硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统

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1、辽 宁 工 业 大 学过程控制系统课程设计（论文）题目 硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：测控102学 号：100301038学生姓名：张请楠指导教师：杨汇军起止时间：2013年12月16日-27日课程设计（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100301038学生姓名张请楠专业班级测控102设计题目硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统的设计设计任务：尾气中残留的硫化氢及其它硫化物几乎完全转化为二氧化硫。焚烧炉炉膛温度影响 环保排放指标。如果尾气炉炉膛温度控制过低，会使加氢反应器入口温度和烟气出口温 度达不到工艺要求；如果尾气炉炉膛温度控制过高，会造

2、成尾气炉尾燃、烟道温度超高、 尾气加热器烧坏等后果。瓦斯气流量与空气流量等参数的变化会影响燃烧炉温度。试设 计该焚烧炉炉温控制系统的设计。设计要求：1、2、3、形式；4、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和开闭进行模拟调试或仿真；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：5、控制目标：600-800C；控制范围：炉温波动范围不超过30C。1、工 作、计 划2、3、4、5、6、布置任务，查阅资料，确定系统的控制方案，选择传感器、变送器、

3、理解掌握系统的控制要求。（2天）绘制原理结构图、方框图。（1天）控制器、执行器，给出具体型号。（2天）1天）确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（ 调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（ 上机实现系统的模拟运行、答辩。（2天） 撰写、打印设计说明书（1天）1天）平时：论文质量:总成绩：答辩:指导教师签字：年 月注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20% 以百分制计算摘要硫磺燃烧过程中产生大量的含硫化合物，对环境有很大的危害。对硫磺尾气 的正确合理处理至关重要。本设计主要完成硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统的设计。本次设计采用变比值串级控制系统，控制温度目标在600-800C设定尾气焚 烧

4、炉炉温波动范围不超过30C。此系统中运用PID算法，采用LY WB作为温 度控制器，选用 LWY-20 涡轮流量计，电子式流量控制器，温度变送器 Moshu Group和气动一体式球阀Q641PPL/H对温度流量进行实时检测控制。传感器将检 测到的模拟信号送到变送器，变送器输出420mA的电流信号。将变送器输出的 标准信号送入控制器中，控制器通过分析比较所测参数与预设参数之后输出控制 信号，执行器根据传送过来的信号进行变化，最终达到对系统温度的控制。本设计对系统的空气单回路进行仿真，对变比值控制进行仿真，再对主回路 的串级控制进行仿真。关键词：变比值串级系统；炉温控制；流量控制；变送器目录第1

5、 章 绪论 1第 2 章 课程设计的方案 22.1 系统分析 22.2 方案论证 2第 3 章 温度控制系统的设计 53.1 温度变送器的选择 53.2 流量变送器的选择 53.3 温度控制器选择 63.4 流量控制器的选择 73.5 控制空气流量调节阀的选择 83.6 控制瓦斯器流量调节阀的选择 83.7 电气转换器的选择 10第 4 章 控制规律及正反作用选择 114.1 主、副调节器调节规律的选择 114.2 主、副调节器正、反作用的确定 12第 5 章 系统模拟调试 13第 6 章 总结 16参考文献17第1章 绪论硫磺尾气与加氢反应器出口过程器被加热至270-320C左右与外补富氢气

6、混 合后进入加氢反应器在加氢催化剂的作用下转化为H2S。加氢反应为放热反应， 离开反应器的尾气-换热器换冷却后进入冷凝塔。冷凝后的尾气离开冷凝塔进入回收塔，用 30%的甲基二乙醇胺溶液吸收尾气 中的硫化氢，同时吸收部分二氧化碳。吸收塔底富液用富液泵送至溶剂再生部分 统一处理。从塔顶出来的净化气经尾气分液罐分液后进入焚烧炉燃烧，有燃料气 流量控制炉膛温度；尾气中残留的硫化氢几乎全转化成二氧化硫。具体流程如图 1.1 所示，瓦斯气有单独的传送管道，空气也有单独的传送管 道，共同进入燃烧炉前的混合气体室内，与尾气混合，再一起送入燃烧炉内燃烧， 而燃烧炉内的温度由瓦斯气与空气的比值所控制。焚烧炉要控制

7、温度在600-800C，保证尾气可以充分燃烧，对环境和人的健 康都没有危害。温度控制系统可采用的方法有变比值串级控制系统、前馈控制系统、比值控 制系统、前馈-反馈控制系统、分程控制系统等。尾气瓦斯气燃烧炉空气图 1.1 工艺流程图第2章 课程设计的方案2.1 系统分析在硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统的设计中，主被控参数是焚烧炉的炉膛温度。 瓦斯气流量和空气流量等参数的变化都会对温度控制形成干扰。尾气中残留的硫化氢及其它硫化物几乎完全转化为二氧化硫。焚烧炉炉膛温 度影响环保排放指标。如果尾气炉炉膛温度控制过低，会使加氢反应器入口温度 和烟气出口温度达不到工艺要求；如果尾气炉炉膛温度控制过高，会造成尾

8、气炉 尾燃、烟道温度超高、尾气加热器烧坏等后果。瓦斯气流量与空气流量等参数的 变化会影响燃烧炉温度。2.2 方案论证本设计可采用的方法有双闭环串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统、 前馈-反馈控制系统。下面为该系统的设计方案分析。方案 1：采用前馈-反馈单回路控制系统择炉膛温度为被控参数，瓦斯气流量 为前馈控制器的输入干扰，其他影响炉膛温度的因素作为系统的干扰变量。当瓦 斯气流量受到扰动后，反馈系统马上开始控制，使瓦斯流量不至于波动过大，从 而使炉内温度稳定。温度反馈唸i温度调节器燃烧炉瓦斯气图 2.1 单回路反馈控制系统方案 2：采用双闭环串级控制系统。本系统中，炉膛温度是主控参数，影响

9、 其温度的因素有很多，例如瓦斯压力，瓦斯带水，瓦斯流量等等。本设计要通过 控制空气的进入量还有瓦斯气的进入量来达到控制炉温的目的。双闭环串级系统 流程图如图 2.1.K瓦斯气空气尾气燃烧炉图 2.2 变比值串级系统流程图综上所述，方案 2 中副回路的设计，对系统的稳定性更有保障而且它的调节 速度更快，追去额度更高。双闭环比值控制器的引入是流量风容易控制，提高系 统的控制性能。在方案 1 中一个前馈控制器只能抑制一个干扰对被控参数的影响， 而在实际的工业生产过程中存在大量扰动因素，不可能仅对单一扰动进行控制， 方案二存在一定的弊端。鉴于以上原因，本次设计采用双闭环串级控制系统。根 据双闭环串级控

10、制系统框图，可以分析硫磺尾气焚烧炉炉温控制系统的生产工艺 过程：当炉内温度过低时，温度传感器检测到温度反馈回信号与设定值比较，产 生的偏差促使执行器开始工作。瓦斯气和空气的进气阀开度变大，是炉内温度升 高。当温度过低时，反馈回来的温度信号与设定值比较，使调节阀开度减小，使 炉内温度下降从而达到稳定炉内温度的作用。变比值串级控制系统框图如图 2.3 所示。图 2.3 变比值串级系统控制框图第3章 温度控制系统的设计3.1 温度变送器的选择系统要求焚烧炉炉膛温度控制在600800C，炉温波动范围不超过30C。 LY-WB 温度变送器是一种将温度变量转换为可传送的标准化输出信号的仪表。 主要用于工业

11、过程温度参数的测量和控制。带传感器的变送器通常由两部分组成： 传感器和信号转换器。传感器主要是热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单 元、信号处理和转换单元组成（由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的， 因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器），有些变送器增加了显示单元， 有些还具有现场总线功能。变送器如果由两个用来测量温差的传感器组成，输出 信号与温差之间有一给定的连续函数关系，故称为温度变送器。标准化输出信号主要为 0mA-10mA 和 4mA-20mA;或 1V5V 的直流电信号 ;E 型测温范围 0C -1000C ;最小量程 80C;绝对误差土 1C;相对误差 0.2C %。图

12、3.1 温度变送器3.2 流量变送器的选择焚烧炉炉温控制系统要求控制瓦斯气和空气的输入流量，瓦斯气是易燃易爆气体，因此，要选用具有防爆功能的变送器。LWY-20涡轮流量计结构简单，压力损失小，测量精度高，采用进口轴承，始动流量低，性能可靠、寿命长，有较强抗电磁干扰和振动能力、整机功能强、功耗低，可测量腐蚀性介质，高温、高 压介质，可测量微小液体流量至5L/h,有非线性补偿功能的智能液晶显示器，仪 表系数可在线设置并在LCD屏显示，采用EEPROM对累积流量和仪表系数保护 可达十年,该仪表满足系统控制要求，所以此次设计采用LWY-20涡轮流量计流量 变送器。流量范围：0.6127200m3/h；

13、介质温度-20C120C 120C 200C;精度： 0.5、1;线性度：1.0%；重复性：0.2% ；公称压力： 1.6Mpa-6.3Mpa；本体材质： 1Cr18Ni9Ti；供电电源： 524V.DC ；负载电阻：最大负载电阻不超过350Q；输出信号：脉冲或 4-20mA。图 3.2 流量变送器3.3 温度控制器选择ST-801S-96温度控制器采用当今最先进单片微机作主机，减少了外围部件, 提高了可靠性。ST-801S-96温度控制器的技术参数：输出方式： 温度 -50C150C 显示精度 0.1C （ 100C ）; 检测精度： 0.5C ;控制值：全量程 0100%; 回差：温度 1

14、30C;传感器误差修正：温度-50C150C ;供电电源:AC90V242V，或其它特殊定货作用方式:加热控制热电阻、热电 偶输入;控制方式:PID控制，位式控制，回差控制。图 3.3 温度控制仪3.4 流量控制器的选择DZLM 动态平衡电动调节阀动态平衡电动调节阀主要适用于暖通空调系统末 端空调设备的温度控制，通过配置智能模块控制装置，可方便的对各环路的流量、 温度进行自动控制，实现合理利用能量，节能降耗，智能化管理。应用动态平衡 电动调节阀使末端设备只受标准控制信号的影响，而不受系统压力波动的影响， 系统调节更稳定、更节能，特别适用于系统负荷变化较大的变流量系统中。电子线路电源：24V A

15、C. 50/60Hz；可选择输入信号的范围： 0-10VDC 或 4-20mA DC；电子线路功率： 2VA；所用材料：外壳：阻燃 ABS 工程塑料；DZLM动态平衡电动调节阀如图3.4所示。图 3.4 流量控制器3.5 控制空气流量调节阀的选择由于生产过程中存在易燃易爆气体，所以选用气动调节阀。气动一体式球阀 阀体采用最新型的一体式结构，比分体式球阀中部减少泄漏点并且阀杆采用倒装 双密封，完全避免泄漏。多种结构长度的球阀可替代闸阀、排污阀、柱塞阀、截 止阀使用，便于原管道更换安装。适用于压力：04.0Mpa的水、蒸汽、油品、硝酸类、醋酸类等流体介质； 本阀适用于温度：W350C（PPL高温密

16、封面）或W180C； 广泛应用于食品、环保、轻工、石油、造纸、化工、电力等行业的自动化流 体控制系统中。图3.5气动一体式球阀Q641PPL/H全逋径吗DN巧50縮紇型DN402003.6 控制瓦斯器流量调节阀的选择瓦斯气是易燃易爆气体，要求瓦斯调节阀一定是气动的，而且具有防爆性能。Q641F-16P气动法兰球阀，采用了防火、防静电、阀杆防爆出装置技术，可适用 多种恶劣场合选型。采用的气动执行器与球阀一体式连接，无需另装支架，减少 了因安装连接引起的质量问题，同时也为厂区密密麻麻的设备节约了空间。Q641F-16P气动法兰球阀的技术指标：空气驱动：压缩空气4-6bar（可带手轮）；公称通径：

17、15250m；公称压力： 1.64.0Mpa；适用温度： -29+178C；连接方式 ：法兰阀结构 两块式、三块式；碳钢阀芯材质 ：316L、316、304； 密封材质： PTFE；合金适用介质： 气体、水及油类等； 可选附件： 限位开关、定位器、电磁阀、减压阀。Q641F-16P 气动法兰球阀具有防火、防静电设计，阀杆防爆出装置钢球上设 计有压力平衡孔双层阀杆填料与两片碟型弹片装置，阀体上设计清洁阀腔的装置， 符合系统控制要求。因此，本系统选择Q641F-16P气动法兰球阀调节瓦斯气的流 量。图 3.6 瓦斯气流量调节阀3.7 电气转换器的选择与其他产品相比，EPC转换器具有结构紧凑，尺寸小

18、重量轻，受进气压力变化的影响小，任意角度安装可作反向控制，低气耗的特点。因此，本系统运用 EPC 作为电/气转换装置。控制器输出的信号都是420mA；EPC电/气转换装置，输入信号： DQ-2型为010mA或-5+5mA ；输出讯号： 20 100kPa ；转换器内阻1000Q特点：由于在设计上采用了气动流量放大器，使的此产 品的流量可达 12 SCFM ( 20.16m3/hr)；允许的进气压力范围从最小的需求输出压力加0.21Bar到最大7Bar，方便外 部调零及校正。图 3.7 EPC 电 /气转换器第4章 控制规律及正反作用选择4.1 主、副调节器调节规律的选择图 4.1 PID 控制

19、器结构图PID控制是偏差比例(P)，偏差积分(I)和偏差微分(D)控制的简称。PID 控制器作为线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y (t)构成控制偏差e(t)： e(t)=r(t)y(t)将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，从而对被对象进行控 制，故称为 PID 控制器。在模拟调节控制系统中，控制规律表达式如下：u(t)= k e(t) + Lfi e(t)dt + T(4-1)pT 0d dti式中，u(t)调节器的输出信号e(t)调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差 kp 调节器的比例系数Ti 调节器的积分时间 Td 调节器的微分时间PID 控制器各控制环节的

20、作用如下：比例环节：为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，以最快速产生 控制作用，使偏差向减少的趋势变化。积分环节：为了保证被控制量y(t)在稳定时对给定量r(t)的无静差控制，即当 闭环系统处于稳定状态时，则此时控制输出量和控制偏差量都保持在某一个常值 上。积分作用的强弱决于积分时间常数，积分时间常数越大积分作用越弱，反之 则越强。微分环节：为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度，能反映偏差信号 的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正 信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。4.2 主、副调节器正、反作用的确定调节器的正、反作用方式的选择是在调

21、节阀气开、气关方式确定之后进行的， 其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。在焚烧炉炉膛温度控制系统中，焚烧炉是主被控对象，瓦斯气输入管道为副 控制对象，炉膛温度为主被控变量，瓦斯流量为副被控参数。在副回路中，管壁 压力增大时，瓦斯气流量也增加。随着瓦斯气流量的增大，压力传感器的输出信 号也增大。由上述可知，调节阀是气开式的。为了确保被控对象，调节器及执行 器所组成的系统是负反馈，副调节器就应该是反作用。要判断主调节器的正、反作用，首先要确定主参数和副参数的关系。当瓦斯 气流量增加时，焚烧炉炉膛温度增加，因此，将副回路等效成正作用。再根据整 个单回路构成负反馈的原则，可以判断出主控制器也是反作

22、用。本系统中空气流量和瓦斯气流量必须以一定比例混合，否则会影响尾气燃烧 情况，比值系数 K 取 0.5较合适。第5章 系统模拟调试对以上设计采用 Matlab 中 simulink 对系统进行仿真。副对象为一阶惯性环 节。主对象对炉温的传递函数为一阶惯性。当空气流量或空气流量发生扰动时，干扰作用在副回路，仿真系统框图及结 果如图5.1和图5.2所示。变比值控制系统的仿真，仿真框图及结果如图 5.3 和图5.4 所示。图5.3变比值系统仿真框图主回路控制系统为变比值串级控制系统，系统仿真如图5.5和图5.6所示。图5.6变比值串级系统仿真图从仿真结果来看，PID控制效果很好，系统没有显著地波动。

23、主调节器的整 定参数为Kp=l, TI=4S, Td=0.5,副调节器的整定参数Kp=10, Td=0.2。控制策略 具备较好的鲁棒性。这主要是由于副回路反应灵敏，时间常数小，调节通道短， 并且包含干扰比较全面。系统要求温度波动范围不超过土 30C，仿真结果说明， 本设计能够满足控制要求。第6章 总结环境问题是一个大问题，现代工业化要做到安全高效生产与保护环境相结合。 硫磺尾气的排放会很大程度上危害环境所以对其进行处理就显得尤为重要。本系统采用PID算法，LY WB作为温度控制器，采用DZLM电子式流量控制器, 分别选用流量变送器 ST-801S-96 温度变送器，气动一体式球阀 Q641PP

24、L/H 对温度 流量进行实时检测控制。温度变送器ST-801S-96将温度信号检测出来并转变成4 20mA的标准信号，420mA的电流信号经过I/V转换电路变成15V的电压信号, 转换后的电压信号送入温度控制器 LY WB 中，温度控制器通过分析比较所测参数 与预设参数之后输出控制信号。温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，其 输出的变化控制执行器的开度发生变化。瓦斯气流量和空气流量组成双闭环比值 控制回路，调节入尾气炉的瓦斯流量和空气流量，控制尾气炉炉膛温度。本次试验充分考虑拿到实际生产过程的安全性，可行性，选择采用双闭环串 级控制系统。由于所处条件易燃易爆，本实验采用两个气动调节阀，确保安全生 产。参考文献1 王再英，刘淮霞等过程控制系统与仪表机械工业出版社,006,209-3152 魏克新，王云亮，陈志敏.MATLAB语言与自动控制系统设计机械工业出 版社,20043 胡寿松，自动控制原理 北京科学出版社， 20074 林文孚，胡燕 单元机组自动控制技术 中国电力出版社， 20055 过程控制系统与仪表，王再英 机械工业出版社， 2008