【正文】 筑大學(xué)廣思源隊(duì) 2020 年 7 月 8 日 2 方案設(shè)計(jì)依據(jù)、范圍及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) （ 1） 2020 年西門子杯全國(guó)大學(xué)生自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽設(shè)計(jì)開發(fā)型競(jìng)賽組分賽區(qū)考題及其初賽評(píng)分細(xì)則。 本設(shè)計(jì)包括 基礎(chǔ)過程控制系統(tǒng)（ BPCS）方案設(shè)計(jì)、安全相關(guān)系統(tǒng)（ SRS）方案設(shè)計(jì)、自控設(shè)備的選型以及儀表電源供給方案設(shè)計(jì)。 大賽要求以一個(gè)實(shí)用的控制工程項(xiàng)目為背景，大賽組委會(huì)作為甲方發(fā)布工程項(xiàng)目的控制需求，各參賽隊(duì)伍以乙方身份，根據(jù)甲方對(duì)于安全、穩(wěn)定、綠色生產(chǎn)的要求，完成工程方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施工程項(xiàng)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(shí)，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(shè)調(diào)節(jié)閥 FV1203。 （ 2） 滿足節(jié)能指標(biāo)的考慮 ：出于對(duì)效能、環(huán)境等因素的考慮，要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施中對(duì)過熱蒸汽用量等能耗等指標(biāo)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(hào) 內(nèi) 容 符號(hào) 內(nèi) 容 0 初始狀態(tài) 打開閥 FV1201 1 冷態(tài)開車 LI1201達(dá)到 80% 2 穩(wěn)態(tài)工況 設(shè)置控制器 LIC1201設(shè)定值并投自動(dòng) 3 正常停車 打開閥 FV1202 4 終止?fàn)顟B(tài) 打開閥 FV1203 5 緊急停車 流量 FI1202超過 6 緊急處理 設(shè)置控制器 FIC1202設(shè)定值并投自動(dòng) S1 進(jìn)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(fù)荷，調(diào)節(jié)閥 FV1202 S5 蒸發(fā)器的出口流量穩(wěn)定在 S6 關(guān)閉閥 FV1202 設(shè)置控制器 FIC1202設(shè)定值并投自動(dòng) S7 關(guān)閉閥 FV1105 11 表 系統(tǒng)13 工作 狀態(tài)表 表 14 條件列表 符號(hào) 內(nèi)容 ready 所有閥門全部處于關(guān)閉狀態(tài) start 按下開車按鈕 S8 關(guān)閉閥 FV1203 S9 關(guān)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(dòng)啟動(dòng) 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(duì)象 —— 蒸發(fā)器是一個(gè)復(fù)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(gè)圓圈代表一個(gè)參數(shù)，圓圈之間的箭頭表達(dá)了參數(shù)之間的影響關(guān)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的準(zhǔn)確控制常使用 PID控制器進(jìn)行合理控制。 流量的測(cè)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(cè)量信號(hào)常常是頻繁地變動(dòng)。 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(dòng)，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(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)在整個(gè)工程方案設(shè)計(jì)中占有十分重要的地位，一個(gè)控制系統(tǒng)的成功與否主要取決于是否有一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的控制方案。 （ 2）安全可靠 保證控制系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全、可靠、穩(wěn)定，是設(shè)計(jì)中的重要原則。本參賽隊(duì)以上述原則為基本出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)蒸發(fā)器生產(chǎn)工藝要求，對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)。 16 二、控制閥選型原則 （ 1）閥門開閉形式選擇原則 對(duì)于一個(gè)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(zhì)的特點(diǎn)考慮。如果出現(xiàn)這種情況，需要與工藝專業(yè)人員認(rèn)真分析、仔細(xì)協(xié)商、分清主次、權(quán)衡利弊、慎重選擇。固有流量特性是調(diào)節(jié)閥兩端壓降恒定時(shí)的流量特性，亦稱為理想流量特性。圖 所示為調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，可以看出流過調(diào)節(jié)閥的流量隨調(diào)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(diào)節(jié)閥工作流量特性的目的是通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的增益來補(bǔ)償因?qū)ο笤鲆孀兓斐傻拈_環(huán)總增益變化的影響。 對(duì)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(duì)象 K p=1。 當(dāng) S 時(shí)，應(yīng)選理想流量特性與所需工作流量特性相同；當(dāng) S 時(shí)，應(yīng)該采用特殊的低 S 調(diào)節(jié)閥；當(dāng) S 時(shí)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 21 所示。在控制回路中，對(duì)象、調(diào)節(jié)閥、測(cè)量變送裝置和偏差環(huán)節(jié)的符號(hào)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(shí)加以考慮： 對(duì)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(guān)控制； 對(duì)于不太重要的參數(shù)，但是慣性較大，又不希望動(dòng)態(tài)偏差較大，可考 慮采用比例 微分控制。因此對(duì)于一些重要的流量參數(shù)，通常需要 進(jìn)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(shí)必須保證生產(chǎn)安全；降低原料、成品、動(dòng)力損耗等，當(dāng)發(fā)生故障的時(shí)候，為了節(jié)約保證濃縮液濃度，應(yīng)該將濃縮液流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，所以濃縮液出料流量調(diào)節(jié)閥門為氣開閥。由于時(shí)間常數(shù)很小，其控制通道基本上是一個(gè)放大系數(shù)接近于 1 的放大環(huán)節(jié)。有時(shí)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(zhì)量。 二、控制方案 濃縮液組分是質(zhì)量指標(biāo)，然而，在蒸發(fā)器工程 中，濃縮液組分無法在線測(cè)量和分析，因此不能直接選取質(zhì)量指標(biāo)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(jí)控制系統(tǒng)的主回路。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，所以整個(gè)副回路的符號(hào)為“正”：溫度對(duì)象以及測(cè)量變送裝置的符號(hào)均為“正”，偏差環(huán)節(jié)的符號(hào)為“負(fù)”：根據(jù)整個(gè)回路必須構(gòu)成負(fù)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(wù)上看，主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，主控制器起定值控制作用。對(duì)于過熱蒸汽流量控制回路，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，所以應(yīng)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(diào)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(duì)蒸發(fā)器液位有影響主要是稀液的進(jìn)料流量和濃縮液的出口流量。而輸入量的設(shè)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(shè)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(dòng)； 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(yùn)過程必須保證無擾動(dòng)切換，以保證生產(chǎn)的平穩(wěn)運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)快速、準(zhǔn)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(duì)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(shí)現(xiàn)原料的高效利用。 蒸發(fā)器控制方案設(shè)計(jì)中的節(jié)能減排 在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，要充分考慮節(jié)能減排 的要求，以 達(dá)到節(jié)能減排的目的。大多數(shù)化工過程要求信號(hào)報(bào)警、安全儀表系統(tǒng)采用失效安全的原則，使設(shè)備在特定的故障發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)入預(yù)定義的安全狀態(tài)。 安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟 本方案首先通過對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行安全分析，確定系統(tǒng)中包含哪些危險(xiǎn)隱患，再設(shè)計(jì) 相應(yīng)的安全相關(guān)系統(tǒng)，在滿足安全生產(chǎn)需要的前提下保證安全相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。 由于石化生產(chǎn)裝置的復(fù)雜性導(dǎo)致了潛在風(fēng)險(xiǎn)數(shù)目極大，不可能對(duì)所有的風(fēng)險(xiǎn)都采取措施。只有在獲得所有可能的潛在風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，才能對(duì)裝置進(jìn)行充分、完整地防護(hù)層設(shè)計(jì)與校核。如若不然，回到第三步重新進(jìn)行防護(hù)層校核與設(shè)計(jì)。 表 23 蒸發(fā)器風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的頻率等級(jí) 頻率等級(jí) 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(fēng)險(xiǎn)發(fā)生所導(dǎo)致的后果嚴(yán)重等級(jí)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(jí) 后果嚴(yán)重程度 1 人員：無傷害，無時(shí)間損失 公眾：無傷害、危險(xiǎn) 環(huán)境：不會(huì)帶來工作場(chǎng)所和環(huán)境危害 設(shè)備：估計(jì)損失低于 1萬元 2 人員：很小的傷害或無傷害，無時(shí)間損失 公眾：無傷害、危險(xiǎn) 環(huán)境：不會(huì)受到通告或違反允許條件 設(shè)備：很小的設(shè)施損害，估計(jì)損失低于 10萬元 3 人員： 1人受到傷害，不是特別嚴(yán)重，可能會(huì)損失時(shí)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(shè)備：有些設(shè)施 受到損害，估計(jì)損失大于 10萬元 4 人員： 1人或多人嚴(yán)重受傷 公眾： 1人或多人受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場(chǎng)所外帶來嚴(yán)重影響 設(shè)備：生產(chǎn)過程設(shè)施受到損害，估計(jì)損失大于 50萬元 5 人員：人員死亡或永久性失去勞動(dòng)能力的傷害 公眾： 1人或多人嚴(yán)重受傷 環(huán)境：重大泄漏，給工作場(chǎng)所帶來嚴(yán)重環(huán)境影響，導(dǎo)致直接或潛在的健康危害 設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)施嚴(yán)重或全部損害，估計(jì)損失大于 100萬元 表 25 蒸發(fā)器事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí) 說明 無危害 不需要采取行動(dòng) 可 接受 可選擇性的采取行動(dòng)，需評(píng)估可選擇的方案 待審查 選擇合適的時(shí)機(jī)采取行動(dòng)，通知公司管理部門 不可接受 立即采取行動(dòng)，通知公司管理部門 裝置中所有潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)，都需要用風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行核查。 下面結(jié)合蒸發(fā)器 SDG 模型來進(jìn)行危險(xiǎn)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(dǎo)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致的質(zhì)量的下降等）。與之相應(yīng)的 HAZOP 結(jié)論如表 2