副环一起实施精确控制，扰动小时，副环可以完全克服此扰动的影响，故整个控制过程速度快、质量高。2)扰动进入主回路当扰动进入主回路时，主被控量受干扰影响而波动，这时距离干扰更近的主控制器先发生控制作用，其输出变化迅速改变副控制器的设定值而使副控制器发出控制信号，通过调节阀开度的迅速变化，使主被控量很快回到设定值。在这个过程中副回路虽然不能对扰
20、动发挥控制作用，但由于副回路的存在，加速了整个系统的控制作用。在主副回路的共同作用下，克服扰动的影响较单回路控制快，控制过程也较短。3)扰动同时作用于主、副回路假如扰动使主、副被控量同方向(即同时减小或增大)变化，则副控制器所接受的偏差为主、副被控制量两方向作用之和，偏差值较大，此时副控制器的输出就以较大幅度改变调节阀开度，使主被控量尽快向设定值靠近;假如扰动使主、副控制器反方向变化(即一个减小，另一个增大)，则副控制器所接受的偏差为主、副控制量两方向作用之差，其值较小，此时调节阀开度只需较小变化就可把主被控量调整回来。（2） 串级控制系统的特性串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构
21、上多了一个副回路，所以具有以下一些特点： 1）改善了过程的动态特性，提高了控制作用的快速性 设、为主、副控制器的传递函数； 、 为主副对象的传递函数；、为主、副变送器的传递函数，是控制阀的传递函数，则串级控制系统的框图可用图2-2所示的一般形式来表示。 _ 图2-2串级控制系统框图的一般形式如果把整个副控制回路看成一个等效副对象，并以的传递函数表示。假定= ,= ,= ,=， , = ,=。则可由图2-2可求得副回路的等效传递函数 (2-2)式中= = 推算可知串级控制系统中，由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数仅为副对象本身的时间常数的,并且在，不变的情况下，随着副控制器放大系数的增大，
22、这种时间常数减小的效果更显著。意味着控制通道缩短，使控制作用更加及时，响应速度更快，控制质量得到提高。因为只有当0，一般工程上常取=（310）。 一定时，主、副回路时间常数有以下的关系：=(310)，其中和是主、副回路的等效时间常数。在实际应用中/取多大为宜，应根据具体对象的情况和控制系统要达到的目的要求具体分析。如果串级控制系统的目的是为了克服对象的主要干扰，那么副回路的时间常数小一点为好，只要将主要干扰纳入副回路就行了。如果串级控制系统的目的是为了克服对象时间常数过大和滞后严重，为改善对象特性，那么副回路的时间常数可适当大一些。如果想利用串级控制系统克服对象的非线性，那么主、副对象的时间常
23、数又宜相差远一些。以上对副变量选择的讨论都是从控制质量角度来考虑的，而在实际应用时，首先要考虑生产工艺的要求,具体为:1) 副变量的选择，应首要考虑工艺上副变量的实时在线检测性，要求主、副变量应有对应关系，即调整副变量能有效地影响主变量。2) 串级控制系统的设计，应该根据工艺的具体情况，不仅考虑控制的合理性、可行性，还要考虑工艺的可行性。3) 在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益高的方案。这个思想应作为工程设计人员的指导原则。 2.2.3串级控制系统的整定和投运串级控制系统的方案
24、正确设计后，为使系统运行在最佳状态，系统必须进行校正，即参数整定。其实质是通过调节PID参数，来改善系统的动态特性和静态特性，以获得最佳的控制效果。在整定串级控制系统控制器参数时，首先必须明确主、副回路的作用，以及主、副参数的控制要求，然后通过控制器参数整定，才能使系统运行在最佳状态。从整体上来看，串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。副回路是一个随动系统，副控制器能快速而准确地跟踪主控制器的输出变化即可。在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有:两步整定法，一步整定法等。（1）两步法 两步法是在主、副回路工作频率相差比较大的条件下采用的一种方法，所谓两步法就是整
25、定分为两步进行，先整定副回路，再整定主回路，具体步骤如下: 1) 将主、副回路均闭环，置主控制器的比例带为=100%，积分时间为最大，微分时间为最小，副控制器比例度放100%，积分时间最大，微分时间最小，主环投入手动，副环投入自动。然后调整主控制器输入，直到副被控参数出现4:1衰减振荡过程，记录此时的比例带和振荡周期。 2) 将副控制器的比例带置为所得到的，按4:1衰减曲线法整定主回路的比例带和振荡周期 3) 按所得到的主副回路的比例带和振荡周期、，结合主、副控制器的选型，采用4:1衰减曲线法的经验公式，分别整定主、副控制器的参数。 4) 在主、副回路均闭合的条件下，采用步骤3所得到的控制器的
26、参数，按先副回路后主回路，先比例后积分最后微分的顺序对系统进行调试，观察控制过程的曲线，如果结果不够满意，可适当进行一些调整。（2）一步法一步法是在主变量控制精度要求较高，而副变量的控制精度要求不高，即允许副变量在一定范围内变化的条件下采用的一种有效方法。所谓一步整定法，就是根据经验先将副控制器的参数一次性置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法，直接整定主控制器的参数。如果系统出现振荡，只要加大主、副控制器的任意参数值，即可消除。这种方法的依据是，在串级控制系统中，通常主变量是工艺过程的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因而对其控制精度要求较高，而副变量是为了提高主变量的控制质量，对
27、副变量本身没有很高的控制精度要求，允许其在一定范围内变化。串级控制系统的投运 ：选用不同的仪表组成的串级控制系统，投运方法也有所不同，但是所遵循的原则基本都是相同的：其一是投运顺序，一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换。第3章 合成一段炉出口温度对象特性分析 一段转化炉是大型氨厂的关键设备之一。由于反应管长期处于高温、高压和气体腐蚀的苛刻条件，需采用耐热合金钢管，因此费用昂贵，整个转化炉的投资约占装置投资的30%，而反应管的投资约为一段炉的一半。因此，一段转化炉必须精心维护。一段转化炉出口温度能在一定程度上反映炉膛温度和一段转化炉内转化反应速率，对甲烷转化率，
28、二段转化反应均有较大的影响，另在合成氨工艺中综合考虑能耗和产率，一段炉出口温度必须控制在一定范围内。为提高一段炉出口温度控制精度，考虑采用燃烧天然气流量合成一段转化炉出口温度的串级控制系统，以有效提高一段转化炉出口温度的控制品质。3.1 合成一段炉工艺概况3.1.1 合成一段炉工艺概况 一段转化炉是大型氨厂烃类蒸汽转化法制合成氨原料气的的关键设备之一，它分为辐射段和对流段。一段转化炉按供热方式不同可分为侧烧、倾斜烧和顶烧三种类型。（1）侧壁燃烧型(侧烧炉)。原料气由上集气管、上猪尾管进入辐射段内两行按三角形错排的转化管，管间距为管外径的2倍，每1214根为一组，每组出口有一根不到4米长的下集气
29、管。转化后的气体由下集气管汇集到集气总管送往二段炉。其特点是：1） 采用碗形辐射式或无焰板式烧嘴从上到下分设在两侧炉墙上，可以通过调节转化管轴向两侧的这些烧嘴使整根转化管上下温度均匀，从而使催化剂发挥出最佳活性。2） 对流段放在炉子顶部，可不用引风机，节省动力，但检修和安装不方便，所以也有将对流段与辐射段平行设置的变型。3） 转化管有效长度只受阻力和催化剂抗压强度的限制而不受烟道气温度分布的限制，因而只要条件允许，可适当加长或缩短，以适应不同生产能力的需要。 （2）倾斜壁燃烧型(梯台炉)。这种炉型转化管的排列与侧烧炉类似，其特点是： 1） 设置两个辐射段合用一个对流段。 2） 两侧炉壁内倾斜约10，炉嘴设在倾斜壁的下边，火焰与壁平行。每层斜壁的高度由火焰长度而定，梯台数则取决于炉管长度。 3） 尽管烧嘴较少，但依靠倾斜壁而辐射热的作用轴向温度分布很均匀，操作也方便。 4） 在长期高温下运行，内倾壁易损坏坍塌。（3）顶部燃烧型(顶烧炉)。这种炉子外壳像长方形箱子，其特点是： 1） 烧嘴布置在炉顶，火焰从上往下喷燃，转化管内工艺气体与烟道气同向流动，可以获得较理想的温度分布，转化管径向温度分布也比较均匀。 2） 烧嘴少，燃料管道系统比较简单，只要在总管上设调节阀即可，故操作方便投资低，但不如侧烧壁那样