精馏塔自控系统设计毕业论文.doc

精馏塔自控系统设计毕业论文目录精馏塔自控系统设计I摘 要IMonitoring and Controlling System Design of DistillationIIAbstractIIKeywords: automation; batch distillation system; DCS; computer control systemIII第一章 绪 论11.1 精馏塔控制的研究背景及意义11.2 精馏塔控制的研究现状11.3精馏塔控制存在的问题及最新发展2第二章 精馏塔控制的原理和工艺要求42.1 精馏塔分馏原理42.2 精馏塔的控制要求及主要扰动52.2.1 精馏塔的控制要求52.2.2 精馏塔的干扰因数特性62.3 精馏塔的控制目标92.3.1 质量指标92.3.2 产品产量和能量消耗92.4 精馏塔装置的工艺流程11第三章 精馏塔控制方案设计133.1 精馏塔控制方案133.1.1提馏段参数控制133.1.2精馏段参数控制143.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制163.2 乙烯精馏塔装置的控制方案193.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护233.3.1工艺因数影响233.3.2故障分析及系统维护24第四章 DCS系统选型254.1 DCS系统概述254.2 DCS系统的结构与特点264.2.1 DCS系统的基本组成264.2.2 DCS系统的特点274.2.3 DCS系统的传输媒介284.2.4 DCS通讯网络294.2.5 JX-300XP系统简介314.2.6测控仪表选型38第五章 控制系统在DCS中的实现415.1控制站及操作站组态435.1.1控制站组态435.1.2操作站组态44第六章 控制系统的设计476.2塔釜液位控制系统的设计626.2塔釜温度控制系统的设计646.3冷却水流量控制系统的设计686.3.1涡流流量计的工作原理686.4回流比自动控制系统的设计696.4.1比值系统组成原理696.4.2工作原理706.5 精馏塔的监控测试点的确定726.6其他控制量的控制趋势图746.6.1系统总貌图746.6.2塔釜压力趋势图756.6.3塔节温度趋势图766.6.4进料温度趋势图77第七章 结论78参考文献80谢 辞82附录1 精馏塔控制的硬件部件及其名称清单83附录2 精馏塔控制的相对应的I/O接口84附录3 精馏塔的配置和硬件清单86附录4 精馏塔控制的所需仪表8789第一章 绪 论1.1 精馏塔控制的研究背景及意义精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视 1。精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，进行自动控制方案的设计和研究。精馏过程是一个复杂的传质传热过程，表现为：“过程变量多，被控变量多，可操纵的变量也多；过程动态和机理复杂” 。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往往欠合理，过分离普遍存在 。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。1.2 精馏塔控制的研究现状精馏是化工中首选的分离过程，虽然有许多优点，但是能耗特别大，为节能，国内外已研制出一些节能型耦合精馏塔：像反应与精馏耦合的塔。 精馏与其他分离过程耦合的塔(吸附-精馏耦合、结晶-精馏耦合等)；精馏一精馏耦合的塔：热耦精馏塔；内部热耦合精馏塔；分隔壁精馏塔(Dividing wall column)简称DWC。精馏塔也是一种最常见且消耗能量最大的操作单元。其具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统，动态特性分析复杂并困难，难以进行变量配对，约束条件复杂等特点，使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的焦点。精馏塔的发展大致经历了下述过程2。1.在80年代以前，主要是常规仪表和计算机数字控制(DDC)，控制算法以各种单一量的PID控制、比值、分程和前馈控制等为主。2.在80至90年代，大型生产装置则采用集散型控制系统(DCS)。在硬件上将回路分散化，数据显示、监督等功能集中化，硬件可靠性大大提高，效果甚好，但在控制算法上无显著改进。3.到90年代以后，开始出现在DCS的基础上实现优化操作和高级过程控制。在硬件上采用上位计算机和下位DCS相结合。在控制算法上，在原PID控制的基础上，出现智能控制、过程控制等一些先进控制方法。使得化工生产中产品质量得到了很大的提高。4.近10年来，有关精留塔控制的研究文献大量涌现，其不同时期研究热点大致趋势是：(1)开发和应用线性多变量控制技术，自适应、自校正控制，预测推理控制和鲁棒控制算法， 进行精馏塔预测控制系统和鲁棒控制系统设计。(2)考虑精馏塔节能， 应用先进控制策略控制精馏塔。近几年来， 对塔两端组份控制及控制系统结构分析综合成为首要研究热点。1.3精馏塔控制存在的问题及最新发展目前，大多数石化生产装置都采用了DCS进行控制，产生了较好的效益，但总的说来，DCS的应用水平不高，其技术优势还远没有完全发挥出来。据专家们估计，当前我国企业对DCS的应用能力普遍不及它的30。这说明在DCS的应用上还存在着很大的不足。主要是DCS仍然是一门新型的控制系统，使用时要考虑它的通融性、方便性、系统配件性等。它技术更新快，应用时要考虑控制系统在技术上是否成熟，是否已有在多个行业、多个用户中成功的使用先例。并且存在一个使用成熟技术与使用先进技术的矛盾。一般而言，新技术诞生时间短，实际应用中的考验少，而成熟技术用起来非常放心，但技术先进性上肯定差一些。此外，DCS提供了强大的运算和控制功能，如TDC3000系统提供了流量累积、温压补偿等十几种算法功能，以及PID控制、比率控制等十几种控制功能。根据工艺要求所提供的控制方案，在保证生产安全的前提下，通过对乙烯精馏塔精馏段温度控制，对比控制方案的优缺点，以达到最优控制，使所研究的问题符合要求，通过上位机软件的设计，完成对乙烯装置的系统主态、历史趋势和实时报警等功能的研究，使整个过程更加直观。第二章 精馏塔控制的原理和工艺要求2.1 精馏塔分馏原理以A、B两种液体混合物的分馏为例，在压力一定的情况下，A、B二种组分混合溶液汽液相温度-浓度曲线如图2.1所示。纯A的沸点是100，纯B的沸点是135.两组分的混合比变化时，混合溶液的沸点也将随之变化，如图中液相曲线所示，图中还标出了温度变化时，汽相组分的变化曲线3。设原溶液中A占20%，B占80%，把A、B混合液加热到124.5时，液体沸腾。这时，于液相共存的气相成分比是A占45.8%，B占54.2%，将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A为45.8%，B为54.2%；如果在使冷凝后的液体沸腾，其沸点为114.5.这时气态成分比又变成A占73.5%，B占26.5%，这样反复的进行上诉操作，不断的蒸发和冷凝，最终就可以将A分离出来。图2.1 A,B二组分混合物温度-浓度曲线2.2 精馏塔的控制要求及主要扰动2.2.1 精馏塔的控制要求为了保证精馏生产过程安全，高效地连续进行，精馏塔自动控制系统应当满足以下几方面的要求：(1)保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为质量参数进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精馏塔自动控制系统是通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量检测，即用温度控制系统代替质量控制系统。(2)保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰，同时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力控制、进料量的均匀控制等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进料量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔的平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳运行所必须的。(3)满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行，必须满足一些参数的极限值所规定的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制，流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制，通过测量和控制塔底于塔顶间的差压，间接实现塔内气体流速的检测和控制。精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。(4)节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。另外，塔和附属设备及管道也要散失一部分能量。精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量高一些，能量消耗尽可能低一些。2.2.2 精馏塔的干扰因数特性图2.2表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔中段某一塔板进入塔内，这块塔板就称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提馏段。在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种4。 图2.2 精馏塔物料流程图1.进料流量F的波动进料量F的波动通常是难免的，如果精馏塔位于整个生产过程的起点，则以采用定值控制。但是精馏塔进料量F往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料量F恒定，就必须设置中间储槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽，采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量F比较平稳，避免F的剧烈变化。2.进料成分ZF的变化进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决定的，对图1.2所示的精馏塔来讲，它是不可控的扰动因数。3.进料温度TF和进料热焓值QF的变化进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料温TF度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值QF稳定。当进料是气液两相混合状态时，只有当气液两相比例恒定时，恒温进料的热焓值才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。4.再沸器加热剂输入热量变化当加热剂是蒸气时，通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸气压力变化所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管设置压力控制来加以克服，或者通过温度串级控制系统的副回路予以克服。5.冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的，吸收热量的变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。冷却剂的温度一般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克服加热剂压力变化类似的方法进行控制。6.环境温度的变化环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏塔的运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回流控制的方法予以克服。内回流是指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量。内回流控制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。通过以上几点分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰，一般是不可控的。其他干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况具体分析。2.3 精馏塔的控制目标2.3.1 质量指标精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，因此产品的质量指标必须符合规定的要求。也就是说，塔顶或塔底产品之一应该保证达到规定的程度，而另一产品也应保证在规定的范围内5。在二元组分精馏中，情况比较简单，质量指标就是使塔顶产品中轻组分纯度符合技术要求或塔底产品中重组分纯度符合技术要求。在多元组分精馏中，情况较复杂，一般仅控制关键组分。所谓关键组分，是指对产品质量影响较大的组分。从踏顶分离出挥发度较大的关键组分称为轻关键组分，从塔底分离出挥发度较小的关键组分称为重关键组分。以石油裂解气分离中的脱乙烷塔为例，他的目的是把来自脱甲烷塔底部分产品作为进料加以分离，将乙烷和更轻的组分从底部分离出来，比乙烷重的组分从塔底分离出来，这时，显然乙烷是轻关键组分，丙烯则是重关键组分。因此，对多元组分的分离可简化为对二元关键组分的分离，这就大大的简化精馏操作。在精馏操作中，产品质量应该控制到刚好能满足规定上的要求，即处于“卡边”生产。超过规定的产品是一种浪费，因此它的售价不会太高，只会增加能耗、降低产量而已。2.3.2 产品产量和能量消耗精馏塔的其他两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗。精馏塔的任务，不仅要保证产品质量，还要有一定产量。另外，分离混合液也需要消耗一定的能量，这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔的附属设备及管线也要散失一定的热量和冷量。从定性的分析可知，要使分离所得的产品纯度越高，产品产量越大，则所消耗的能量越多产品的产量通常用该产品的回收率来表示。回收率的定义是进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。数学上组分i的回收率定义为：Ri=P/Fzi式中，P为产品产量；F为进料流量；Zi为进料组分i的浓度。产品回收率、产品纯度及能量消耗三者之间的定量关系可以用图2.3中的曲线来说明。这是对于某一精馏塔按分离50%两组合分混合液作出的曲线图，纵坐标是回收率，横坐标是产品纯度（按纯度的对数值刻度），图中的曲线是表示每单位进料所消耗能量的等值线（用塔内上升蒸气量V与进料量F之比V/F来表示）。曲线表明，在一定的能耗V/F情况下，随着产品纯度的提高，会使产品的回收率迅速下降。纯度越高，这个倾向越明显。图2.3 产品纯度、产品回收率和能量消耗的关系此外，从图2.3可知，在一定的产品纯度要求下，随着V/F从小到大逐步增加，刚开始可以显著提高产品的回收率。然而，当V/F增加到一定程度以后，再进一步增加V/F所得到的效果就不显著了。例如，由图1.3可以看出，在98%的纯度下，当V/F从2增至4时，产品回收率从14%增到88%，增加了74%；当V/F再从4增加到6时，则产品回收率仅从88%增加到96.5%，只增加了8.5%。以上讨论说明，在精馏操作中主要产品的质量指标，刚好达到质量规格的情况是期望的，低于要求的纯度将使产品不合格，而超过纯度要求会降低产量。然而，在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必然要增加能量消耗。可是单位产量的能耗最低并不等于单位产量的成本最低，因为决定成本的不仅是能耗，还有原料的成本。右此可见，在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，在控制过程中应使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。至于在质量指标一定的前提下，使单位产品产量的能量消耗最低消耗或单位产品量的成本最低以及使综合经济效益最大等，均是属于不同目标函数的最优控制问题。2.4 精馏塔装置的工艺流程使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。控制系统通过对生产过程工艺参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行6。图2.4为精馏塔装置的工艺流程。图2.4精馏塔工艺流程第三章 精馏塔控制方案设计3.1 精馏塔控制方案不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求个不相同，因而精馏塔控制方案较多。下面对常见的几种方案进行分析。3.1.1提馏段参数控制当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸气流量为控制变量。另外，液相进料时也常采用这类方案，这是因为在液相进料时，进料量F的变化首先影响到塔底产品浓度，而塔顶或精馏塔板上的温度不能及时地反映这种变化。图3.1为提馏段温度控制方案，其主要控制系统是以提馏段塔板温度为被控参数，以加热蒸气流量为控制变量。为了抑制其他干扰对被控参数的影响，还没有五个辅助控制系统：对塔顶馏出液QD和塔底采出量QW，案物料平衡关系分别设有回流量和塔底液位控制系统；为保持进料量F稳定，F进行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均匀控制以维持F平衡变化；为维持塔内压力恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制变量一般为冷凝器的冷却剂流量；塔顶回流量QL采用定植控制，而且回流量应足够大，以便当精馏塔的负荷最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内7。采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的情况下，塔顶产品的质量也可以保持在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔底严格，仍然采用提馏段温度控制系统。图3.1 精馏塔提馏段温度控制方案提馏段温度控制系统具有如下特点：1） 以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出液为主要产品，对塔底产品成分的要求高于对塔顶馏出液成分的要求时，往往采用提馏段温度控制系统方案。2） 当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，动态响应过程也比较迅速。3.1.2精馏段参数控制当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这时可选精馏某点温度作为被控参数（间接塔顶采出液的纯度），以回流量QL作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。串级控制系统虽较复杂，但可迅速而有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀特性的要求，有较高的精度。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大时，塔底产品的纯度变化范围也不大8。图3.2所示串级温度控制系统是常见的精馏段温度控制方案，其中回路是以精馏段塔板温度为被控参数，以回流量QL作为控制变量，QL同时也是串级控制系统的副参数。为了抑制其他干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系统。其中，进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能保证塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。图3.2 精馏塔精馏段温度控制方案精馏段温度控制系统有如下特点：1） 用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏产品品质。在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度要求高于对塔底产品成分的要求时，往往采用精馏段温度控制系统方案9。2）当干扰首先进入精馏段时，例如在汽车相进料时，进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的抑制。可实现被控参数的高精度控制。以精馏段温度作为衡量质量指标的间接被控参数，当分离的产品纯度较高时，塔底温度变化很小。为了及时、精确地检测和控制产品质量，要求温度检测仪表有很高的测量精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。所谓灵敏板，是指出现扰动时温度变化最大的那块塔板。以灵敏板温度作为被控参数有利于提高控制精度。3.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制前面讨论的两种控制系统方案都是以温度作为被控参数这在一般的精馏塔中是可行的。但在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸点差别又不大、塔内压力存在波动时，以某一点温度作为被控参数的控制方案不能满足精馏工艺的精度要求。这时常用温差控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标的间接参数，以提高控制质量，满足工艺要求10。只有当压力完全恒定时，温度与成分之间才具有单值（严格来说，只是对二元组分）对应关系。在压力波动时，用温度作为被控参数就不能很好地代表产品的成分。为了消除压力波动的影响，可以检测塔顶（或塔底）附近的一块塔板的温度，再检测灵敏板的温度。由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相同的，只要将上述两温度相减，压力的影响就消除了，这就是采用温差来衡量质量指标的依据。当选择温差信号时，如果塔顶（塔底）采出量为主要产品，可将一个检测点放在塔顶或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的塔板称为参照板；另一个检测点放在灵敏板附近，即浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两点的温度差T作为被控参数。这时塔顶（塔底）温度实际上起参比作用，压力变化对两点温度都有相同影响，相减之后其压力波动的影响就基本抵消。温差控制虽可以克服由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题，就是当负荷变化时，上升蒸气流量发生变化，引起塔板间的压降变化。随着负荷增大，塔板间的压降增大引起的温差也将增大，温差和组分之间的对应关系就要变化。在这种情况下，可以采用如图3.3所示的双温差控制系统，实现对高纯度精馏产品的质量控制。下面分析双温差控制系统的工作原理。图3.3 精馏塔双温差控制方案在进料组分基本稳定的情况下，负荷变化引起的塔内上升蒸气流量变化会使塔板之间压降变化，而灵敏板于参照板之间压降变化由会引起参照板温度与灵敏板温度之间温差变化。如果控制系统能够使两个参照板与两个灵敏板之间的温差相等，就能够消除负荷扰动的影响，达到质量控制的目的，这就是双温差控制的依据11。双温差控制也称温差差值控制。由图3.3可以看出，双温差控制就是分别在精馏段和提馏上选择温差信号，然后将两个温差信号相减作为调节器测量信号（即控制系统的被控参数）。从前面的分析可知由压降引起的温差变化，不仅出现在精馏段（顶部），也出现在提馏段（底部），这种因负荷变化在精馏段合格提馏段引起的温差变化相减后就可相互抵消。3.2 乙烯精馏塔装置的控制方案乙烯精馏过程是传质、传热的复杂过程，各变量之间互相关联、耦合，系统存在时滞性、非线性等特性，因此是一个工艺机理复杂，控制难度较大的过程。随着计算机控制在化学工业中的普及和控制理论的发展，人们已不满足单纯从生产过程的工艺改进和生产设备规模扩大上获取经济效益，而是对乙烯生产装置实行优化操作，发挥现有装置的内在潜力，以低能耗、低成本获得较高的经济效益。乙烯精馏塔是将来自脱乙烷塔顶，并经过乙炔加氢反应后的原料气(内含C2 H4、C2H6、H2、O2、CO、C2H2、C3H6 )在塔内经气液分离，最后在塔顶得到含量为99.95 %的乙烯产品，塔底乙烯含量不超过05%的乙烷产品。乙烯精馏塔工艺流程图如图3.4所示，进料流量为20 th左右，进料组分中含乙烯(C2 H4)80%左右，乙烷18%左右，其余还有少量的H2、CO2、CO、C3H、CH4、C2H2等气体，自塔板泡点进入塔内，经气液交换分离后自塔顶出来的是含少量杂质的乙烯气体，经-40的丙烯冷媒冷凝后作为回流，不凝气体部分定量返回到压缩工段，回流液从第一块塔板返回塔内。成品乙烯从塔板侧线出料，其乙烯纯度要求大于9995%，大部分液体继续流向塔釜，经再沸器的丙烯加热成为蒸汽上升，与下降的液体接触分离，升至塔顶，如此反复。以乙烷为主的产品经塔釜排出，作为下一工段原料，要求乙烯含量小于05%。该塔的能耗系统由塔釜再沸器、塔顶冷凝器三部分组成12。 图3.4 乙烯精馏塔工艺流程该系统投运后使出料流量马上趋于平稳，且平均产量增加，产品乙烯中的浓度大约在0.04%左右，即乙烯浓度接近指标9995 ，塔底组分合格，达到很好地降低能耗、提高产量的目的。乙烯精馏塔共有127层双溢流形式的浮阀塔盘,乙烯精馏塔有2个底部再沸器,2个侧线再沸器;1个用于回收不凝气中乙烯的冷凝器和2个塔顶冷凝器,从乙烯精馏塔塔顶出来的气体经冷凝器冷凝后,液相作为回流,少量不凝气返回裂解气压缩机。液态乙烯产品从乙烯精馏塔第9块塔板抽出,从乙烯精馏塔底部抽出乙烷。产品质量控制采用灵敏板控制方式,第115块塔板的在线分析控制器通过与塔底再沸器(EA403A/B)的丙烯冷剂的流量控制器构成串级控制来实现产品的质量控制;为了防止乙烯产品的过量采出,塔顶回流量与侧线产品采出量采用比值控制(比例一般设为41);回流罐液位与回流量构成串级控制;PIC-403控制进入回流冷凝器的冷剂量,PIC-404控制回流罐不凝气体的放空;侧线再沸器(EA603)的流量控制与再沸器的液位控制器进行低选,来控制进入换热器壳层的乙烯流量13。乙烯精馏塔的操作和控制水平直接关系到乙烯产品的质量、收率和能量消耗。通常要求在保证塔顶乙烯产品控制在规定纯度的前提下,提高乙烯产量、降低塔底乙烯损耗和能耗。常规控制难以达到上述目的,因此,必须采取先进控制。乙烯精馏塔是精细分离塔，对产品质量要求严格，产品不合格将造成很大的经济损失。由于分离过程通道很长，对进料扰动及调节器输出存在很大的纯滞后与很长的响应时间，这就给控制带 来很大困难。又考虑到过程波动，往往要超规格运行而引至过量的冷剂消耗。控制系统改造中，采用前馈，大纯滞后补偿及直接质量反馈控制等先进控制技术，克服了进 料扰动，塔的干扰因素及惯性影响，使系统操作平稳，维持乙烯产品中乙烷含量在规定的最大允许值，保持塔底产品中乙烯浓度符合工艺要求。结果明显的节省冷剂用量及增加乙烯收率。乙烯精馏塔工艺机理复杂,影响塔釜乙烷采出量的因素很多,一般精馏塔直接根据液位调节塔釜流量。但由于本乙烯精馏塔半径大,塔釜高度小,如果象一般精馏塔那样把液位控制在70%80%,当液位降低时,会出现液位失控的情况,所以本塔液位一般控制在满液位。由于乙烯精馏塔液位为满液位液位可调范围太小,所以不能象一般精馏塔那样通过控制液位来调节塔釜采出流量。乙烯精馏塔压差是衡量乙烯精馏塔稳定的一个主要依据,液位升高则压差增大,所以选取压差作为间接指标,根据压差来调节塔釜采出量。影响乙烯精馏塔压差的因素很多,比如进料流量、塔釜液位、塔釜温度、灵敏板乙烯浓度等,这些因素相互耦合,互相影响。长期以来一直由现场操作人员凭经验判断影响压差的因素然后手动调节,若操作人员疏忽或经验不足会出现塔系不稳的情况。此外,乙烯精馏塔塔釜采出量的调节影响到裂解炉的平稳操作,不同操作人员的操作习惯不同,会对裂解炉造成不同程度的干扰14。3.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护3.3.1工艺因数影响(1)上升蒸汽和回流影响在精馏塔内，上升蒸汽流量变化的响应是相当快的。由于上升蒸汽只需克服塔板上级薄覆盖的液相阻力，而塔内汽相蓄存量的变化在塔压控制一定时可忽略不计，因此上升蒸汽量的变化几秒钟内就可以影响到塔顶。然而，从塔板下流的液相却有相当大的滞后。这是因为回流量增加时，首先要使积存在塔板上的蓄存量增加，然后在这增加的液体静压头的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，因此对回流量变化的响应存在着滞后性(2)组分滞后的影响无论是改变再沸器加热量引起上升蒸汽变化还是由于回流的变化，均是通过对每块塔板上组分之间的平衡施加影响，最终才引起顶部产品或顶部产品组分浓度的变化。由于组分要达到静态平衡需要很长时间，因此尽管上升蒸汽量变化可以很快影响到塔顶组分浓度，但要使塔顶组分浓度变化达到一个新的平衡仍需花费相当常的时间。回流变化情况也是类似的，只是花费的时间更多。这就是说，塔板上的组分平衡要等到影响组分的液相或汽相流量稳定相当时间后才能建立。组分滞后随着塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而随塔板数的增加而增加，也随着回流比的增加而增加，因为回流比的增加，意味着塔板上蓄液量的增加。由于再沸器加热量的增加引起上升蒸汽量的增加，将会改善汽、液接触，从而使组分滞后减少15。3.3.2故障分析及系统维护图3.5为精馏塔故障发展曲线。精馏塔的故障情况，其主要故障有塔板效率低、塔底温度低、回流温度高和液泛等。图3.5 潜在故障向功能故障发展的示意图针对以上故障，应用射线现场扫描检测技术可以诊断和消除故障、优化操作条件和延长操作周期等，并且为炼油和化工企业指导生产提供重要数据或科学依据。确定精馏塔检测周期及维修时间对精馏塔各个部件的监测周期的确定要依赖于精馏塔本身的寿命，在这里取精馏塔的平均极限寿命为T，则检测周期Tc=Tnd，其中nd为离散度系数。nd的确定取决于设备运行的环境状况。精馏塔的维修时间要视检测后的精馏塔状况来确定，在这里规定精馏塔的最大运行状态为精馏塔在发生故障前各参数能够达到的最大值，当其中的一个或几个参数超过该值时，即认为精馏塔已经达到极限寿命，需要修理。第四章 基于JX-300X的自控系统设计与选型4.1 JX-300X系统介绍70年代，大规模集成电路问世，微处理器（MICROPROCESSOR-u P）的诞生，控制技术，显示技术，计算机技术，通信技术（即所谓的4C技术）等的进一步发展，人们为继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点，进一步提高控制系统安全性和可靠性，降低成本，开发研制以微处理器为基础的新型控制系统-分散控制系统分散型综合控制系统（Distributed Control System，简称DCS）又称为集散控制系统，它综合了计算机技术，控制技术，通信技术和显示技术，使控制系统结构进入了一个新阶段。DCS系统以其灵活，模块化结构，安全，可靠，危险分散，功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的主流系统。4.2 JX-300X系统方案设计4.2.1 DCS系统的基本组成 集散控制系统的产品众多，但从系统的结构分析，都是由三部分组成，即分散过程控制装置部分，操作管理装置部分以及通信系统部分组成。 （1） 分散过程控制装置部分 它的主要功能是分散的过程控制，是系统与过程的接口。其结构特征: 需适应恶劣的工业生产过程环境 分散过程控制装置的一部分设备需安装在现场所处的环境差，因此，要求分散过程控制装置能适应环境的温度，湿度变化；适应电网电压波动的变化；适应工业环境中兽王电磁干扰的影响；适应环境介质的影响。 分散控制 分散过程控制装置体现了控制分散的系统构成。它把区域分散的过程控制装置用分散的控制实现。它把监视和控制分离，把危险分散，使得系统的可靠性提高。 实时性 分散过程控制装置直接与过程进行联系，为能准确反映过程参数的变化，它应具有实时性强的特点。从装置来看，它要有快的时钟频率，足够的字长。从软件来看，运算的程序应精炼，实时和多任务作业。 独立性 相对于集散控制系统，分散过程装置具有较强的独立性。在上一级设备出现故障或与上一级的通信失败的情况下，它还能正常运行，从而也使过程控制和操作得以进行。因此，对它的可靠性要求也相对更高。 目前的分散过程控制装置部分由回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。4.2.2 DCS系统的特点 常规模拟仪表组成的过程控制系统与集中式计算机过程控制系统都有其固有的局限性。而DCS系统在工业控制上具有上述两种系统所无法比拟的优越性。（1）控制功能完善。集散控制系统的控制单元具有连续、离散、批量控制等高级功能，可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制及逻辑控制；可以实现监控、显示、打印、报警、历史数据存储等日常全部操作。（2）系统扩展灵活。集散系统多采用模块式结构，可以灵活地组建单回路、多回路、大、中、小等各类系统。由于系统采用局域网络，系统的扩展变得异常方便，局域网节点可以灵活地接入各种单元或其他网络。（3）完善的人-机联系和集中监控功能。CRT屏幕可将整个工厂的生产状况，单元的数据及时、准确的展现在操作者面前；同时，CRT操作站还能够适应现代管理中对画面和报表的各种要求，从而实现真正的集中操作和管理。（4）安全可靠性高。由于采用了多微机分散控制结构，危险分散，系统中关键设备采用双重或多重冗余设有自动备用系统和完善的自诊断功能；现场信号的采集采用分布式，采集的信号经智能前端处理成数据信号，抗干扰的能力增强。（5）安装调试简单。集散系统各单元安装在标准机框内，模件之间采用多芯电缆，标准化接插件相连；现场与控制室之间只需1-2根屏蔽电缆进行数据通讯，布线量大大减少。系统采用专业软件调试，安装调试时间仅为常规仪表的一半。（6）具有良好的性能价格比。鉴于上述优良的性能及布线、安装、调试费用等的大幅度下降，DCS系统规模越大，平均每个回路的投资越省。4.2.3 DCS系统的传输媒介 网络传输介质主要有轴电缆、双纹线、光纤以及射频等。同轴电缆带宽较高，传输距离可达几公里。同轴电缆目前主要应用在环形和总线型网络中，其成本中等。双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用，尤其是在星型网络中。光纤损耗低，传输距离远，通信容量大，而且光纤抗电磁干扰能力强。应该说，光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势。选择什么样的传输介质往往跟网络的拓扑关系有关，例如星型结构通常选用双绞线，这取决于节点的能力、节点之间的距离及环境因素等。环形拓扑结构可以采用任何传输介质，取决于网络技术要求。对于总线型拓扑结构，一般采用双纹线和同轴电缆，而不选用光纤。 有线方式在应用范围、组网灵活性等方面都存在着一定的不足。相反，采用无线射频的方式则可以超越地域上的限制，大大提高系统实现上的灵活性。因此，近年来，无线DCS越来越受到人们的重视。4.2.4 DCS通讯网络1.实时性要求 与普通局域网不同，工业LAN对实时性要求比较高。一般是通过牺牲信道利用率来保证通信的实时性。为了保证DCS通信网络的实时性，一般采取以下几种措施。（1）限定通信网络上每一个取得通信权的时间上限值，从而避免某些站长时间的占用通信资源而破坏其他站的实时性。（2）保证在某一固定周期内，通信网的各站均有机会取得通信权，以防个别站长时间得不到通信权而使其实时性降低。这一固定周期越短，则网络的整体实时性越高。（3）既可以采取静态方式赋予某些站较高的优先权，也可以采取动态的方式临时赋予某此通信任务以较高的优先权，以满足各个站对实时性的不同要求。（4）应该力求使通信协议简单。OSI标准协议共有七层，层数的增多会使有效传输率降低而影响实时性。因此，工业LAN采用的通信协议一般应该分层少且使用简化与压缩型通信协议。MAP（Manufacture Automation Protocol）协议为了适应高实时性要求，在协议中专构建立； 支持压缩型协议的Mini MAP系统，可使实时性提高3到5倍。 另外，提高通信速率也可以提高实时性。因此应采取优良的通信介质，如光导纤维等。2.通信网络协议标准及其开放性 DCS系统通信网络基本上是基于IEEES02局域网通信协议标准的。在DCS网络中主要使用或所关联的是3种通信协议网络，即：IEEE802.3.IEEE02.4以及IEEE802.5a。 目前，IEEE802已被国际标准化组织推荐为局域网国际标准，并定名为ISODP8802/X，但在实际的应用中，各DCS厂家仍然采用不同的802通讯标准和不同的操作系统，实际上并没有真正的开放。美国General Motons 公司以ISO7层模式为依据，从制造业自动化局部区域网络的角度提出了MAP规程，得到了工业控制领域的认可。 MAP协议基于IEEE802标准，其逻辑链路子层与802.2标准中的非应答无连接服务基本符合。而介质访问控制子层与802.4基本一致，故MAP协议也具备令牌总线的优点。MAP代表着工业控制系统网络通讯结构的发展方向。目前，各主要DCS系统正在向MAP协议靠拢，以便真正走向开放，融合。4.2.5 JX-300XP系统简介1.JX300XP系统概述浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统JX300XP，大限度的满足应用需求的原则，应用了最新的信号处理技术、高速网络通信技术、可靠地软件平台和软件设计技术以及现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX300X的功能和性能，使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和PLC连锁逻辑控制功能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化。结构灵活、功能完善的新型开放式集散控制系统。 JX-300XP D由操作站、控制站、过程控制网络等组成。 工程师站是为专业工程技术人员设计的， 内装有相应的组态平台和系统维护工具。通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统，具体功能包括：系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。操作站是由工业 PC 机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。高性能工控机、卓越的流程图机能、多 窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、 集中操作和集中管理。控制站直接与现场打交道的 I/O 处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。控制站可冗余配置，灵活、合理。在同一系统中，任何信号均可按冗余或不冗余连接，详见卡件描述。对于系统中重要的公用部件，建议采用100%冗余，如主控制卡、数据转发卡和电源箱。 过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输，双重化冗余设计，使得信息传输安全、高速。2.JX300XP DCS系统的整体结构JX300XP DCS采用三层通信网络结构。如下图3-1所示：图3-1 JX300XP 系统结构图最上层为信息管理网，采用符合TCP/IP协议的以太网，连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机，用于工厂级的信息传送和管理，是实现全厂综合管理的信息通道。中间层为过程控制网，采用了双高速冗余工业以太网Scnet作为其过程控制网络，连接操作站、工程师站与控制站等，传输各种实时信息。底层网络为控制站内部网络SBUS，采用主控制卡指挥式令牌网，存储转发通信协议，是控制站各卡件之间进行信息交换的通道。3.系统主要性能指标 系统规模 过程控制网络 SCnet 连接系统的工程师站、 操作站和控制站， 完成站与站之间数据交换。SCnet 可以接多个 SCnet 子网，形成一种组合结构。每个 SCnet 网理论上最多可带 1024 个节点，最远可达 10,000 米。目前已实现的 1 个控制区域包括 15个控制站、32 个操作站或工程师站，总容量 15360 点。 控制站规模 JX-300X DCS 控制站内部以机笼为单位。机笼固定在机柜的多层机架上，每只机柜最多配置 7 只机笼：1 只电源箱机笼和 6 只卡件机笼（可配置控制站各类卡件）。 卡件机笼根据内部所插卡件的型号分为两类：主控制机笼（配置主控制卡）和 I/O机笼（不配置主控制卡）。每类机笼最多可以配置 20 块卡件，即除了最多配置互为冗余的主控制卡和数据转发卡各一对外，还可以配置 16 块各类 I/O 卡件。4.可靠性 控制站通过 SBUS 网络构成了一种更分散的控制结构，提高了系统的可靠性。 系统的每一块卡件均带有专用的微处理器，负责该卡件的控制、检测、运算、 处理及故障诊断等，提高了每块卡件的自洽性，使系统的可靠性和安全性成倍上升。 系统的模拟量输入（AI）卡件采用了智能调理和先进的信号前端处理技术，由卡件上的微处理器控制，将信号调理和 A/D 转换合二为一，使每块模拟量输入卡具有信号智能调理和处理的能力，提高了 I/O 卡件的可靠性、独立性，同时也有助于功能扩展。 机笼内部采用板级热冗余技术，卡件可根据需要实现 11 热备份：当任一设置为冗余方式的工作卡件发生故障时，备用卡件即迅速自动切换，整个系统仍按原进程工作，不影响整个系统的工作状态。用户可以根据需要，对 I/O 卡选择全冗余、部分冗余或不冗余。系统通过软、硬件措施，确保冗余 I/O 卡之间满足输入 / 输出相容性原则。信号全部采用磁隔离或光电隔离技术，将干扰拒之于系统之外。通道之间的隔离消除了信号之间的串模干扰影响，提高了信号处理的可靠性。为抑制交流电源噪声干扰系统正常工作，安装了电源低通滤波器，并采用带屏蔽层的变压器，使控制站与其他的供电电路相隔离。同时在布线和接地方面逻辑电路、模拟电路的布线尽量分开，直流供电备有良好的退耦电路。所有智能卡件通过先进的硬件设计和周密的软件配合，都实现了带电插拔的功能，以满足系统在运行过程中的维修需要。7.JX300XP DCS系统设计DCS系统是硬件、系统软件和应用软件三部分的有机结合体。所以DCS系统的设计内容主要包括硬件设计和应用软件的设计。JX300XP DCS系统的硬件设计包括：通信系统：通信系统是选择DCS系统的关键环节之一。随着计算机网络通信技术的发展和市场的需求，大多数DCS系统都以开放系统为标准来设计其通信系统。人机接口：人机接口是DCS系统的操作站部分。接口单元：这里的接口单元是指DCS系统与本系统之外产品的接口单元。主要有DCS系统与上位计算机的接口，与气相工业色谱的接口及与可编程控制器的接口。（1）控制站硬件 控制站是系统中直接与现场打交道的I/O处理单元，完成整个工业过程的实时监控功能。通过软件设置和硬件的不同配置可构成不同功能的控制结构，如过程控制站、逻辑控制站、数据采集站。控制