列管式换热器设计说明书.docx
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列管式换热器设计说明书
吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书
列管式换热器自控设计说明书
学生学号：
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
职称：
起止日期：
2011
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
专业综合设计任务书
一．设计题目：
列管式换热器的自控设计
二．设计目的
1．掌握列管式换热器的基本工作原理及利用AutoCAD绘图工具进行绘图；
2．了解对工艺控制方案的选择；
3．熟练掌握I/O点的确定、仪表的选型、模块的选型以及安全栅的选择。
三．设计任务及要求
1.熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图；
2.仪表选型；
3.绘制施工图，编制相应表格。
四．设计时间及进度安排
设计时间共三周（2011.08.29～2011.09.16），具体安排如下表：
周安排
设计内容
设计时间
第一周
熟悉AutoCAD的使用方法以及工艺流程控制图的绘制
第二周
选型（I/O点，仪表和PLC选型）
第三周
提交课程设计说明书及相关电子文档。
课程设计答辩。
五．指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
年月日
成绩
指导教师（签字）:
第1章专业综合设计的目的
此次设计是一次综合性专业设计，是自动化专业的一个重要教学环节，其目的是进一步巩固和加深对所学专业知识的理解，培养学生独立分析和解决工程实际问题的能力，使学生对自控设计有较完整的概念，培养学生综合运用所学的控制理论、仪表、控制工程等知识进行工程设计的能力，进一步提高设计计算、制图、视图、编写技术文件，查阅参考文献与资料、仪表类型选择的能力。
通过此次设计，培养学生树立为社会主义建设服务的观念。
设计者应该有敢于创新和勇于负责的精神，从投入施工的角度来严肃对待自己的设计，使自己的设计能最大限度满足生产实际需要，既经济，又可靠。
第2章工艺简介
2.1工艺介质介绍
石油也称原油或黑色金子，是一种粘稠的、深褐色（有时有点绿色的）液体。
石油主要被用来作为燃油和汽油，燃料油和汽油组成目前世界上最重要的一次能源之一。
石油也是许多化学工业产品——如溶剂、化肥、杀虫剂和塑料等的原料。
当今88%开采的石油被用作燃料，其它的12%作为化工业的原料。
列管式换热器是目前化工及酒精生产上应用最广的一种换热器。
它主要由壳体、管板、换热管、封头、折流挡板等组成。
所需材质，可分别采用普通碳钢、紫铜、或不锈钢制作。
在进行换热时，一种流体由封头的连结管处进入，在管流动，从封头另一端的出口管流出，这称之管程；另-种流体由壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，这称为壳程。
2.2列管式换热器工艺流程
列管式换热器工艺流程图如下图2-1所示：
图2-1列管式换热器的工艺流程图
热物流送至换热器V-101与注经壳程的冷物流进行热交换，热物流出口温度由TIC101控制。
本单元设计采用列管式换热器。
来自外界的10℃冷物流由泵P101送至换热器E101的壳程被流经管程的热物流加热至150℃。
冷物流流量由压力控制器PIC101控制，正常流量7kgf/cm2。
来自另一设备的250℃热物流送至换热器V-101与注经壳程的冷物流进行热交换，热物流出口温度由TIC101控制。
2.3主要控制指标及已知条件
1.换热器出口温度的调节通道动态特性，可以近似看成一阶惯性环节的对象。
设其放大倍数KP=0.6TP=1.2min。
2.饱和蒸汽：
Qmax=360m3/h，QC=280m3/h，P=40kgf/cm2，T=250℃。
3.原油：
Qmax=50m3/h，Q=39m3/h，P=7kgf/cm2，T=10℃，ρ=0.9g/cm3。
4.加热后的原油温度T=150℃±2℃。
5.工艺上要求在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量。
6.工艺上要求就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度。
7.要求控制换热器原油出口温度。
8.设计尺寸：
如下图2-2所示
图2-2列管式换热器设计尺寸图
第3章控制方案的选择
3.1出口温度的串级控制回路
为了控制列管式换热器出口处的温度，系统对出口处温度采用的是温度的串级控制。
温度由工艺阀后采入，经过温度变送器进行温度变送至TIC101，TIC101再经与FIC101的串级控制，作用于FV101，经过调节饱和蒸汽的补充量，来达到加热原油的目的。
大部分的温度检测采用温度变送器，如果单纯采用温度控制得系统的控制质量将不会得到改善。
因此换热器的控制系统中，采用温度-压力的串级控制系统。
其中，温度为主回路，压力为副回路。
控制系统方框图如图3-1所示：
图3-1列管式换热器的温度串级控制系统方框图
上图为列管式换热器的温度串级控制系统方框图。
由于系统中工艺要求是控制原油加热出口温度，温度控制器为主控制器。
压力控制器为副控制器，温度控制器的输出是压力控制器的给定。
串级控制系统比单回路系统响应速度更快，有更强的控制作用和更好的鲁棒特性，能明显的改善控制品质。
3.2泵后原油压力的单回路控制
进入换热器的是温度较低的原油，根据工艺要求，泵后原油的流量Q=39m3/h，因此对原油流量的控制是非常重要的。
对被控变量的选择过程如下：
可选被控变量为原油流量。
测得的原油流量与要求的流量进行比较然后对控制法做出相应的控制。
如图3-2所示：
图3-2泵后压力单回路控制系统方框图
3.3工艺流程控制图
由之前的控制方案的选择，然后再结合列管式换热器的工艺流程图，我们可以画出带有控制方案的工艺流程图如下图所示：
图3-3工艺流程控制图
第4章选型
4.1I/O点表
本系统中所I/O表具体参数如下：
表4-1I/O点选择表
序号
名称
位号
点类型
信号类型
AI/AO
1
蒸汽流量控制阀
FV101
AO
4-20mA
2
原油流量
FIC102
AI
4-20mA
3
原油泵后压力
PI101
AI
4-20mA
4
原油泵后温度
TI101
AI
4-20mA
5
加热原油温度
TI102
AI
4-20mA
6
饱和蒸汽流量
FIC101
AI
4-20mA
7
泵后原油压力控制阀
PV101
AO
4-20mA
8
加热原油出口温度
TIC101
AI
4-20mA
DI/DO
9
PUMP故障状态
DI
10
PUMP启/停状态
DI
11
PUMP启/停控制
DO
4.2现场仪表及变送器选择
变送器汇总具体参数如下：
表4-2变送器设备选型表
序号
仪表位号
名称
型号
1
FIC102
原油流量传感器/变送器
HR-LUGB-2208
2
FIC101
蒸汽流量传感器/变送器
HR-LUGB-32030
3
TI101
饱和蒸汽温度变送pt100
HR-WZPB
4
TI102
加热后原油温度变送
HR-WREB-E
5
PI101
泵后原油差压变送
HR-K2I1R1F2B5D3
4.2.1HR-K型压力变送器
使用对象：
液体、气体、蒸汽压力测量、液体液位测量。
特点：
1．精度高，稳定性好；
2．二进制工作方式，4~20mA信号输出；
3．敏感部件及线路板是全固体结构，坚固抗振；
4．抗干扰能力强，温度稳定性好；
5．防爆壳体结构，可全天候使用；
6．最有最优良的防腐性能，保证最好的防腐性价比；
7．结构轻巧，简单合理，无须支架，无须水平安装，可直接任意位置安装在管道上。
工作原理：
介质压力直接作用于陶瓷片，使测量膜片产生偏移。
正常的压力使膜片偏移0.025mm，超压状态也只使膜片偏移0.1mm。
此时，测量膜片贴到了陶瓷支架上，避免了损坏。
膜片位移产生的电容量，由与其直接连接的电子部件检测，放大和转换为标准信号输出。
安装方式：
HR-K系列压力变送器通常采用直接安装方式，建议加装一次阀门，便于安装、调试和维护。
当介质温度高于85℃时，则需要加装一定长度的引压管，便于冷却介质，否则会造成测量不准甚至损坏变送器。
4.2.2带温度变送器热电偶
应用：
通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出4~20mA。
直接测量各种生产过程中的0~1800℃的范围内液体、蒸汽和气体介质以及固体表面温度。
特点：
1．二进制输出4~20mA信号，抗干扰能力强；
2．节省补偿导线及安装温度费用；
3．测量范围大；
4．冷端温度自动补偿，非线性校正电路。
工作原理：
热电偶在工作状态下所测得的热电动势的变化，经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换4~20mA的直流电信号给工作仪表，工作仪表便显示出所对应的温度值。
4.2.3涡街流量变送器
用途：
测量DN25~300mm内径工业管道的液体、气体或蒸汽的流量。
在危险场所使用时，应选择本质安全防爆结构（在型号加D或I表示）的传感器。
原理:
压电晶体将卡门漩涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号，或经F/I转换成4~20mA标准信号。
4.3PLC选型
根据系统I/O规模、控制周期、存储器容量选择PLC的控制器（CPU）。
1、首先确定I/O规模、控制功能、通讯能力确定使用S7-200或300系统。
2、在根据CPU的扩展能力、存储容量选择适当的控制器（CPU）。
表4-3PLC模块选型
序号
名称
型号
订货号
1
模拟量输入模块
SM331
6ES7331-1KF00-0AB0
2
模拟量输出模块
SM332
6ES7332-5HD01-0AB0
3
数字量输入模块
SM321
6ES7321-1FF10-0AA0
4
数字量输出模块
SM322
6ES7322-8BF00-0AB0
5
电源模块
312C
6ES7312-5BD00-0AB0
6
CPU
PS305
6ES7305-1BA80-0AA0
4.4安全栅的选择
4.3.1智能电压/电流隔离器
功能：
输入单路或双路电压/电流信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电压/电流信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。
可以与单元组合仪表及DCS、PLC等系统配套使用，在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。
特点：
1.全智能、数字化、可编程；
2.环境温度、零点、满幅自动补偿；
3.极高的稳定性，确保准确度多年不变；
4.电源、输入、输出、双回路间高隔离度；
5.符合国际电工委员会IEC31000相关抗电磁干扰标准。
4.3.2数字量输入/输出检测端隔离式安全栅
HR-WP6012-DI-EXA系列数字量输入/输出检测端隔离式安全栅
功能：
将来自危险区的有源或无源开关量信号，通过隔离安全栅传输到安全场合，输出方式有继电器或集电极输出方式，同时可进行正、反作用选择。
结论
列管式换热器自控设计是综合性的专业设计。
这次设计对于即将从事工业过程设计工作的我们来说，是一次比较完整、比较综合性的系统训练。
对我们以后的学习与工作有很大帮助。
通过本次练习，我们巩固和深化之前所学的理论知识，增强了独立分析和解决工程实际问题的能力，也让我们对自己学的知识有了一个工程上的概念。
本次实习最重要的收获就是知道了工程设计与应用的步骤及考虑问题的方法。
同时，综合设计也培养我们综合应用所学的自动控制理论、自动化仪表、过程控制等知识进行工程设计的能力，提高了识图、制图和使用相关工程技术资料的能力，尤其锻炼了使用AutoCAD制图的能力。
而且经过本次设计说明书的书写，我们更加认识到说明书规范化格式的重要性，同样在排版能力上有了很大提高。
经过这三周的课程设计实习，我明白了要成为一名工程师的责任和重要性，以及对待工程项目要以严谨的态度去对待，争取做到最好。
不得不提及的是在本次设计实习过程中，在我遇到难题时，同学和老师都能积极和善的帮助我，使我感受到了集体的温暖和团体协作的重要。
参考文献
[1]王树青等．工业过程控制工程[M]．北京：
化学工业出版社，2009.8
[2]陆德民．石油化工自动控制设计手册[M]．北京：
化学工业出版社，1988.3
[3]simaticS7-300可编程序控制器产品目录.2005.7
[4]张毅等.自动检测技术及仪表控制系统[M].2008.9
[5]胡寿松.自动控制原理[M].北京：
科学出版社.2008.2
[6]赵雅兴．FPGA原理、设计与应用[M]．天津：
天津大学出版社，1999.4
[7]翟玉文．Altera可编程逻辑器件设计与实验[M]．吉林化工学院校内讲义.2001.12
附录
附录1工艺流程控制图
附图1工艺流程控制图
附录2数字量模块接线图
附图2数字量模块接线图
附录3模拟量模块接线图
附图3模拟量模块接线图
附录4电源模块回路图
附图4电源模块图
附录5系统总图
附图5系统总图
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