流化床反应器温度串级控制系统设计.docx
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流化床反应器温度串级控制系统设计
课程设计任务书
学院：
机械与动力工程学院
专业：
过程装备与控制工程
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
流化床反应器温度单回路
控制方案设计
起迄日期：
课程设计地点：
指导教师：
系主任：
课程设计任务书
1．设计目的：
（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计分析一个过程控制系统的能力。
（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。
（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；
（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；
（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
经过过程检测、过程控制工程、工程测试技术、过程装备原理、过程流体机械、过程装备监测与诊断等课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。
1.确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；
2.现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；
3.给出控制系统方框图；
4.分析被控对象特性，选择控制算法；
5.进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
6.写出设计工作小结。
对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：
如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。
2．撰写课程设计说明书一份（A4纸）。
4．主要参考文献：
[1]戴连奎.过程控制工程.第3版.北京:
化学工业出版社,2012.
[2]王毅.过程装备控制技术及其应用.第2版.化学工业出版社,2011.
[3]王树青.工业过程控制工程.化学工业出版社,2003.
[4]厉玉鸣.化工仪表及自动化.第4版.化学工业出版社,2008.
[5]孟华.工业过程检测与控制.北京:
北京航空航天大学出版社，2002.
[6]吴勤勤.控制仪表及装置.第2版.北京:
化学工业出版社,2002.
[7]张永德.过程控制装置.北京:
化学工业出版社，2002.
[8]俞金寿.过程自动化及仪表.北京:
化学工业出版社,2003.
[9]康勇、张建伟、李桂水.过程流体机械.北京：
化学工业出版社，2008.
[10]刘文定，王东林.过程控制系统的MATLAB仿真.北京:
机械工业出版社，2009.
[11]王正林,郭阳宽.MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真（修订版）.北京:
电子工业出版社，2012.
5．设计成果形式及要求：
提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；
其中应包括系统控制流程图、方框图、Simlink仿真模型；并且方框图中各环节的传递函数应该和被控对象、控制装置的分析一致，Simlink仿真模型的传递函数应该和方框图中分析的一致；
6．工作计划及进度：
2015年1月日-1月日确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；
2015年月日-月日控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；
月日-月日进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
月日-月日编写课程设计说明书
月日答辩
负责人审查意见：
签字：
年月日
课程设计说明书
学生姓名：
学号：
学院：
机械与动力工程学院
专业：
过程装备与控制工程
题目：
指导教师：
职称:
职称:
职称:
职称:
目录
1.流化床的工作原理………………………………………………………………………………2
1.1流化现象………………………………………………………………………………………2
1.2流化床的种类与结构…………………………………………………………………………2
1.3流化床反应器的特性…………………………………………………………………………3
2.流化床的一般控制方法…………………………………………………………………………4
3.流化床控制系统的设计…………………………………………………………………………5
3.1单回路控制系统原理…………………………………………………………………………5
3.2控制系统方框图………………………………………………………………………………6
3.3仪表的选型及参数的确定……………………………………………………………………6
4.控制系统的仿真………………………………………………………………………………13
4.1各个环节传递函数及各个参数的确定……………………………………………………13
4.2控制系统的simulink仿真…………………………………………………………………13
4.3对PID参数的整定…………………………………………………………………………16
5.课程设计总结…………………………………………………………………………………18
6.结束语……………………………………………………………………………………………19
1.流化床的工作原理
流化床反应器是气相反应常用的一种反应器。
当反应气体通过反应器时，催化剂颗粒受到气流的作用悬浮起来，在反应器内作剧烈的翻滚、流动，整个系统与流动的或沸腾的液体很相像，所以称流化床或沸腾床。
它既具有化学反应器的共同点，又具有自身的特点。
1.1流化现象
对于固定床反应器，因为催化剂是固定的。
流体实际上只能在催化剂颗粒间的孔隙内穿流，不但催化剂的表面反应受到限制，降低了催化剂利用率。
而且，床层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。
如果减少颗粒大小，增加气流温度，且让气流由下自上通过，当气流速度达到某一值以后，催化剂在床内处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面积，既增加了催化剂的利用率，又改善了温度分布，这种固体在气流作用下产生像流体一样流动状态称流化态。
1.2流化床的种类与结构
为了保证流化和一定反应温度以及回收催化剂等原因，使流化床结构不同于固定床。
1.2.1流化床的种类
大体上可以分为单器和双器；单层和多层；圆柱床和圆锥床；自由床和限制床等几类。
1.2.2流化床反应器的结构
为适应流化状态、传热和催化剂回收等作用，流化床结构一般都由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置和固体颗粒加卸载装置等组成。
1.3流化床反应器的特性
1.3.1流化床内温度分布比较均匀
在流化床内固体颗粒成湍动状态。
因此，带来两个重要结果：
传热系数大，床内温度均匀。
流化床内由于颗粒的湍动，颗粒之间碰撞机会多，所以固体颗粒之间传热很快，而固体主要又是悬浮状态，所以传热面积很大，大大增加了气体和固体之间的传热速率，另外，还由于固体颗粒不断与换热器壁相碰撞，使得床层与换热器的传热系数也大大增加。
高的传热系数，不仅导致热量容易移去，而且使得床层内温度均匀，不论是径向还是轴向温度基本上一致。
1.3.2反应物料流速的影响
反应物料流速变化给反应器带来两个方面的问题，一是对反应放出的热量的影响，另一是对传热系数的影响。
1.3.3关于传热系数K的问题
反应物料从底部经分布板进入反应器的浓相区，有序固体颗粒催化剂激烈湍动，反应物料与催化剂表面迅速接触，反应发部分在这很快完成，并放出大量的热。
随着气流上升，进入稀相区，反应缓和，放出的热量减少。
而流化床传热系数主要取决于固体颗粒多少和湍动程度。
在浓相区，固体颗粒多，所以传热系数也大，热量容易移走。
在稀相区，固体颗粒大为减少，接近于气管传热情况，所以传热系数小，传热效果也差。
因此，虽然整个床层温度比较均匀，传热推动力差不多，由于传热系数相差很大，它们热量主要在浓相区移去。
因而浓相区的换热器担负主要冷却作用。
它的冷却情况变化对流化床反应温度的影响远比稀相区换热器影响大。
2.流化床的一般控制方法
根据以上分析，显而易见，对单器流化床的基本控制方法是流化床浓相区温度为被调参数，调节手段为下列管换热器进水量和稳定反应物料流量。
在冷水流量变化较大情况下，应该用反应温度与冷却水单回路流量调节，因为，对流化床下部列管换热器来说，冷却剂流量、温度等变化，对反应影响极大。
对中、上部列管换热器，由于对反应影响小，冷却剂有些扰动影响不大。
图1流化床控制流程图
本课程设计以流化床的温度自动控制为例，说明流化床温度控制的设计方法。
图2反应流化床
液态的丙烯与液氨经过气化后，在管路中汇合后经反应器底部的丙烯、氨分布器进入反应器，压缩空气经反应器底部的空气分布器进入反应器，三种物料在处于流化状态下的催化剂的作用下。
反应温度是丙烯、氨氧化法合成的一个重要工艺参数，流化床工作的好坏，可以明显地从反应温度上表现出来，当反应状况良好时，反应温度易于控制。
图3反应温度对吸收率的影响
如图所示，反应温度高，但当反应温度过高时，合成物易深度氧化，生成较多的CO2，温度难以控制；另外，若持续长时间的高温，还会缩短催化剂的寿命。
生产中，实际温度控制在450℃左右。
3.温度单回路控制系统的设计
3.1单回路控制系统原理
单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。
由于系统结构简单，投资少，易于调整、投运，又能满足一般生产过程的控制要求，所以应用十分广泛。
单回路控制系统的设计原则同样适用于复杂控制系统的设计，控制方案的设计和调节器整定参数值的确定，是系统设计中的两个重要内容。
如果控制方案设计不正确，仅凭调节器参数的整定是不可能获得较好的控制质量的；反之，如果控制方案设计很好，但是调节器参数整定不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
3.1.1 选择被控参数
对于一个生产过程来说，影响正常操作的因素是很多的，但是，并非对所有影响因素都需要加以控制。
选择被控参数的一般原则为：
[1]、选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护等具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数。
[2]、当不能用直接参数（如测量滞后过大）作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数。
[3]、被控参数必须具有足够大的灵敏度。
[4]、被控参数的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采用仪表的性能。
2、 选择控制参数
3.1.2选择控制参数
扰动作用是由扰动通道对对象的被控参数产生影响的，使被控参数偏离给定值。
选择控制参数的一般原则为：
[1]、选择控制通道的静态放大系数K0要适当大一些，时间常数T0应适当小一些，纯滞后时间τ0则越小越好。
[2]、选择扰动通道的静态放大系数Kf应尽可能小，时间常数Tf应大些，扰动引入系统的位置离被控参数越远，即越靠近调节阀，控制质量越好。
[3]、当控制通道由几个一阶惯性环节组成时，为了提高系统的性能，应尽量拉开各个时间常数。
[4]、应注意工艺上的合理性。
3.2控制系统方框图
图4控制系统方框图
3.3仪表的选型及参数的确定
3.3.1温度的测量
对流化床温度的测量选择装配式热电偶
图5热电偶
表1热电偶的分度规格及特性表
根据图中热电偶的测量范围和线性度，选择镍铬-铜镍型热电偶。
热电偶的时间常数为60s（1min）。
表2热电偶时间常数
3.3.2温度变送器
选择智能温度变送器，如同所示：
图6智能温度变送器
性能简介
输入单路或双路热电偶、热电阻信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。
接线方式如图：
图7热电偶接线图
3.3.3流量测量
选用SKLUCB型插入式涡街流量计，如图所示：
图8插入式涡街流量计
工作原理：
按国际标准化组织IS07145（在环形截面封闭管道中的流体流量测定—在截面一点的速度测量法），采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4～20mADC电流信号。
技术参数：
公称通经（mm）
250～1500
仪表材质
1Cr18Ni9Ti
公称压力（Mpa）
PN1.6Mpa；PN2.5Mpa
被测介质温度（℃）
－40～+250℃
环境条件
温度－10～+55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa
精度等级
示值的±2.5%
量程比
1:
10；1:
15
阻力损失系数
Cd<2.6
输出信号
传感器：
脉冲频率信号0.1~3000Hz低电平≤1V高电平≥6V
变送器：
两线制4~20mADC电流信号
表3流量计技术参数
3.3.4调节器的选择
选择SK－808/900系列智能PID调节仪
图9PID调节器
智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。
3.3.5调节阀的选择
选择KVQJ系列电动单座、套筒调节阀。
图10调节阀
KVQJ系列电动单座、套筒调节阀，接受调节仪表来的直流电流信号，改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值。
广泛应用于电力、冶金、化工、石油、轻纺、制药、造纸等工业部门的生产自动化控制。
本系列产品公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-40℃~450℃，接受信号为0~10mA.DC或4~20mA.DC。
流量特性为线性或等百分比。
配用不同的执行机构可分为普通型和电子型两种。
主要技术参数 ：
表4-1调节阀技术参数
公称通径DN（mm）
（阀座直径dn）
20
25
32
40
50
65
80
100
125
150
200
（10）
（12）
（15）
（20）
额定流量系数
直级
1.8
2.8
4.4
6.9
11
17.6
27.5
44
69
110
176
275
440
690
等百分比
1.6
2.5
4
6.3
10
16
25
40
63
100
160
250
400
630
额定行程（mm）
16
25
40
60
公称压力PN（MPa）
1.01.64.06.4
固有流量特性
直线、等百分比
固有可调比
50
工作温度t（℃）
-20~200-40~250-40~450-60~450
信号范围（mA.DC）
0~104~20
作用方式
电关式电开式
使用环境温度（℃）
电动调节阀：
-20~70℃伺服放大器：
0~50℃
使用环境湿度
电动调节阀：
≤95%伺服放大器：
≤85%
电源电压
220V50Hz380V50Hz24AC/DC
4.控制系统的仿真
4.1各个环节传递函数及各个参数的确定
温度测量环节用一阶环节来近似
假设KTM（T/hr）=1,
=3min。
对于调节阀，由于其流量特性为直线和等百分比，所以
对于流量控制干燥器温度对象，控制通道和扰动通道的动态特性为
假设
，
，
，
，
，
，
为比例系数；
为积分时间；
为微分时间。
为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID控制器的一些参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。
各参数的关系如下式:
；
;
4.2控制系统的simulink仿真
建立simulink模型，并将上述模型数据带入得：
图11系统仿真图
由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下图查阅相关资料知，对于流量系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积分作用。
由相关资料可知，常用的调节器参数整定方法有：
经验试凑法、临界比例法、衰减曲线法。
下面以经验试凑法为参考对本系统进行参数整定。
经验试凑法就是根据被控变量的性质在已知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的指作为调节器当前的参数值，然后直接在运行系统中，人为的加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡过程曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过度过程的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过度过程曲线为止。
对于温度系统，其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的时间积分。
经验试凑法简单可靠，容易掌握，使用于各种系统。
整定过程如下：
先设定PID调节器的参数为
，
，
，控制系统的simulink仿真框图如下：
KP=0.5；TI=0.1；TD=0.1；
图15
KP=0.5；TI=0.2；TD=0.1；
图16
KP=0.5；TI=0.3；TD=0.1；
图17
经反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，得出K=0.5，
=0.2min，
=0.1min。
响应曲线呈4：
1衰减,如下图：
图18调整参数后系统仿真图
5.课程设计总结
我通过本次课程设计通过了软件和硬件上的调试。
我想这对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。
在这次设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，书本上理论性的东西与在实际运用中的还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入地理解，而且要不断地更正以前的错误思维。
一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。
对于教材，其过程是比较简单的，主要是解决设计控制过程中的问题，而设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。
因此在整个设计过程中大部分时间是用在控制理念上面的。
很多是可以借鉴书本上的，但怎样衔接各个环节才是关键的问题所在，这需要对系统的结构很熟悉。
因此可以说系统的设计是软件和硬件的结合，二者是密不可分的。
6.结束语
这次课程设计增长了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。
另外，感谢两位老师的辛勤指导，让我的课程设计得以顺利地完成。
参考文献
[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社
[2]《过程自动化及仪表》俞金寿主编化学工业出版社
[3]《工业过程控制工程》王树青主编化学工业出版社
[4]《控制仪表及装置》吴勤勤主编化学工业出版社
[5]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社
[6]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社
[7]《过程控制装置》张永德主编化学工业出版社
[8]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱主编化学工业出版社
[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）朱有庭主编化学工业出版社
[10]《工业过程检测与控制》孟华主编化学工业出版社
[11]《反应器的自动调节》俞安然主编化学工业出版社
[12]《过程控制工程》王树青主编化学工业出版社
[13]江苏苏科科技有限公司主页
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