基于plc和opc在氨合成塔溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 克服要比反饋控制及時(shí)的多，這也是前饋控制的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng) 反饋控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生的控制作用對被控變量進(jìn)行影響，而被控變量并不會反過來影響前饋控制器的輸入信號（擾動量）。從一定意義上來說前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)這一點(diǎn)是前饋控制的不足之處，由于前饋控制不存在閉環(huán)，因此前饋控制的效果無法通過反饋加以檢驗(yàn)。因此采用前饋控制時(shí)，對被控對象的了解必須比采用反饋控制時(shí)清楚的多，才能得到比較合適的前饋控制系統(tǒng)。前饋控制采用的是由對象特性確定的“專用”控制器 一般的反饋控制系統(tǒng)均采用通用的PID控制器，而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。一種前饋只能補(bǔ)償一種干擾。在理論上，前饋控制可以實(shí)現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實(shí)踐中，由于下列原因前饋控制系統(tǒng)仍然會存在偏差。 實(shí)際的工業(yè)對象會存在多個(gè)擾動，若都設(shè)置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費(fèi)用和維護(hù)工作量。因而一般僅選擇幾個(gè)主要干擾加前饋控制。這樣設(shè)計(jì)的前饋控制器對于其它干擾是絲毫沒有校正作用的。受前饋控制模型精度的限制。用儀表來實(shí)現(xiàn)前饋控制算式時(shí)，往往作了近似處理。尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時(shí)，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。因此構(gòu)建的前饋控制器只能是近似的，如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)節(jié)。3. 前饋控制應(yīng)用的場合 實(shí)現(xiàn)前饋控制的前提是干擾可以測量的。下列幾種情況采用前饋控制比較有利。(1)系統(tǒng)中存在幅度大，頻率高且可測的干擾，該干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制難以克服，而工藝上對被控參數(shù)又要求十分嚴(yán)格，這時(shí)可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質(zhì)量。(2)當(dāng)主要干擾無法用串級控制系統(tǒng)使其包圍在副回路時(shí)，采用前饋控制將會比串級控制獲得更好的效果。(3)當(dāng)對象干擾通道和控制通道的時(shí)間常數(shù)相差不大時(shí)，引入前饋控制可以很好地改善控制質(zhì)量。當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)比控制通道的時(shí)間常數(shù)大的多時(shí)，反饋控制可獲得良好的控制效果，無需再加前饋控制。這時(shí)只有當(dāng)對控制質(zhì)量要求較高時(shí)，才有必要引入前饋控制。如果干擾通道比控制通道的時(shí)間常數(shù)小得多，由于干擾對被控對象的影響十分迅速，以致即使前饋控制器的響應(yīng)時(shí)間為零，也無法完全補(bǔ)償干擾的影響，這時(shí)使用前饋控制效果不佳。4. 前饋反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，即對補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。因此，如果控制的結(jié)果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進(jìn)一步的校正。為了解決前饋控制的這一局限性，在工程上往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種擾動以及對被控變量進(jìn)行檢驗(yàn)的長處，是一種適合過程控制的好方法。前饋反饋控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。(1)從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。(2)從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時(shí)的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。 串級控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)是在被控變量和設(shè)定值之間產(chǎn)生偏差之后才起作用的，前饋控制可以用來幫助克服干擾的影響。但是如果干擾不可測量或者無法獲得干擾與被控變量之間的模型時(shí)，就不能采用前饋控制策略。另外一種可以克服干擾的方法就是串級控制，它通過選擇第二個(gè)測量點(diǎn)構(gòu)成第二個(gè)反饋回路來克服干擾。第二個(gè)測量點(diǎn)應(yīng)該比被控變量更快感知到干擾的影響，這樣才能在干擾對被控變量產(chǎn)生很大的影響之前通過第二個(gè)反饋回路迅速克服干擾的影響。一個(gè)控制器的輸出用來改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這樣連接起來的兩個(gè)控制器稱作“串級”控制。如圖22所示。圖22 單回路控制系統(tǒng)的框圖主變量:保持其平穩(wěn)是串級控制的主要目標(biāo)。副變量：被控制過程中引入的中間變量。副對象:反應(yīng)了副變量與操縱變量之間的通道特性。主對象:主變量與副變量之間的通道特性。主控制器:接受的是主變量的偏差，其輸出用來改變副控制器的設(shè)定值。副控制器:接受的是副變量的偏差，其輸出去操縱閥門。副回路：處于串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變量測量變送器，副控制器，控制閥，副對象組成的回路。主回路：若將副回路看成一個(gè)以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)單回路，稱這個(gè)單回路為主回路。必須注意的是主回路并不是指將副變量測量變送環(huán)節(jié)前（后）斷開后形成的單回路。兩個(gè)控制器都具有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號送給執(zhí)行器，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但由于串級控制系統(tǒng)從對象中引出了一個(gè)中間變量構(gòu)成了回路，因此和單回路控制系統(tǒng)相比它具有自己的特點(diǎn)。(1) 副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效克服發(fā)生與副回路的干擾影響(2) 串級系統(tǒng)對副對象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性副回路具有較高的增益時(shí)，副回路前向通道（這里主要是指控制閥和副對象）特性的變化不大會影響副回路等效環(huán)節(jié)的特性。這也就使得串級系統(tǒng)對控制閥和副對象特性的變化具有魯棒性。這里需要注意以下兩點(diǎn): 主回路對副對象及控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒有這種特性。副對象或控制閥特性的變化依然會較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。 主回路對副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。 第3章 合成氨工藝的介紹 氨合成生產(chǎn)的流程工業(yè)上采用的氨合成工藝流程，雖然各不相同，設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作條件也各有差別，但是實(shí)現(xiàn)氨合成過程的基本步驟則是相同的。經(jīng)過精細(xì)凈化除去一切毒物的氫氮混合氣，由壓縮機(jī)壓縮至一定的壓力（在采用活塞式壓縮機(jī)的場合，要經(jīng)過除油）后，引入合成系統(tǒng)。然后，氣體通過最終凈化，并換熱升溫至操作溫度，送入合成塔內(nèi)的催化劑層，在其中進(jìn)行氨的合成反應(yīng)。反應(yīng)后，氫氮混合氣不能全部轉(zhuǎn)化成氨，必須將其中的氨進(jìn)行分離，剩下的氫氮混合氣由循環(huán)壓縮機(jī)（以下簡稱循環(huán)機(jī)）補(bǔ)充壓力后（在用活塞式循環(huán)機(jī)時(shí)，仍然應(yīng)除油），與壓縮機(jī)送來的新鮮氣混合，再次進(jìn)行合成，如此連續(xù)循環(huán)操作。在循環(huán)過程中，由于惰性氣體不斷積累，因此要經(jīng)常進(jìn)行一部分循環(huán)氣的排放，以維持惰性氣體含量在規(guī)定值以下。在實(shí)現(xiàn)上述原則流程時(shí)，又有各種具體的做法，使流程盡量完善。近年來，由于物理化學(xué)和化學(xué)工程等方面的理論發(fā)展，化工機(jī)械加工水平不斷提高，催化劑新品種的涌現(xiàn)，特別是各國對化學(xué)肥料的大量需求，因而使得氨合成生產(chǎn)朝向大型化和自動化發(fā)展。對于氨合成生產(chǎn)流程綜合考慮（諸如壓縮氮?dú)浠旌蠚夂脱h(huán)氣的功率消耗，壓縮機(jī)的軸馬力、效率和轉(zhuǎn)速，以及氨合成反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品分離和熱量利用等各方面的因素），普遍的趨向具有以下特點(diǎn)：。由于當(dāng)前離心式壓縮機(jī)制作等原因，世界各國的大型氨廠采用的合成壓力多數(shù)是150～220公斤/厘米2，但是隨著離心式壓縮機(jī)的制造和操作水平的不斷提高，合成壓力還有回升至250～300公斤/厘米2的可能。至于更高的壓力，如350公斤/厘米2以上看來不會發(fā)展。，一方面可以使生產(chǎn)流程簡化，省去了老流程中的濾油設(shè)備，并且從根本上排除了油污對催化劑毒害的威脅。此外，要使生產(chǎn)向大型化發(fā)展，必須進(jìn)一步注意到流程的合理性，諸如對惰性氣的放空、循環(huán)氣中的氨含量等等，都要采取相應(yīng)措施。因?yàn)榘凑諅鹘y(tǒng)方法，由于系統(tǒng)的擴(kuò)大，會招致很大的經(jīng)濟(jì)損失。由于采用了蒸汽驅(qū)動的離心式壓縮機(jī)，為將反應(yīng)熱回收利用，作為合成氨生產(chǎn)所需的動力來源提供了方便的條件。因此，在新的氨合成流程中，都設(shè)有反應(yīng)熱的回收裝置。有的是直接副產(chǎn)蒸汽，也有的是加熱高壓鍋爐給水。總之，在冷卻反應(yīng)氣體的同時(shí)，將反應(yīng)熱都盡量加以回收利用。，從分散調(diào)節(jié)到集中控制以后，又逐步向以控制計(jì)算機(jī)為中心的中央控制室（對設(shè)備或生產(chǎn)過程進(jìn)行綜合最佳控制）過渡，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，尋求和維護(hù)最優(yōu)工況，獲得最大的產(chǎn)量和最低的生產(chǎn)成本。下面介紹比較典型的兩次分離液氨產(chǎn)品的流程，氨在兩個(gè)部位—水冷器和氨冷器中回收。合成塔出口氣體先冷卻到一中間程度，其中大部分氨被冷凝下來，在第一氨分離器中分出，氣體隨即流入循環(huán)壓縮機(jī)，壓縮至合成所需壓力，與新鮮氣體混合，再進(jìn)一步冷卻、冷凝余下的氨，在第二氨分離器中分出，同時(shí)氣體得到最終的凈化，最后進(jìn)入合成塔。這種流程通常用于合成壓力較高的循環(huán)回路中，如壓力為280～340公斤/厘米2的循環(huán)回路，是傳統(tǒng)的中壓流程。我國的大中型和小型合成氨廠的氨合成流程基本屬于這種。屬于這類兩次分離產(chǎn)品方案的流程，單系列容量最高的已達(dá)到1500噸/每天，在采用離心式循環(huán)壓縮機(jī)的大型合成氨廠中，由于離心式循環(huán)壓縮機(jī)不用油潤滑，沒有油污污染合成氣的危險(xiǎn)。因此，新鮮氣在氨冷器之前加入系統(tǒng)，循環(huán)壓縮機(jī)設(shè)在冷凝分離液氨并除去混合氣中微量含氧雜質(zhì)之后。混合氣從循環(huán)機(jī)出來，經(jīng)過換熱后，直接進(jìn)入合成塔。這種流程已在各國相繼建廠并投產(chǎn)，它們有在合成塔后設(shè)置鍋爐給水加熱器以回收熱能的，也有在合成塔后設(shè)置廢熱鍋爐直接生產(chǎn)蒸汽的。這種流程的優(yōu)點(diǎn)是：只需要對全部氨被分離以后的氣體進(jìn)行壓縮，因而可以節(jié)省循環(huán)機(jī)用功。在中小型氨廠典型流程中，新鮮氣與循環(huán)氣均由往復(fù)式壓縮機(jī)加壓，設(shè)置水冷器與氨冷器兩次冷卻，氨合成反應(yīng)熱僅用于預(yù)熱進(jìn)塔氣體。如附件中合成氨流程圖所示，合成塔出口氣經(jīng)水冷器冷卻至常溫，其中部分氨被冷凝，液氨在氨分離器中分出。為了降低惰性氣體含量，循環(huán)氣在氨分離后部分放空，大部分循環(huán)氣進(jìn)循環(huán)壓縮機(jī)補(bǔ)充壓力后進(jìn)慮油器，新鮮原料氣也在此處補(bǔ)入。而后氣體進(jìn)冷凝塔的上部熱交換器與分離液氨后的低溫循環(huán)氣換熱降溫，經(jīng)氨冷器冷卻到0～8℃，使氣體中絕大部分氨冷凝下來，在氨冷凝塔的下部將氣液分開。分離出液氨的低溫循環(huán)氣經(jīng)冷凝塔上部熱交換器與來自循環(huán)壓縮機(jī)的氣體換熱，被加熱到10～30℃進(jìn)氨合成塔，從而完成循環(huán)過程。該流程的特點(diǎn)如下：、氨含量較低的部位以減少氨損失和原料氣消耗；、第二氨分離器之間，循環(huán)氣溫度較低有利于壓縮作業(yè)；，在第二次氨分離時(shí)可以進(jìn)一步達(dá)到凈化目的，可除去油污以及帶入的微量co2和水分。 氨合成塔氨合成塔是合成氨裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。氨合成塔包括包括兩個(gè)主要部分：高壓外筒和內(nèi)件。氨合成塔內(nèi)件是氨合成反應(yīng)的主要場所。內(nèi)件結(jié)構(gòu)對塔的生產(chǎn)影響很大，從工藝角度看，對合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)一般應(yīng)具備以下條件：(1)單塔生產(chǎn)能力高。即內(nèi)件中填充催化劑既多，而且又能充分發(fā)揮其活性效能，同時(shí)盡量延長其使用壽命。(2)操作上便于調(diào)劑控制。當(dāng)工藝操作條件在較大幅度內(nèi)波動時(shí)，也始終能維持穩(wěn)定的適宜條件。(3)具有高的單塔生產(chǎn)能力的同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)也能在高效率下運(yùn)轉(zhuǎn)（系統(tǒng)阻力低，冷凍，分離和循環(huán)用功較少等）。(4)較好的回收利用反應(yīng)熱，作為系統(tǒng)的能源。為了保證上述工藝條件的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然在機(jī)械結(jié)構(gòu)上必須做到堅(jiān)固，可靠，便于運(yùn)輸，拆卸和檢修等等。下面介紹幾種典型的合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)。1. 內(nèi)部換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)一般僅有一個(gè)連續(xù)的催化劑床層，在床層中設(shè)置連續(xù)的換熱裝置，也有少數(shù)是反過來將催化劑置于換熱管中的，通過換熱管內(nèi)及床層內(nèi)冷熱氣流的間接換熱，以調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。這種內(nèi)件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，是床層內(nèi)的軸向溫度分布是連續(xù)遞降的，并且不可避免地存在徑向溫度分布。根據(jù)催化劑床層和換熱管內(nèi)氣流方向間相對關(guān)系的不同，此種結(jié)構(gòu)通常又可分為逆流式及并流式兩種：逆流式的以逆流單管型為代表；并流式的原來都是以雙套管型為典型，但是從溫度發(fā)布及傳熱結(jié)構(gòu)來看，實(shí)際上雙套管型是屬于此兩種結(jié)構(gòu)的混合，而后來發(fā)展的三套管及并流單管型才純屬于并流式。雙套管式氨合成塔結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。圖31并流雙套管式氨合成塔雙套管內(nèi)件結(jié)構(gòu)的氣體流程是：氣體主流從合成塔頂進(jìn)口管入塔，在環(huán)隙中沿塔壁流下至塔底，反向而上經(jīng)下部換熱器殼程，然后到分氣盒分別進(jìn)入各內(nèi)冷管，到頂部折至外冷管，氣體被逐漸預(yù)熱至反應(yīng)起始溫度，流入中心管（內(nèi)設(shè)開工電加熱器），向上到頂部，折入催化劑層，氣體在催化劑層中從上向下，進(jìn)行合成反應(yīng)，出催化劑筐，至下部熱交換器管程，降低溫度后出塔。另外，尚有小部分氣體，從冷氣旁路管送入合成塔，下經(jīng)下部熱交換器，直接與進(jìn)冷管的，已經(jīng)部分預(yù)熱的氣體混合，以控制催化劑床層溫度。2. 間斷換熱式內(nèi)件結(jié)構(gòu)這種形式的內(nèi)件結(jié)構(gòu)通常都將催化劑床層分成約3—6層，借催化劑各層間的換熱調(diào)節(jié)催化劑床層的溫度。多層式結(jié)構(gòu)能靈活控制各催化劑層的溫度，并使床層內(nèi)的溫度分布接近于最適宜溫度曲線。由于間層換熱方式的不同，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)件又可分為直接式與間接式兩種。下面重點(diǎn)介紹多層式冷激塔的結(jié)構(gòu)。(1)多層冷激式 多層冷激式合成塔的結(jié)構(gòu)如圖32所示。合成塔的筒體分成兩段，上小下大，由法蘭連接。床外熱交換器裝在催化劑筐的上部，其管束長度受催化劑筐的限制較小。熱交換器的上管箱通過連接管和頂部出口相連，下箱管則和中心管相連。控制反應(yīng)氣體溫度用的冷激氣由頂部球形封頭上的接管進(jìn)入，經(jīng)直管到環(huán)形管，再從環(huán)形管的孔眼中噴出。環(huán)形管裝在一，二，三段床層支撐板下面的反應(yīng)空間內(nèi)，為保證反應(yīng)氣體和冷激氣均勻混合，在環(huán)形管旁邊裝設(shè)擋板，兩者緊密貼近，擋板最好呈倒立的截錐形，其底邊和冷激氣的噴出方向相垂直。擋板有中心孔，供反應(yīng)氣體通過。由于中心孔較小，從而迫使冷熱氣體緊密接觸，有利于達(dá)到均勻混合。中心孔底下有分布板，其作用是使通過中心孔的氣體沿整個(gè)催化劑床層截面重新分布。由于各段床層的卸料管裝滿了催化劑，氣體通過卸料管的壓力降比通過反應(yīng)空間的壓力降大的多，因而絕大部分反應(yīng)氣體經(jīng)中心孔向下流動，從卸料管流到下一段床層的僅有少量的氣體。圖32多層直接冷激式氨合成塔a軸向氨合成塔 b徑向氨合成塔第一段床層上有盤管。開關(guān)時(shí)，經(jīng)過預(yù)熱的反應(yīng)氣由封頭上的接管，塔內(nèi)的撓性管，經(jīng)盤管而進(jìn)入第一段床層的反應(yīng)空間上。生產(chǎn)時(shí)可控制第一層催化劑床的進(jìn)口溫度。在操作時(shí)，反應(yīng)氣體由合成塔的底封頭接管進(jìn)入塔內(nèi)，向上流動，經(jīng)過催化劑筐和筒體之間的環(huán)形通道以冷卻筒壁，氣體再穿過催化劑