【正文】 FI1201 稀液流量 Kg/s FI1202 濃縮液流量 Kg/s FI1203 二次蒸汽流量 Kg/s LI1201 蒸發(fā)器液位 % TI1201 蒸發(fā)器溫度 ℃ PI1201 蒸發(fā)器壓力 M Pa 表 12 執(zhí)行機構說明 位號 執(zhí)行機構說明 FV1105 過熱蒸汽管線調節(jié)閥 FV1201 蒸發(fā)器入后稀液管線調節(jié)閥 FV1202 蒸發(fā)器底部出口濃縮液管線調節(jié)閥 FV1203 蒸發(fā)器頂部出口二次蒸汽管線調節(jié)閥 蒸發(fā)器 E1201 對象工藝過程簡介 蒸發(fā)器是一類有相變的換熱裝置，在過程工業(yè)中廣泛應用于濃縮、提純等環(huán)節(jié)。 蒸發(fā)器控制任務描述 針對本次控制對象的控制任務，具體分為以下三個方面： （ 1）滿足生產指標的考慮： 在濃縮液流量穩(wěn)定的前提下，保證濃縮液中組分（糖分）維持在%~%的波動范圍之內。上述輸入變量和輸出變量之間相互關聯。溫度動態(tài)特性具有慣性大，容易受其它因素干擾，且易于變化的特點。這是由于工業(yè)過程中調節(jié)閥（執(zhí)行機構）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，緩沖余地小，閥門一動作，流量立即變化， 滯后時間小、響應快。 （ 3） 液位 液位特性的特點是負荷變化不大、滯后比較小、且在一定范圍內允許變化。 因此，為實現此目的，設計加熱爐裝置的控制方案時，應遵循以下基本原則： （ 1）滿足要求 最大限度地滿足被控對象的控制要求，這是設計該控制系統(tǒng)的首要前提，也是設計中最重要的一條原則。 基礎過程控制系統(tǒng) (BPCS) 基礎過程控制系統(tǒng)設計原則 一、控制方案設計原則 控制方案的設計遵循合理性、可行性原則，即所設計的控制方案一 定是經過驗證可以實施的。不過，如遇到下面兩種情況時，在調節(jié)閥開、閉形式的選擇上需要加以注意。調節(jié)閥出廠所提供的流量特性是理想流量特性。為使 K 開恒定，需用調節(jié)閥增益 Kv2 的變化補償過程對象增益 K p。反之，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾，過渡過程將會發(fā)散。 濃縮液流量單回路控制系統(tǒng) 所需工作流量特性 應選理想流量特性 線性 等百分比 等百分比 等百分比 快開 線性 19 濃縮液流量是生產過程中具有傳播性質的參量，通過流體的流動，將生產單元有效的銜接起來。 三、 控制器正反作用選定 在濃縮液出料流量控制回路中，流量調節(jié)閥為氣開閥，符號為“正”；當流量調節(jié)閥開大時，濃縮液流量會增加，所以流量對象的符號為“正”；變送器的符號為“正”；偏差環(huán)節(jié)的符號為 “負”； 20 為了保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定，必須保證該系統(tǒng)的反饋為負反饋，即該控制系統(tǒng)中各組成部分的符號之積為“負”，所以濃縮液流量控制器為正作用控制器。 因為生產工藝對進料流量的穩(wěn)定性要求較高，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，控制器應該具有積分作用，所以濃縮液出料流量控制器采用 PI 控制器。 三、控制器正 反作用的確定 在串級控制系統(tǒng)中控制器正反作用的確定采取“先副后主”的判斷過程。因此主控制回路采用 PID 控制。 PID 參數整定列表 P 控制器 將比例帶放在較大位置，逐步減小，觀察被控量的過渡過程曲線， 直到曲線滿意為止。如圖 所示，為蒸發(fā)器液位 稀液流量串級控制方案。）（副回路177。手動調節(jié) FV1201 開度，當液位接近 80％時，將副回路投入自動。如果二次蒸汽控制閥的開度越大，則熱損失越嚴重，但要是二次蒸汽的開度不足夠大，則會出現安全隱患。針對于在該系統(tǒng)中的減排控制，我們秉承安全、合理控制的原則進行悉心設計，由于系統(tǒng)本身比較環(huán)保和綠色，因此只要能實現準確控制，則不會出現排放污染的問題。 目 的 ： 定 義 可接 受 的 風 險 水平目 的 ： 識 別 系統(tǒng) 中 所 有 潛 在可 能 事 件 鏈目 的 ： 針 對 每一 事 件 鏈 ， 分析 保 護 措 施 充足 與 否目 的 ： 審 查 所 有不 可 接 受 的 風 險是 否 已 受 到 防 護工 具 ： 風 險 矩 陣工 具 ： H A Z O P 工 具 ： L O P A 工 具 ： 人 工定 義 風 險 等 級 識 別 潛 在 風 險 校 核 防 護 層 設 計 結 論 審 查 圖 安全相關系統(tǒng)設計步驟 第一步：定義風險等級 在生產裝置中引進安全防護手段，其作用是為了將風險減低到企業(yè)可接受的水平。如果不能 滿足要求，則需要引入新的防護措施，并對引入新的防護措施后的風險降低程度重新進行計算。 二、蒸發(fā)器風險辨識 下面采用國際公認的石化行業(yè)最佳的風險識別方法 —— 危險與可操作性分析（ Hazard and 32 Operability Analysis， HAZOP）方法，對加熱爐裝 置進行風險識別。與之相應的 HAZOP 結論如表 26所示。）和使稀液流量驟減的因素（如蒸發(fā)器溫度和壓力過大的反作用使流入量驟降）； AI1201 為蒸發(fā)器內濃縮液濃度。 （ 2）進料中斷或及進料量過少 如圖 進料中斷會導致蒸發(fā)器溫度急劇升高而可能使二次蒸汽管道發(fā)生爆裂。 F V 1 1 0 5開 度F I 1 1 0 5T I 1 2 0 1P I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 閥 后 壓 力F I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 開 度L I 1 2 0 1A I 1 2 0 1F V 1 2 0 1 開度稀 液 蒸 發(fā) 量F I 1 2 0 3蒸 發(fā) 器上 部 汽相 組 分F V 1 2 0 2閥 前 壓力F V 1 2 0 2RT I 1 2 0 3RCRCR粘 性 物 質 長 時間 積 累C 圖 210 蒸發(fā)器 SDGHAZOP模型 該模型蘊含了 62 條關于事故原因和不利后果之間的因果關系鏈，下面針對如下幾種情況進行具 33 體分析。 30 圖 蒸發(fā)器裝置風險矩陣 風險矩陣的行代表風險發(fā)生的頻率，列代表風險發(fā)生所導致的后果的嚴重程度，矩陣中每一個元素代表某個風險發(fā)生時，其后果是否可以接受，如果不能接受或需要審查，則需要進行防護層的校核和安全相關系統(tǒng)的設計。只有將風險等級進行明確的定義和劃分后，才能以此為衡量指標，在眾多的潛在風險中找到必須要解決的關鍵風險。安全相關系統(tǒng)的設計原則如下： （ 1）信號報警、聯鎖點的設置，動作設定值以及調整范圍必須符合生產工藝的要求； （ 2）在滿足安全生產的前提下，應當盡量選擇線路簡單、元器件數量少的方案； 28 （ 3）安全相關系統(tǒng)應當安裝在振動小、灰塵少、無腐蝕氣體、無電磁干擾的場所 ； （ 4）應用 DCS 和 PLC 時，可采用經權威機構認證的 DCS/PLC 來構造安全相關系統(tǒng)； （ 5）安全相關系統(tǒng)中安裝在危險場所的檢出裝置、執(zhí)行器、按鈕、信號燈、開關等應當 符合所在場所的防爆、防火要求； （ 6）安全相關系統(tǒng)的供電要求與一般儀表供電等級相同，為保證重要安全儀表系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的工作，應當為其配備不間斷電源。比如當熱交換不充分情況下，二次蒸汽不再是單 純的水蒸汽；當控制不完善使得濃縮液的濃度不符合要求，則會出現液體污染；當出現安全隱患發(fā)生控制過程中的安全問題時，稀液沒有經過充分熱交換而直接通過冷凝水出口流出污染環(huán)境。 25 蒸發(fā)器蒸發(fā)系統(tǒng)綜合控制方案表 表 22 BPCS 控制回路匯總 控制回路 被控變量 操縱變 量 控制器正反作用 控制器執(zhí)行規(guī)律 執(zhí)行機構開閉形式 執(zhí)行機構流量特性 濃縮液流量單回路控制 生成濃縮液流量 生成濃縮液流量 正 PI 氣開閥 等百分比 蒸發(fā)器溫度 過熱蒸汽流量串級控制 蒸發(fā)器溫度 過熱蒸汽流量 主正，副正 主 PID，副 P 氣開閥 等百分比 蒸發(fā)器液位 稀液流量串級控制 蒸發(fā)器液位 稀液流量 主負，副負 主 PI，副 PI 氣開閥 等百分比 開車順序控制 開車過程需要綜合考慮生產安全、節(jié)能、環(huán)保等多方面因素，并且通過反復實踐才能得 出最優(yōu)的開車步驟。可以確定主控制器也為反作用。為了讓液位控制無余差且考慮到液位滯后不是很嚴重，所以蒸發(fā)器液位控制也采用 PI控制。 蒸發(fā)器液位 稀液流量串級控制 一、主副回路設計 在生產過程中，液位的波動會引起蒸發(fā)室溫度和壓力的的波動在生產過程中是不允許的。 六、參數整定步驟 （ 1）斷開主回路，閉合副回路，整定流量控制器的參數，按照 PID 參數整定方法，整定出 P 參數，使流量能夠滿足隨動系統(tǒng)快速、準確的要求。副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的給定值隨主控制 器的輸出的變化而變化，為了能快速跟蹤，副控制器最好不帶積分作用，因為積分作用會使跟蹤變得緩慢。由于過熱蒸汽流量直接決定蒸發(fā)器溫度，可以通過控制過熱蒸汽流量來調節(jié)蒸發(fā)器溫度。此時組成的系統(tǒng)可控性較差，且頻率較高，所以控制器的比例度必須放得大些。由于濃縮液的流量可以波動，除此之外沒有其他擾動，因此選用單回路控制系統(tǒng)，且對濃縮液流量進行控制時，被控變量和操作變量都是濃縮液的流量。 四、控制器規(guī)律選擇原則 工業(yè)過程中常見的控制規(guī)律有開關控制、比例控制、比例 積分控制、比例 微分控制、比例 積分 微分控制等。若使用差壓變送器而又沒有加開方器時，變送器輸出與壓差成正比，即 YM=KQ2； KM=d Y/d Q=2KQ，使KM K p 與流量 Q 成正比，為補償該非線性關系，應選擇 Kv2 與流量 Q 的倒數成正比的調節(jié)閥流量特性，即選用快開調節(jié)閥。所以在調節(jié)閥流量特性選擇時，先選好工作流量特性，然后根據壓降比 S 來確定理想流量特性。 (2) 閥門流量特性選擇原則 調節(jié)閥的流量特性指流過調節(jié)閥的流量與閥桿行程之間的函數關系。 ② 從保證產品質量出發(fā)，當調節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而回復到初始位置時，不應降低產品的質量。 （ 3）經濟實用 在滿足控制要求的前提下，力求控制系統(tǒng)簡單、經濟、實用、維護方便。且容易實現對它的測量。特別是流體通過截流裝置時，此種騷動程度比較大，產生的噪聲也較大。溫度控制的操縱變量通常是流量，如加熱介質的流量、冷卻介質的流量、燃料的流量等。通過加熱爐 SDG 模型，可以直觀地表達出各輸入、輸出變量以及中間變量 13 之間的相互影響關系以及參數之間的耦合關系。 蒸發(fā)器特性分析 狀態(tài)圖描述 為了便于對蒸發(fā)器進行對象分析，更系統(tǒng)、更全面的了解和掌握控制對象的特性，下面采用系統(tǒng)描述語言 —— 狀態(tài)圖對蒸發(fā) 器裝置進行描述，狀態(tài)圖能夠清楚表達系統(tǒng)的所有狀態(tài)及其轉移條件，其中圖 ，圖 。稀液流量為 FI1201，析液流量管線設調節(jié)閥 FV1201。蒸發(fā)器的主要控制指標是最終產品的濃度。 自控工程設計常用的方法是由工藝專業(yè)提條件，自控與工藝專業(yè)一起討論確定控制方案，確定開、停車以及緊急事故處理方案等。 （ 3） SIMATIC PCS7 使用手冊及產品目錄。 蒸發(fā)器 E1201對象描述 蒸發(fā)器工藝流程的描述 蒸發(fā)器是通過加熱，使溶液濃縮或者從溶液中析出物質的設備。滿足工藝要求的過熱蒸汽由蒸發(fā)器 E1201 中部通入蒸發(fā)器夾套，過熱蒸汽流量為 FI1105，過熱蒸汽管道上設調節(jié)閥FV1105。 9 所有操作要保證有序進行，工況要保持全程穩(wěn)定，并要充分考慮生產過程中可能出現的異常工況。如果在加入過熱蒸汽后稀液流量的供給量發(fā)生變化，則輸出量（二次蒸汽、冷凝水和濃縮液）都將發(fā)生變化；當輸入系統(tǒng)一定量的稀液后，供給系統(tǒng)不同量的過熱蒸汽，則輸出量的值也按照一定的規(guī)律發(fā)生變化，因此該系統(tǒng)是一個多輸入、多輸出的 復雜控制系統(tǒng)，且各參數之間的相互影響關系可以用符號有向圖 (Signed Directed Graph SDG)進行描述，如圖 。 由于容量滯后大，有些過程的時間常數達到十幾分鐘。 對于流量而言，廣義對象的時間常數主要取決于控制器、定位器、變送器和信號傳輸等部分，流量自身的時間常數相對較小?；谝何惶匦缘倪@ 14 些特點，在工業(yè)生產中常選擇比例控制器實現對它的控制。進行設計前，需要深入了解被控對象，收集資料。按照這一原則，本方案以工業(yè)上常見的控制方案為參照，以單回路控制、串級控制、前饋控制、 PID 控制前饋 反饋控制等為基本方案，這樣可以保證方案具有較高的可實施性和工業(yè)應用價值。第一種情況是由于工藝要求不一，對于同一調節(jié)閥可以有兩種不同的選擇結果。 國內常用的理想流量