氨冷器出口温度控制系统

辽 宁 工 业 大 学

过程控制系统 课程设计（论文）

题目： 氨冷却器出口温度控制系统

院（系）： 电气工程学院

专业班级：

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学生姓名：

指导教师： （签字）

起止时间： 2013.6.25-2013.7.4

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

在工业生产过程中，很多物料冷却过程主要是借助于氨冷却器来实现的，氨冷却器是依靠液氨汽化吸收热量，使温度下降来冷却物料这一原理进行的，液氨在氨冷器中汽化需要一定的时间，氨冷却器在某一个液位高度上汽化面积为最大。因此，当液氨高度超过安全液位高度后，气氨有很大可能夹带液氨输出，进入压缩机从而损坏压缩机。为了达到生产过程对控制系统的要求，在简单温度控制系统的基础上需要加上一个液位超驰调节系统。

正常工况下，如果温度升高，温度控制器输出控制液氨流量。增加液氨量，经液氨的蒸发，使出口温度下降。如果液位上升到安全软限液位设定仍不能降低温度，由液位控制器取代温度控制器。根据液位控制进氨量，保护了压缩机，一旦温度下降，温度控制器输出与液位控制器输出相等，并继续下降时，温度控制器就自动取代液位控制器，工艺操作恢复到正常工况。 在该控制系统中，无论在正常工况下，还是在异常工况下，总是有一个调节器处于工作状态。对于处于工作状态的调节器，其偏差长时间存在，为此需要有积分控制作用来消除余差。

关键词：氨冷却器；出口温度；超驰控制系统；安全软限

目 录

第1章 绪论 .......................................................... 1

第2章 设计任务与方案分析 ............................................ 2

2.1 控制系统的分析与选择 ......................................... 2

2.2 选择控制系统的设计 .......................................... 3

第3章 系统设计与实施 ................................................ 4

3.1正常调节器的设计 ............................................. 4

3.2取代调节器的设计 ............................................. 4

3.3选择器高低值型式的选择 ....................................... 4

3.4温度检测器 ................................................... 5

3.5液位变送器 ................................................... 5

第4章 系统的仿真 .................................................... 6

4.1参数整定 ..................................................... 6

4.2控制器的正反作用 ............................................. 7

4.3 SIMULINK仿真 .................................................. 8

第5章 课程设计总结 ................................................. 10

参考文献 ............................................................ 11

第1章 绪论

氨冷却器是工业生产中用的很多的一种换热设备，它利用液氨的蒸发吸取大量的气化热，来冷却流经管内的被冷却物料。通常需要被冷却物料出口温度稳定。此时液氨液位在一定允许范围内。而在非正常工况下，液位高度是不超过给定的上限的，所以需要使用选择控制方法，通过对液位的检测，来判断液位高度是否工作在正常情况，在正常情况下，使用被冷物料出口温度回路控制系统，非正常情况下，使用液位单回路控制系统，二者的切换通过低选择器自动根据工况实现。

本次设计主回路采用了温度控制系统，对正常工况下系统的输出物料进行控制。随着系统的正常工作运行，液位会逐渐升高，当升高到超出安全限制的时候，有可能发生事故，对系统加以液位控制系统，则会避免事故的发生，即组成温度-液位超驰控制系统。当液位超过限制的时候，系统立即切换到液位控制系统，限制液位的升高。当系统稳定后，再次切换到温度控制系统，进行正常情况下的系统输出。

由于本次任务的要求，同时对温度和液位进行了检测和控制，单一控制回路无法满足任务的要求，双回路控制成了任务的目标控制系统。由于温度是主控量，液位过高又会容易发生事故，所以将液位作为副被控量进行检测，当液位超过限制的时候，系统应立即降低液位，以保证系统的安全运行，即选用温度-液位超驰控制系统。

第2章 设计任务与方案分析

本次设计主要是综合应用所学知识，设计氨冷却器出口温度控制系统，并对液位高度进行检测控制，防止液位超出安全范围造成事故的发生，防止带液输出。设计温度-液位超驰控制系统来实现所需功能。

2.1 控制系统的分析与选择

工艺上要求被冷却物料的出口温度稳定为某一恒定值，所以将被冷却物料的出口温度作为被控变量，以液态氨的流量为操纵变量，构成正常工况下的单回路温度定值控制系统如图2-1（a）所示。从安全角度考虑，调节阀选用气开式，温度控制器选择正作用方式。即当被冷却物料的出口温度升高时，控制器输出增大，调节阀门开度增大，液态氨流量增大，从而有更多的液态氨气化，使被冷却物料的出口温度下降。

这一控制方案实际上是基于改变换热器列管淹没在液态氨中的多少，以改变传热面积来达到控制温度的目的。所以液面的高度也就间接反映了传热面积的变化情况。在正常的工况下，操纵液氨流量使被冷却物料的出口温度得到控制，而液位在允许的一定范围内变化。如果突然出现非正常工况，假设有杂质油漏入被冷却物料管线，使导热系数下降，原来的传热面积不能带走同样多的热量，只有使液位升高，加大传热面积。如果当液位升高到全部淹没换热器的所有列管时，传热面积已达到极限，出口温度仍没有降下来，温度控制器会不断的开大调节阀门，使液位继续升高。这时就可能导致生产事故。这时因为气化氨要经过压缩机后，变成液态氨重复使用，如果液位太高，会导致氨中夹带液氨进入压缩机，损坏压缩机叶片。为了保护压缩机安全，要求氨蒸发器有足够的气化空间，这就限制了氨液面的上限高度（安全软限），这是根据工艺操作所提出的限制条件。为此，需要在温度控制系统的基础上，增加一个液面超限的取代单回路控制系统，如图2-1（b）所示。显然，从工艺上看，操作变量只有液氨的流量一个，而被控变量却有温度和液位两个，从而形成了对被控变量的选择性控制系统。

（a）一般控制系统 （b）选择性控制系统

图2-1 液态氨冷却器控制系统图

2.2 选择控制系统的设计

根据以上对液态氨冷却器的工艺分析，可以画出整个系统的原理框图如图2-2所示。

图2-2：液态氨冷却器控制系统结构框图

第3章 系统设计与实施

3.1正常调节器的设计

选择性控制系统正常情况下是正常调节器回路工作而取代调节器回路不工作；事故时取代调节器回路工作，正常调节器回路不工作，所以2个回路系统可单独按单回路控制系统设计。正常调节器回路可按一般单回路系统设计；先确定被控量、控制量、据工艺要求确定执行器气开、气关型式，被控过程(被控对象)特性来确定正常调节器的正、反作用。正常调节器的规律一般采用PI调节器或PID调节器，而调节器的参数整定可按一般工程整定方法整定，如临界比例度法、4：1衰减曲线等。

3.2取代调节器的设计

取代调节器回路测量值Y：是生产过程中的某一个工业参数，它与正常调节器回路中的被控参数Y，并非一个参数，当其达到某一个极限值(或大或小)时，生产就会出现事故状态，这时整个系统应该由取代调节器回路工作，这时要求取代回路的等效增益大一些，以便有较强的控制作用，产生及时的保护作用，使系统迅速脱离危险状态而回到正常状态，然后又切回到正常调节器回路工作。所以取代调节器也是一个单回路控制系统，可按单回路控制系统设计，一般取代调节器回路为了满足快速性都只用比例规律，且该回路的比例增益K，要大一些，这是和正常调节器的主要区别。

3.3选择器高低值型式的选择

选择器在选择性控制系统中是重要的部件，它的功能相当于一个二选一的开关，它接受正常调节器的输出信号a和取代调节器的输出信号b，其输出信号c去驱动执行器。高值选择器是接收a信号和b信号数值高者作为选择器输出；低值选择器是选a信号和b信号低值作为输出。在此系统中，为了保证当液位超出安全软限的时候，系统能够迅速切换到液位控制系统来保证系统的安全运行，需要选用低选择器。

3.4温度检测器

在本文中，温度变送器选择的是热电阻，热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即

Rt= Rt0 [1+α（t- t0）]

式中，Rt为温度t时的阻值；Rt0为温度t0时的阻值

在此处使用的是金属热电阻变送器，测温范围是-200-800℃，满足需求。使用三线制接法，即在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差。这是因为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差。

3.5液位变送器

液位变送器在本设计中使用的是超声波液位计，超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 由于采用非接触的测量，被测介质几乎不受限制，可广泛用于各种液体和固体物料高度的测量。超声波液位计的测量精度主要受声速随温度变化的影响

第4章 系统的仿真

4.1参数整定

目前工业上常用的控制器主要有三种控制规律；比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别简写为P、PI和PID。选择哪种控制规律主要是根据广义对象的特性和工艺的要求来决定的。下面分别说明各种控制规律的特点及应用场合。

比例控制器是具有比例控制规律的控制器，它的输出p与输入偏差e(实际上是指它们的变化量)之间的关系为：

p=KP*e

比例控制器的可调整参数是比例放大系数Kp或比例度δ，对于单元组合仪表来说。它们的关系为：

δ=1⨯100% Kp

比例控制器的特点是：控制器的输出与偏差成比例，即控制阀门位置与偏差之间具有一一对应关系。当负荷变化时，比例控制器克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。在常用控制规律中，比例作用是最基本的控制规律，不加比例作用的控制规律是很少采用的。但是，纯比例控制系统在过渡过程终了时存在余差。负荷变化越大，余差就越大。比例控制器适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有提出无差要求的系统，例如中间贮槽的液位、精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制系统等。

比例积分控制器是具有比例积分控制规律的控制器。它的输出p与输人偏差e的关系为：

p=Kp(e+1edt) T1⎰

比例积分控制器的可调整参数是比例放大系数Kp(或比例度δ)和积分时间T1。比例积分控制器的持点是：由于在比例作用的基础上加上积分作用，而积分作用的输出是与偏差的积分成比例、只要偏差存在、控制器的输出就会不断变化，直至消除偏差为止。所以采用比例积分控制器，在过渡过程结束时是无余差的、这是

它的显著优点。 但是，加上积分作用，会使稳定性降低，虽然在加积分作用的同时，可以通过加大比例度，使稳定性基本保持不变，但超调量和振荡周期都相应增大，过渡过程的时间也加长。

比例积分控制器是使用最普遍的控制器。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有余差的系统。例如流量、压力和要求严格的液位控制系统，常采用比例积分控制器。

比例积分微分控制器是具有比例积分微分控制规律的控制器，常称为三作用（PID）控制器。理想的PID控制器，其输出p与输入偏差e之间具有下列关系：

1de

p=Kp(e+⎰edt+Td⎰)

T1dt 比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整δ、T1、Td三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定。

对于温度液位选择控制系统参数的整定，先按经验法，按照“先正后取”的原则，把正常、取代调节器的比例度δ调到某一适当值，然后由大到小进行调节，使系统的过渡过程呈缓慢的非周期衰减变化，最后根据过程的具体情况，可给主调节器加上积分环节，调积分时间较大。

取代调节器的参数整定，可以通过停留时间法，停留时间τ是指介质在被控过程的被控参数允许变化范围内流过的时间。过程时间常数T0等于停留时间的两倍，即

T0=2τ

4.2控制器的正反作用

生产过程中希望借助自动控制保持恒定值(或按一定规律变化)的变量称为被控变量。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要、它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。

在本设计中，由于控制对象，当阀门打开时，液位，温度都上升，所以均为正对象，而阀门时气开阀，根据整个系统构成负反馈的性质，控制器应均选择反租用控制器。

4.3 Simulink仿真

设某液态氨冷却器控制系统，当输入小于临界值时，选择温度控制，否则为液位控制，假设该系统被控对象的传递函数为

Gp(s)=

1

(10s+1)(s+1)

设计一个液位——温度选择性控制系统。

根据对被控变量的选择性控制系统的方框图，建立如图4-1所示的Simulink仿真框图。其中PID Controller和PID Controller1模块的参数分别设置为Kc、Ki、Kd和Kc1、Ki1、Kd1：模块Step模拟温度输入：Step1模拟液位输入：Switch为选择器，当输入小于阈值时，选择输入下端口3进行温度控制，否则选择输入上端口1进行液位控制。系统仿真如图4-1所示。

图4-1 液态氨冷却器控制系统仿真图

在无干扰且保护回路不起作用的情况下，PID控制器参数可完全按照简单控制系统设计原则来确定。整定后得到较好的单位阶跃响应（Kc=6.5、Ki=0.5、Kd=0：Kc1=1.2、Ki1=0.1、Kd1=0），如图4-2所示。

（a）温度控制回路 （b）液位控制回路

图4-2 单位阶跃响应

图4-4 液位—温度选择性控制响应

由图可知，当系统正常运行后，温度控制回路正常工作最后趋于稳定。液位控制系统检测液位正常后稳定运行。

第5章 课程设计总结

本次设计主要针对于工业生产中比较常用的冷却装置-氨冷却器。此装置利用了液氨的蒸发吸热来冷却物料。在工作的同时，为保证质量，需要出口温度保持在一定的稳定值，同时要求液氨的液位不能超出安全软限，防止液氨进入压缩机损坏设备。

通过对生产要求的出口温度设计，到安全因素的超驰液位控制系统，在满足两方面的要求下设计温度-液位超驰控制系统。设计完成后在对设备的参数进行选择，然后进行实际的Simulink建模仿真、matlab仿真来完成模拟实际操作，找出不足之处。从而来对整个设计进行完善。

任务的规划，资料的收集以及对系统的实际仿真完成了整个设计，满足了所需要的条件，达到了基本的氨冷却器的工作允许要求，并且稳定到了允许的误差范围内。在初期遇到的一些细节问题也是得到了解决

参考文献

[1]李国勇.过程控制[M].北京：电子工业出版社，2009

[2]王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表[M].北京:机械工业出版社，2006

[3]严爱军，张亚庭，高学金.过程控制系统[M].北京：北京工业大学出版社，2010

[4]张井岗.过程控制与自动化仪表[M].北京：北京大学出版社，2007 [5]张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2003 [6]薛道伟，公用工程车间氨冷却器的控制方案；聚氯乙烯.2012：40（9）35-36 [7]余景洲，李文章等，气氨冷却器的使用研究；河南化工.2010：2（1）36-37 [8]钱玉平，氨循环冷却器的设计分析；能源研究与管理，2012：3（2）52-55 [9]金雅娜，刘斯明.高效氨吸收冷却器设计；辽宁工学院学报.2006:26(2)104-106

[10]黄伟峰，何柳杰.合成器压缩机新增一段进口氨冷器技改总结；化肥工业，2011：38（3）68-70

[11]程普生，邵玉槐.氨冷器出口温度-液位选择性串级控制系统；化工自动化及仪表.1994：21（6）15-17

[12]姜义军，胡耀武。合成氨装置氨冷冻系统优化；大氨肥.2008:31（4）220-222

[13]屈政.氨冷器在净化系统的应用及改造；煤矿现代化.2011:100（6）65-66 [14]高凤珍.合成氨系统氨冷器检漏分析；德州学院学报.2011：27（7）169-170 [15]黄伟峰，何柳杰.合成器压缩机增加进口氨冷器改造探讨.2011:3（3）43-46