硫磺尾气氢含量控制系统设计.doc

辽 宁 工 业 大 学

过程控制系统 课程设计（论文）

题目：硫磺尾气氢含量控制系统的设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 测控092班
学 号：
学生姓名：
指导教师：
起止时间： 2012.12.24～2012.1.4

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器
学 号

学生姓名

专业班级
测控092班
设计题目
硫磺尾气氢含量控制系统的设计
课程设计（论文）任务
设计任务：
经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右与外补富氢气（外补富氢气由工厂系统供给）混合后进入加氢反应器。在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气-气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标，试设计氢含量控制系统。
设计要求：
1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；
2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；
3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；
4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；
5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数：
控制目标：尾气氢含量为2%
控制范围：尾气氢含量1～3%
工作计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成）
2、确定系统的控制方案，绘制原理结构图、方框图。（1天，实验室完成）
3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天，分散完成）
4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天）
5、上机实现系统的模拟运行、答辩。（3天，实验室完成）
6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字：
总成绩： 年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要
在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，流量是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种反应器进行流量控制。
本文分别就硫磺尾气氢含量控制系统工作原理、系统控制方案的确定、流量变送器的选型、调节器的选型、控制算法等几方面进行阐述。对系统的设计方案进行了深入的分析，比较了单回路系统与串级系统的优缺点，经过严格的选型，最终实现尾气氢含量的良好控制。
通过改善系统控制方案硫磺尾气氢含量控制系统具有响应快、稳定性好、可靠性高,控制精度好等特点，对工业控制有现实意义。

关键词： 串级控制；传感器；调节器；PID调节

目 录
第1章 绪论 1
第2章 系统的方案设计 3
2.1 概述 3
2.2 系统控制方案选择 3
第3章 系统设计 6
3.1 流量变送器的选型 6
3.2 氢气含量监测仪的选型 6
3.3 调节器的选择 7
3.4 电气转换器的选择 8
3.5 执行器的选择 9
第4章 控制规律的选择 10
4.1 控制规律的选择 10
4.2 PID控制算法 10
4.3 PID控制系统 11
4.4 调节器正反作用、调节阀气开气关方式选择 12
第5章 系统调试与仿真 13
第6章 设计总结 14
参考文献 15

第1章 绪论
我国自1996年第一套从天然气中回收硫磺的装置投产以来，随着加工原油硫含量及天然气开采量的增加及环保要求的提高，硫磺回收装置的数量及规模迅速增加，因此硫磺尾气氢含量的良好控制对工业生产尤为重要。尾气中氢气的含量影响排放指标，本系统便对硫磺尾气氢含量的控制进行一系列设计阐述。
流量测量和控制对人类日常生活、工业生产、气象预报、物资仓储等都起着极其重要的作用。在许多场合，及时准确获得气体或液体流量信息是十分重要的，近年来，流量测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，流量的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业、化工等各领域中广泛使用。
随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，流量是一个非常重要的过程变量。例如：在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域，都需要对各种反应器流量进行控制。对于不同生产情况和工艺要求下的流量控制，控制方案也有所不同。因此对系统要求更为先进的控制技术和控制理论。
过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。
单回路控制系统是过程控制中结构最简单、最基本、应用最广泛的一种形式，它解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题。但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续、和强化方向发展，对操作条件、控制精度、经济效益、安全运行、环境保护等提出了更高的要求。此时，单回路控制系统往往难以满足这些要求。为了提高控制品质，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统。而串级控制就是其中一种提高控制品质的有效方案。
本系统的主要内容是经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气/气换热器被加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器，在加氢催化剂的作用下，SO2、COS、CS2及气态硫等均被转化为H2S。加氢反应为放热反应，离开反应器的尾气经气/气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标，设计氢含量控制系统。
本设计系统针对流量对象浅述了串级控制系统的主要设计方法和步骤。
第2章 系统的方案设计
2.1 概述
本流量过程控制系统的具体指标要求是：经捕集硫雾后的CLAUS尾气与加氢反应器出口过程气通过气气换热器加热至270-320℃左右与外补富氢气混合后进入加氢反应器。离开反应器的尾气经气气换热器换热冷却后进入急冷塔。尾气在急冷塔内利用循环急冷水来降温。尾气中的氢含量影响排放指标。设计一个尾气氢流量检测调节系统，尾气氢含量控制目标为2%，控制范围为1-3%，主要用于硫磺尾气氢含量控制。
2.2 系统控制方案选择
硫磺尾气氢含量控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。根据系统设计要求，提出以下方案：
方案一：单回路控制系统
氢气含量监测仪
FC

急冷塔

氢气

加氢反应器

图2.1 硫磺尾气氢含量单回路控制原理图
如图2.2所示的硫磺尾气氢含量控制系统中，急冷塔出口尾气氢含量为被控参数，流量变送器FT将反映尾气氢含量高低的检测信号送往流量控制器FC；控制器根据实际检测值与设定值偏差情况，输出控制信号给执行器（调节阀），改变调节阀的开度，调节氢气进入流量维持尾气氢含量稳定。单回路控制系统结构框图如图2.2所示。
Y(s)

氢气 ±
尾气氢含量
调节阀
调节器

流量变送器

图2.2 单回路系统结构框图
方案二：在单回路的基础上引入串级控制急冷塔
加氢反应器

氢气含量监测仪
FC1

FT2
FC2

氢气

图2.3硫磺尾气氢含量串级控制原理图
如图2.2所示的硫磺尾气氢含量串级控制系统中，流量调节器FC1对尾气氢含量的精确控制、流量调节器FC2对入口氢气含量的及时控制结合起来，先根据入口氢气流量的变化，改变氢气入口流量，快速消除氢气入口流量对尾气氢含量的影响，然后再根据尾气氢含量与设定值的偏差，改变流量调节器FC2的设定值，进一步调节氢气入口流量，以保持尾气氢含量的恒定。这样就构成了以尾气氢为主要被控参数，以氢气入口流量为辅助被控参数的串级控制系统。串级控制系统结构框图如图2.4所示。
Y(s)
氢气

尾气氢
氢气入口流量
调节阀
副调节器
主调节器

副变送器

主变送器

图2.4 串级控制系统结构框图
通过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，使控制系统性能得到改善，表现在下列方面。
1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。
2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。
3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。
4、能够更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量。
通过采用串级控制系统，尾气氢含量控制更加平稳，因此选择方案二，串级控制系统作为本系统的设计方案。
第3章 系统设计
本系统包括主回路与副回路两大部分，在系统设计的方面包括变送器的选型，调节器的选型，执行器的选择，电气转换器件的选择等几部分。
3.1 流量变送器的选型
本系统选择的是氢检测公司的HY-OPTIMA™ 1700本安型氢气流量变送器操作简单，可实现真正的过程控制。其氢气专一性传感器可在相对湿度高达95%和温度高达100ºC的过程气体介质环境下正常工作。HY-OPTIMA™ 1700本安型氢气流量变送器非常适用于制氢生产企业，石化精炼厂和氯碱工业，它的实时监测功能通过提高车间生产效率、良好的诊断性能和加强维护管理实现高效益生产。
其具体参数如下：
1、检测气体：氢气
2、输入信号：电源安全栅 24V.DC
3、输出信号：1～5V.DC
4、精度：≤±3%

图3.1 Model 1700本安型氢气变送器
3.2 氢气含量监测仪的选型
由于从急冷塔出来的尾气中不仅含有氢气，还有其他气体混合在其中，所以对尾气氢的检测就不能使用流量变送器，需要对尾气中的氢气含量进行检测。
EC-430氢分析仪由以微处理机为核心的智能化信号转换器和进口电化学传感器组成，适用于冶金、煤炭、电力、化工等行业一氧化碳、硫化氢、氢、氮氧化物、二氧化硫等含量的自动分析。
仪表采用控制电位电化学法原理，其传感器由工作电极W、对电极C、参考电极R构成，当被测气体通过传感器时，在W电极上发生氧化反应，而在C电极发生氧的还原反应，W电极与C电极之间输出信号的大小与被测气体浓度成正比。
EC-430氢分析仪技术参数：
1、测量范围：0～1000ppmH
2、基本误差：±2%FS
3、气体流量：400ml/min
4、输出信号：4～20mA.DC
3.3 调节器的选择
　调节器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。
本系统选择DDZ-Ⅲ型PID调节器。DDZ-Ⅲ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型工业生产的防爆要求。DDZ-Ⅲ型仪表具有以下主要特点：
（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC 4-20mA，控制室联络信号为DC 1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250。
（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。
（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-Ⅲ型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。
DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图如图3.3,主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。
调节器接收变送器送来的测量信号(DC 4-20mA或DC 1-5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。

图3.2 DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图
DTZ-2400仪表技术参数:
1、输入信号： 1～5V.DC
4、输入、给定指示表： 指示范围：0～100%；误差：±1%
5、输出指示表：指示范围：0～100%；误差：±25%
6、输出信号：4～20mA.DC
3.4 电气转换器的选择
T-1001是一种享有专利的电气转换器件，通过调整两线输入电流或三线电压输入信号，呈线性比例地把供给压力减小到调整输出压力，这种设计配有可感应输出压力的闭环反馈电路以获取较高的精确度和稳定性。此装置还配有一个独特的可调阻尼线路，来防止超调量和执行器的振荡。
仪器用于把标准的直流电流信号转变成标准的气动信号, 为了把电动控制器转变为气动控制阀或从电动测量系统转变为气动控制器。
T-1001电气转换器特性参数：
1、精度：输出量程的±0.10%
2、输入信号：1-5V
3、输出信号：3-15psi
4、滞后量：输出量程的±0.01%

图3.3 T-1001电气转换器
3.5 执行器的选择
执行器位于控制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要。
执行器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：
按动力来源分，有气动和电动两大类；
按动作极性分，有正作用和反作用两大类；
按动作特性分，有比例和积分两大类。
本系统采用气动薄膜三通调节阀，用来对控制回路的氢气流量进行调节。气动调节阀的型号为ZMAXQ气动薄膜三通调节阀。其控制输入信号为3-15psi。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、操作方便等优点。而广泛应用于石油、化工、冶金、电力等生产过程中的自动化控制系统中。
ZMAXQ气动薄膜三通调节阀技术参数：
1、公称通径：DN15-DN200（mm）
2、驱动方式：气动
3、输入信号：3-15psi
4、适用介质：氢气、各种高腐蚀化学介质、氨气、氮气、氧气、蒸汽

图3.3 ZMAXQ气动薄膜三通调节阀

第4章 控制规律的选择
4.1 控制规律的选择
在控制系统中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起随动控制作用，这是选择控制器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，因此，主控制器应选PID控制规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副控制器选择P控制规律。另外，为使控制回路成为负反馈，调节器为负作用。
4.2 PID控制算法
PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器），是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。
1、比例（P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是使系统存在静态误差。
2、积分（I）调节
积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。
但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分调节器（简称PI调节器），其传递函数为
Gc(S)=Kp(1+1/T1S)
3、微分（D）调节
微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之中。但是单纯的微分调节对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，称为PD调节器和PID调节器。
PD调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调节器的传递函数为：
Gc(S)=Kp(1+TDS)
PID是常规调节器中性能最好的一处调节器。它将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。它的传递函数为
Gc(S)=Kp(1+1/T1S+ TDS)
4.3 PID控制系统
PID控制器的本质是一个二阶线性控制器，它通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。
PID控制器的优点：技术成熟、易被人们熟悉和掌握、不需要建立数学模型、控制效果好、鲁棒性强。
基本PID控制器的理想算式为：

式中u(t)——调节器的输出；
e(t)——调节器的输入（常常是设定值与被控量之差，即e(t)=r(t)-c(t)）；
Kp——调节器的比例放大系数；
Ti ——调节器的积分时间；
Td——调节器的微分时间。
设u(k)为第k次采样时刻调节器的输出值，可得离散的PID算式为：

式中 为积分系数， 为微分系数。
4.4 调节器正反作用、调节阀气开气关方式选择
在控制系统中，不仅是控制器，而且被控对象、测量元件及变送器和执行器都有各自的作用方向。它们如果组合不当，使总的作用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用，反而破坏了生产过程的稳定。所以在系统投运前必须注意检查各环节的作用方向，其目的是通过改变控制器的正、反作用，以保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统。所谓作用方向，就是指输入变化后，输出的变化方向。当某个环节的输入增加时，其输出也增加，则称该环节为“正作用”方向，反之，当环节的输入增加时，输出减少的称“反作用”方向。对于测量元件及变送器，其作用方向一般都是“正”的，因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，所以在考虑整个控制系统的作用方向时，可不考虑测量元件及变送器的作用方向（因为它总是“正”的），只需要考虑控制器、执行器和被控对象三个环节的作用方向，使它们组合后能起到负反馈的作用。
对于执行器，它的作用方向取决于是气开阀还是气关阀。当控制器输出信号增加时，气开阀的开度增加，因而流过阀的流体流量也增加，故气开阀是“正”方向。反之，由于当气关阀接收的信号增加时，流过阀的流体流量反而减少，所以是“反”作用。执行器的气开或气关形式主要应从工艺安全角度来确定。
在本系统中，在加氢催化剂的作用下，会产生H2S等有毒气体，考虑到人身安全，本系统的调节阀选择气开式调节阀，当系统断电或设备发生故障时，停止向系统中加入氢气。
由于调节阀的作用方式为气开式，所以是正作用方式，为保证整个控制系统是一个具有负反馈的闭环系统，所以在本系统中两个调节器都选择反作用方式。

第5章 系统调试与仿真
串级控制系统仿真：
主调节器采用PID调节，副调节器采用PI调节。仿真框图如5.1所示。

图5.1仿真框图

图5.1串级控制系统仿真图
比较单回路控制系统无干扰阶跃响应可知，串级控制降低了最大偏差，减小了振荡频率，大大缩短了调节时间。由仿真结果可见由于副回路的存在，很好的控制了二次扰动对系统的影响，说明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰。曲线在控制范围：尾气氢含量1-3%，符合控制要求。

第6章 设计总结
在大多数硫磺回收的反应中流量是反应的关键变量，所以其流量的优化控制成为提高反应产物品质及转化率的重中之重。流量检测控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的流量检测控制在工业中是十分重要的。
本设计采用了一系列一体化流量变送器对氢气流量进行检测变送，将采集到的主控制对象流量信号作为副调节器的设定值，副调节器将副回路采集到的流量信号与设定值进行比较，如果偏离设定值，便进行PID调节，输出信号用以调节阀的控制，从而恢复尾气氢的正常含量。
在未来的发展中，流量检测控制将会成为工业生产中最重要的环节之一，如果不能对流量进行精确的检测，就不能生产出好的产品。

参考文献
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