工艺上要求加热后的原油温度T=150℃±2℃；在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量；要求就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度。换热器设计尺寸如下图2-2所示。
图2-2 列管式换热器设计尺寸图
3.2 原油出口温度控制方案
为了控制列管式换热器出口处的温度，系统对出口处温度采用的是温度的串级控制。出口温度经过温度变送器进行温度变送至温度显示控制器TIC121，TIC121再经与流量显示控制器FIC112串级，形成温度—流量串级控制，最后由流量显示控制器FIC112输出控制信号作用于流量控制阀FV112，调节饱和蒸汽的流量，来达到稳定加热原油的目的。
第5章 仪表选型
5.1 输入输出点数
对于一个过程控制系统来说，总有一定数量的输入点数和输出点数，并且输入和输出分为模拟量输入输出和数字量（开关量）输入输出，并且输入输出点数根据设计方案的不同而不同。根据本系统选择的控制方案，系统的输入输出点数如表5-1所示。
表5-1I/O点表
I/O点表
序号
名称
位号
I/O点类型
大部分的温度检测采用温度变送器，如果单纯采用温度控制得系统的控制质量将不会得到改善。因此换热器的控制系统中，采用温度-压力的串级控制系统。其中，温度为主回路，压力为副回路。控制系统方框图如图3-1所示：
图3-1原油出口温度串级控制方框图
上图为列管式换热器的温度串级控制系统方框图。由于系统中工艺要求是控制原油加热出口温度，温度控制器为主控制器。压力控制器为副控制器，温度控制器的输出是压力控制器的给定。串级控制系统比单回路系统响应速度更快，有更强的控制作用和更好的鲁棒特性，能明显的改善控制品质。
周安排
设 计 内 容
设计时间
第一阶段
熟悉工艺流程，查找相关资料，根据工艺要求，确定自控方案；绘制工艺控制流程图。进行仪表选型及调节阀计算；绘制单回路图。绘制仪表接线端子图；供电系统图，填写自控设备相应表格。
2009.12.21～2009.12.31
第二阶段
完成并提交课程设计说明书及相关电子文档。课程设计答辩。
在不同温度的流体间传递热能的装置称为热交换器，简称为换热器。在换热器重至少要有两种温度不同的流体，一种流体温度较高，放出热量；另一种流体则温度较低，是需要加热的流体，在工艺流程中吸收热量。
在化工、石油、动力、制冷和食品等行业中广泛使用各种换热器，它们也是这些行业的通用设备，并占有十分重要的地位。
随着换热器在工业生产中的地位和作用不同，换热器的类型也多种多样，不同类型的换热器也各有优缺点，性能各异。列管式换热器是最典型的管壳式换热器，它在工业上的应用有着悠久的历史，而且至今仍在所有换热器中占主导地位。
吉林化工学院信息与控制工程学院专业综合设计说明书
列管式换热器自控设计说明书
学生学号：08510323
学生姓名：
专业班级：自动0803
指导教师：
职称：副教授
起止日期：2011.08.29～2011.09.16
吉林化工学院
Jilin Institute of Chemical Technology
专业综合设计任务书
饱和蒸汽为高速高温的气体，测量其流量选用差压式流量计。选用的差压式变送器型号为HR-1151DP4E12BFM3B2I。
系统的所有变送器类型如表5-2所示。
表5-2变送器选型
变送器选型
序号
仪表位号
名称
型号
1
PIC101
原油泵后压力变送器
HR-K2I1R1F2B5D3
2
FI111
原油泵后涡街流量计
HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E1
3
FIC112
饱和蒸汽差压变送器
HR-1151DP4E12BFM3B2I
4
TI122铠装热电阻Fra bibliotekHR-WZPK2234
5
TI121
铠装热电阻
HR-WZPK2235
6
TI123
铠装热电阻
HR-WZPK2236
5.3 模块选型
一、输入输出模块选型
根据输入点和输出点的个数，输入输出模块选型如下（设系统裕量为20%）：
4.2 调节阀类型的选择
调节阀分为气动调节阀、电动调节阀、滚动调节阀、混合调节阀四大类。其中石油化工只要应用气动调节阀、电动调节阀两大类。本次设计选用HRVQ/X智能三通流调节阀用于总管路的流量控制阀、除氧器出口压力阀、除氧器液位控制阀。它们的位号分别位于FV-101、FV-102。
1、执行机构
1)型式：HRL智能型执行程机构
4、培养学生的团队协作精神、创新意识、严肃认真的治学态度和严谨务实的工作作风。
三．设计任务及要求
1、熟悉工艺流程；根据工艺要求，确定自控方案；用AutoCAD绘制工艺管道及控制流程图；
2、仪表选型；
3、绘制施工图，编制自控设备表相应表格。
四．设计时间及进度安排
设计时间（2009.12.21～2010.01.06）,具体安排如下表：
4.1 调节阀介绍
调节阀接受控制器来的信号，通过改变阀的开度来达到控制的目的。因为它处于最终执行控制任务的地位，所以又称“末级控制元件”。
调节阀直接与介质接触，当使用在高压、高温、深冷、强腐蚀、高粘度、易结晶、闪蒸、气蚀等各种恶劣条件下工作时，调解阀选择的重要性就显得更为突出。不论是简单控制系统，还是复杂控制系统，调解阀都是系统中不可缺少的组成部分。经验表明，控制系统中，每个环节的好坏，都对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以对控制阀这个环节必须高度重视。在设计时，必须根据应用场合的实际情况，选择好阀的类型－包括执行机构和阀体结构类型。
2)输入信号：4~20mA
3)输出信号：4~20mA.DC
4)供电电源：220V±10%50/HZ
5)基本误差：±1.0%
6)断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%之间预知的任意值
7)阀作用型式：任意作用正/反作用
8)环境温度：-20~+60℃（4℃以下使用时，需要装加热电阻）
2、阀体
信号类型
备注
AI/AO
1
泵后原油压力检测
PIC101
AI
4-20mA
2
泵后原油压力调节阀
PV101
AO
4-20mA
3
泵后原油流量就地指示
PI111
4-20mA
4
泵后原油温度就地指示
TI121
4-20mA
5
饱和蒸汽流量检测
FIC112
AI
4-20mA
6
饱和蒸汽流量调节阀
FV112
AO
4-20mA
7
加热原油出口温度检测
5.2 变送器选型
根据本系统的设计方案，要求检测的信号有原油泵后压力、流量、温度，饱和蒸汽的流量，出口原油的温度。
因为本系统的工艺介质是易燃易爆，粘稠的原油，根据性价比的分析，选择虹润厂家的K型压力变送器HR-K2I1R1F2B5D3；流量选用涡街流量计，型号为HR-LUW-DN50-P1B1T1L1D2E1；温度选择铠装型热电阻，型号为HR-WZPK2235。
一．设计题目：列管换热器自控设计
二．设计目的
1、进一步巩固和加深所学的自动化专业的理论知识，培养学生设计、计算、绘图、计算机应用、文献查阅和报告撰写等基本技能；
2、熟练掌握工业过程控制系统的常规设计过程，培养学生实践动手能力及独立分析和解决工程实际问题的能力；
3、熟练运用AutoCAD等绘图工具制图；
系统的AI点为3个，3×1.2 =3.6，取整为4点。西门子S7-300 AI有2/8点输入模块，本系统选8点输入模块较为合理，故应选择1个8点输入模块，实配点数为8点；AO点数为2个，2×1.2 = 2.4，取整为3点，西门子S7-300 AO有4/8点输出模块，选择4点输出模块较为合理。故应选择1个4点的输出模块，实配点数为4点。
2.2 列管式换热器工艺流程
列管式换热器工艺流程图如下图2-1所示：
图 2-1 列管式换热器的工艺流程图
本单元设计采用列管式换热器。来自外界的10℃冷物流由泵P101送至换热器E101的壳程被流经管程的热物流加热至150℃。冷物流流量由压力控制器PIC101控制,正常流量7kgf/cm2。来自另一设备的250℃热物流送至换热器E101与注经壳程的冷物流进行热交换,热物流出口温度由TIC111控制。
3.3 整体方案
由于本设计要求在仪表盘上记录原油流量、加热原油温度、饱和蒸汽流量；要求就地指示原油泵后压力、温度、加热原油出口温度，因此需要加上就地显示仪表。由于本工段属于小工段，为了设计需要，本设计方案将就地显示仪表选择在控制室显示。设计系统的整体方案如图3-3所示。
图3-3系统工艺流程图
第4章 调节阀
4.4 确定气开与气关
气动调节阀有气开（有信号压力时阀开）和气关（有信号压力时阀关）两种。调节阀的气开气关主要根据工艺装置的安全要求决定。一般在调节阀气源中断时应切断选入装置和设备的原料、热源，停止向装置外输出产品。考虑到控制系统的安全和经济问题，控制饱和蒸汽流量和泵后原油流量的压力调节阀均选择气开形式。
TIC122
AI
4-20mA
8
加热原油出口温度就地显示
TI123
4-20mA
DI/DO
1
PUMP故障检测
DI
1-5V
2
PUMP启动状态检测
DI
1-5V
3
PUMP启动控制
DO
1-5V
4
PUMP停止状态检测
DI
1-5V
5
PUMP停止状态控制
DO
1-5V
由上表可知，模拟量输入（AI）点数为3个，模拟量输出（AO）点数为2个，数字量输入（DI）点数为3个，数字量输出（DO）点数位2个。