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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
