【正文】 筑大學廣思源隊 2020 年 7 月 8 日 2 方案設計依據(jù)、范圍及相關標準 （ 1） 2020 年西門子杯全國大學生自動化挑戰(zhàn)賽設計開發(fā)型競賽組分賽區(qū)考題及其初賽評分細則。 本設計包括 基礎過程控制系統(tǒng)（ BPCS）方案設計、安全相關系統(tǒng)（ SRS）方案設計、自控設備的選型以及儀表電源供給方案設計。 大賽要求以一個實用的控制工程項目為背景，大賽組委會作為甲方發(fā)布工程項目的控制需求，各參賽隊伍以乙方身份，根據(jù)甲方對于安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)的要求，完成工程方案設計，并進入現(xiàn)場實施工程項目。蒸發(fā)器向液體提供蒸發(fā)所需要的熱量，促使液體沸騰汽化，同時，提供較大空間使氣液兩相完全分離。加熱室中產(chǎn)生的蒸汽帶有大量液沫，到了較大空間的蒸發(fā)室后，這些液體借自身凝聚或除沫器等的作用得以與蒸汽分離。經(jīng)過換熱后的過熱蒸汽變?yōu)槔淠懦?。二次蒸汽流量?FT1203，二次蒸汽流量管線設調節(jié)閥 FV1203。 （ 2） 滿足節(jié)能指標的考慮 ：出于對效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設計和實施中對過熱蒸汽用量等能耗等指標予以充分考慮。 12043S 1S 2S 3S 4S 5S 1. 1S 1. 2S 1. 3S 2. 1S 2. 2S 2. 3S 2. 4S 3. 1S 3. 2S 3. 3S 4. 1S 4. 2S 4. 3終 止 狀 態(tài) 正 常 停 車起 始 狀 態(tài)冷 態(tài) 開 車穩(wěn) 態(tài) 工 況S t o pS 6S 7S 8S 9 圖 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)圖 10 1 2 356S 6S 7 S 8S 941t 2t 圖 緊急停車狀態(tài)圖 符號 內(nèi) 容 符號 內(nèi) 容 0 初始狀態(tài) 打開閥 FV1201 1 冷態(tài)開車 LI1201達到 80% 2 穩(wěn)態(tài)工況 設置控制器 LIC1201設定值并投自動 3 正常停車 打開閥 FV1202 4 終止狀態(tài) 打開閥 FV1203 5 緊急停車 流量 FI1202超過 6 緊急處理 設置控制器 FIC1202設定值并投自動 S1 進料 打開閥 FV1105 S2 LI1201穩(wěn)定在 80% 溫度 TI1201超過 99℃ S3 濃縮液出口流量穩(wěn)定在 S4 蒸發(fā)器溫度穩(wěn)定在 108℃ 提升負荷，調節(jié)閥 FV1202 S5 蒸發(fā)器的出口流量穩(wěn)定在 S6 關閉閥 FV1202 設置控制器 FIC1202設定值并投自動 S7 關閉閥 FV1105 11 表 系統(tǒng)13 工作 狀態(tài)表 表 14 條件列表 符號 內(nèi)容 ready 所有閥門全部處于關閉狀態(tài) start 按下開車按鈕 S8 關閉閥 FV1203 S9 關閉閥 FV1201 12 stop 按下停車按鈕 a1 按下緊急停車按鈕或緊急停車聯(lián)鎖自動啟動 t1 蒸發(fā)器溫度 T1201超過 200℃ t2 蒸發(fā)器液位高于 90％ 蒸發(fā)器特性分析 通過上述狀態(tài)圖描述可以知道被控對象 —— 蒸發(fā)器是一個復雜的控制系統(tǒng)。 FV1105開 度FI1105TI1201PI1201FV1201閥 后 壓 力FV1201開 度LI1201AI1201FV1201開度稀 液 蒸 發(fā) 量FI1203蒸 發(fā) 器上 部 汽相 組 分FV1202閥 前 壓力FV1202 圖 蒸發(fā)器 SDG模型 SDG 是一種系統(tǒng)的定性描述方式，圖中每一個圓圈代表一個參數(shù)，圓圈之間的箭頭表達了參數(shù)之間的影響關系，箭頭的始端代表影響變量，箭頭的末端代表被影響變量。不同對象參數(shù)具有不同的特性，需要采用不同的控制方法。 由于溫度變化滯后大，控制起來不靈敏，因此溫度控制系統(tǒng)需要增加微分作 用環(huán)節(jié)。因此，在工業(yè)生產(chǎn)中要實現(xiàn)對系統(tǒng)溫度的準確控制常使用 PID控制器進行合理控制。 流量的測量容易受到噪聲的干擾，流量本身可能是平穩(wěn)的，平均流量沒有什么變化，但是測量信號常常是頻繁地變動。 由于噪聲頻率很高，盡管噪聲幅度變化不大，但若加 上微分控制器，則其輸出容易出現(xiàn)波動，反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 觀察該控制系統(tǒng)，影響蒸發(fā)器液位高低的主要因素是稀液的流入量、濃縮液的流出量以及冷凝水的排出量。 15 總體方案設計原則 系統(tǒng)控制方案設計在整個工程方案設計中占有十分重要的地位，一個控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個設計優(yōu)良的控制方案。 （ 2）安全可靠 保證控制系統(tǒng)長期運行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設計中的重要原則。本參賽隊以上述原則為基本出發(fā)點，根據(jù)蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝要求，對蒸發(fā)器進行控制方案設計。 16 二、控制閥選型原則 （ 1）閥門開閉形式選擇原則 對于一個具體的控制系統(tǒng)來說，究竟選擇氣開閥還是氣閉閥，要由具體的生產(chǎn)工藝來決定。 ④ 從介質的特點考慮。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認真分析、仔細協(xié)商、分清主次、權衡利弊、慎重選擇。固有流量特性是調節(jié)閥兩端壓降恒定時的流量特性，亦稱為理想流量特性。圖 所示為調節(jié)閥的流量特性曲線，可以看出流過調節(jié)閥的流量隨調節(jié)閥開度的變化曲線，其中 1 為線性流量特性， 2 為等百分比流量特性， 3 為快開流量特性。 選擇調節(jié)閥工作流量特性的目的是通過調節(jié)閥調節(jié)機構的增益來補償因對象增益變化而造成的開環(huán)總增益變化的影響。 對于流量控制回路，被 控變量與操縱變量相同，都為流量，所以流量對象 K p=1。 當 S 時，應選理想流量特性與所需工作流量特性相同；當 S 時，應該采用特殊的低 S 調節(jié)閥；當 S 時，對應關系如表 21 所示。在控制回路中，對象、調節(jié)閥、測量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號是很容易確定的，這樣就可以確定控制器的正反作用。有一些基本原則可以在選擇時加以考慮： 對于不太重要的參數(shù)，可以考慮采用比例控制，甚至采用開關控制； 對于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動態(tài)偏差較大，可考 慮采用比例 微分控制。因此對于一些重要的流量參數(shù)，通常需要 進行控制，以保證生產(chǎn)的平衡性。 二、控制閥選型 根據(jù)閥門開閉形式的選擇原則：發(fā)生故障時必須保證生產(chǎn)安全；降低原料、成品、動力損耗等，當發(fā)生故障的時候，為了節(jié)約保證濃縮液濃度，應該將濃縮液流量調節(jié)閥關閉，所以濃縮液出料流量調節(jié)閥門為氣開閥。由于時間常數(shù)很小，其控制通道基本上是一個放大系數(shù)接近于 1 的放大環(huán)節(jié)。有時可在變送器和控制器間接入反微分器，以提高系統(tǒng)的控制質量。 二、控制方案 濃縮液組分是質量指標，然而，在蒸發(fā)器工程 中，濃縮液組分無法在線測量和分析，因此不能直接選取質量指標作為被控變量。在該控制系統(tǒng)中，蒸發(fā)器溫度控制回路為串級控制系統(tǒng)的主回路。在串級控制系統(tǒng)中，副回路是隨動控制系統(tǒng)，所以整個副回路的符號為“正”：溫度對象以及測量變送裝置的符號均為“正”，偏差環(huán)節(jié)的符號為“負”：根據(jù)整個回路必須構成負反饋的原則可以得出，主控制器為 正作用 控制器。 從控制任務上看，主回路是一個定值控制系統(tǒng)，主控制器起定值控制作用。對于過熱蒸汽流量控制回路，當發(fā)生故障時，閥門應處于關閉狀態(tài)，所以應選擇氣開式。 （ 3）主、副回路閉合，主回路參數(shù)不變的情況下，在調整副回路的參數(shù)。 PID 控制器 將 Td 置為 0，按 PI 控制器的方法整定 PI 值。 對蒸發(fā)器液位有影響主要是稀液的進料流量和濃縮液的出口流量。而輸入量的設定值 R1(s)代表的是蒸發(fā)器的液位為蒸發(fā)器總液位高度的 80%； R2(s)為稀液流量控制器的設定值；E1(s)和 E2(s)分別是主回路和副回路的偏差量； Z1(s)和 Z2(s)分別是主回路和副回路的反饋量； D1(s)和 D2(s)分別是主被控量和副被控量的擾動； Y1（ s）為系統(tǒng)的輸出量。所以稀液流量副控制器為反作用。）（主變送器177。其二是投運過程必須保證無擾動切換，以保證生產(chǎn)的平穩(wěn)運行。按照 PID 參數(shù)整定的方法，整定出 P、I的參數(shù)，是流量能夠滿足隨動系統(tǒng)快速、準確的要求。 正常工作下的蒸發(fā)器裝置，節(jié)能就是要提 高蒸發(fā)器的效率，即減少蒸發(fā)器的熱損失，并且要充分利用原料。對于原料，主要有過 27 熱蒸汽和稀液兩種，合理控制流量和蒸發(fā)器的溫度、壓力，變可以實現(xiàn)原料的高效利用。 蒸發(fā)器控制方案設計中的節(jié)能減排 在設計控制方案時，要充分考慮節(jié)能減排 的要求，以 達到節(jié)能減排的目的。大多數(shù)化工過程要求信號報警、安全儀表系統(tǒng)采用失效安全的原則，使設備在特定的故障發(fā)生時轉入預定義的安全狀態(tài)。 安全相關系統(tǒng)設計步驟 本方案首先通過對被控對象進行安全分析，確定系統(tǒng)中包含哪些危險隱患，再設計 相應的安全相關系統(tǒng)，在滿足安全生產(chǎn)需要的前提下保證安全相關系統(tǒng)設計的合理性和經(jīng)濟性。 由于石化生產(chǎn)裝置的復雜性導致了潛在風險數(shù)目極大，不可能對所有的風險都采取措施。只有在獲得所有可能的潛在風險的基礎上，才能對裝置進行充分、完整地防護層設計與校核。如若不然，回到第三步重新進行防護層校核與設計。 表 23 蒸發(fā)器風險發(fā)生的頻率等級 頻率等級 發(fā)生次數(shù) 1 1000年 1次 2 100年 1次 3 10年 1次 4 1年 1次 5 1年 10次 表 24 蒸發(fā)器風險發(fā)生所導致的后果嚴重等級度 后果 1 2 3 4 5 1 無危害 可接受 可接受 待審查 待審查 2 可接受 可接受 待審查 待審查 待審查 3 可接受 待審查 待審查 待審查 不可接受 4 待審查 待審查 待審查 不可接受 不可接受 5 待審查 待審查 不可接 受 不可接受 不可接受 31 后果等級 后果嚴重程度 1 人員：無傷害，無時間損失 公眾：無傷害、危險 環(huán)境：不會帶來工作場所和環(huán)境危害 設備：估計損失低于 1萬元 2 人員：很小的傷害或無傷害，無時間損失 公眾：無傷害、危險 環(huán)境：不會受到通告或違反允許條件 設備：很小的設施損害，估計損失低于 10萬元 3 人員： 1人受到傷害，不是特別嚴重，可能會損失時間 公眾：因氣味或噪聲引起公眾抱怨 環(huán)境：受到通告或違反允許條件 設備：有些設施 受到損害，估計損失大于 10萬元 4 人員： 1人或多人嚴重受傷 公眾： 1人或多人受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場所外帶來嚴重影響 設備：生產(chǎn)過程設施受到損害，估計損失大于 50萬元 5 人員：人員死亡或永久性失去勞動能力的傷害 公眾： 1人或多人嚴重受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場所帶來嚴重環(huán)境影響，導致直接或潛在的健康危害 設備：生產(chǎn)設施嚴重或全部損害，估計損失大于 100萬元 表 25 蒸發(fā)器事故風險等級 風險等級 說明 無危害 不需要采取行動 可 接受 可選擇性的采取行動，需評估可選擇的方案 待審查 選擇合適的時機采取行動，通知公司管理部門 不可接受 立即采取行動，通知公司管理部門 裝置中所有潛在的事故風險，都需要用風險矩陣進行核查。 下面結合蒸發(fā)器 SDG 模型來進行危險與可操作性分析。 （ 1） 二次蒸汽管道爆炸 如圖 ，蒸發(fā)器溫度越高，由于金屬的導熱性比較良好，使得二次蒸汽管道溫度迅速上升，到一定情況后會發(fā)生爆裂。）和使二次蒸汽管道溫度驟升的因素（如管道本身的生產(chǎn)故障或是因長時間使用導致的質量的下降等）。與之相應的 HAZOP 結論如表 2