脱戊烷塔提馏段温度系统控制.doc

目 录一、课程设计的目的 1二.工艺简介 2三.课程设计内容 2 3.1工艺流程简介及工艺对自动控制的要求 2 3.2控制方案的选择 3 3.3各种自动化仪表的选型 6 3.4画出控制点的工艺流程图 8 3.5控制系统的投运与整定 9 3.6设计改进 10四总结 11参考文献 12一、课程设计的目的学生通过对本任务书所指定的课题，模拟的进行完整的设计，理论联系实际，运用和巩固在化工过程控制工程课程和本专业的其他相关课程所学习的知识，培养独立思考、分析和解决实际问题的能力。通过本次设计使学生熟悉工程设计的思维方式和步骤，并了解如何进一步根据确定的设计方案合理选择自动化仪表，培养学生查阅资料，独立获取新知识、新信息的能力。二.工艺简介 蒸汽裂解装置中产生的裂解气经过分离出来的碳五以后的汽油组分作为脱戊烷塔的进料，利用C5馏分与C5以后等重组分沸点不同，在脱戊烷塔中进行气液分离，使C5组分从C5以后的重组分中分离出来。温度是影响产品质量的重要因素，因此需要设计控制方案加以控制。只有在一定的压力下温度才能表征分离的效果因此对压力也需进行自动控制，进料从塔中部（第24块塔盘）进入。塔顶产品为碳五馏分，送出界区，塔底产品为C6-C8汽油馏分，也送去贮罐。脱戊烷塔压力0.08MPa(G)，塔底温度111，再沸器采用低压蒸汽进行换热。 要对精馏塔实施有效的自动控制，必须首先了解精馏塔的控制目标。一般说来，精馏塔的控制目标，应该在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或总成本最小。因此，精馏塔的工艺要求应该从质量指标、产品产量和能量消耗三方面考虑。任何精馏塔的操作情况也同时受约束条件的制约，因此，在考虑精馏塔控制方案时一定要把这些因素考虑进去。三.课程设计内容3.1工艺流程简介及工艺对自动控制的要求来自于裂解汽油的C5馏分含有一些非常有用的化工原料，它们是异戊二烯(IS P)环戊二烯(CPD)(通常以二聚体形式存在:即双环戊二烯(DCPD)、戊间二烯(PIP),2甲基一2一丁烯、1一戊烯等。从这些原料出发可以合成许多高附加值的产品，一些大公司己经从全球性的角度来看待，考虑C5馏分综合利用。C5馏分的化工利用可以分为燃料和化工两大方面。化工利用比燃料利用(如裂解C5，一段加氢作调合汽油，C5/C6烷烃异构化后作无铅汽油等)的经济效益更好，是当今C5，利用的重点，也是C5利用的商机所在。以分离提纯后的C5 各组分为原料，可以生产品种繁多的石细化学品，特种化学品，精细化学品和医药化学品。随着新的下游产品不断开拓，C5 烃系列产品的市场会越来越景气。这无疑将推动碳五馏分的综合利用上一个新的台阶。目前我国在碳五馏分综合利用方面与美、日相比差距很大，国内大型乙烯装置都使用一部分裂解C5馏分作为裂解炉燃料。蒸汽裂解装置中产生的裂解气经过分离出来的碳五以后的汽油组分作为脱戊烷塔的进料，利用C5馏分与C5以后等重组分沸点不同，在脱戊烷塔中进行气液分离，使C5组分从C5以后的重组分中分离出来。温度是影响产品质量的重要因素，因此需要设计控制方案加以控制。只有在一定的压力下温度才能表征分离的效果因此对压力也需进行自动控制，进料从塔中部（第24块塔盘）进入。塔顶产品为碳五馏分，送出界区，塔底产品为C6-C8汽油馏分，也送去贮罐。脱戊烷塔压力0.08MPa(G)，塔底温度111，再沸器采用低压蒸汽进行换热。3.2控制方案的选择提馏段温度控制系统采用串级控制方案，该控制系统的被控对象是D308塔灵敏板的温度。由于对灵敏板的温度指标要求严格，而其影响干扰又很多，而干扰的存在会直接影响产品的质量，这里的主要干扰是进料流量，它存在容量滞后较大、负荷变化较剧烈、干扰比较频繁的问题。当工艺对产品质量提出的要求很高时，采用单回路控制的方法就不能满足要求，所以采用串级控制系统。 1)串级控制系统的特点(1)由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率提高了。(2)具有较强的抗干扰能力；(3)具有一定的自适应能力。2)串级控制系统的应用场合(1)用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰；(2)用于滞后较大的对象；(3)用于容量滞后较大的对象；(4)用于克服对象的非线性。串级控制系统在精馏塔控制中经常用于质量反馈控制系统。图3-1所示为脱塔提馏段温度串级控制系统的控制方案。图3-1 脱戊烷塔提馏段温度控制方案从图可以看出，有两台控制器，用温度控制器TC101的输出作为流量控制器FC102的给定值，而用后者的输出去控制控制阀，从而构成串级控制系统。3)被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作，产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。这里对于以温度为操作指标的生产过程，就选择温度作为被控变量，因为温度具有足够大的灵敏度反映产品质量的变化。此外，选择温度作为被控变量时，考虑到了工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。当被控变量选定之后，下一步就要考虑选择哪个参数作为操纵变量，去克服干扰对被控变量的影响。4)操纵变量的选择设计中选择进料流量作为操纵变量，因为在这里流量是可控的，其通道放大倍数比较大，且大于扰动通道的放大倍数；扰动通道时间常数比较大，而且控制通道时间常数比较小；其通道滞后时间也比较小，所选则的流量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；同时，还考虑到了工艺的合理性。设计中，控制阀选择风开阀，温度控制器选择正作用，流量控制器选择反作用。控制器正、反作用的选择原则是：先副后主，使系统成为一个负反馈系统。当提馏段温度升高时，对于温度控制器来说，它感受到的是正偏差，测量信号增大，由于流量控制器选择反作用，它的输出将增大，又由于控制阀是风开式的，因此控制阀应开大些，通入的流量增加，将提馏段温度降低。该控制方案的方块图如图3-2所示。图3-2 脱戊烷塔提馏段温度控制方案方块图从图中可以看出，该系统的主参数是温度，副参数是进料流量，操纵变量也是进料流量，设定值是外给定的。一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定值控制系统。而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。将流量作为副回路的原因是，当干扰作用于副环时，系统的干扰能力会更强。这是因为当干扰作用于副环时，在它还没有影响到主变量之前副控制器首先对干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”，合适与否最后视主变量是否受影响来判断，如果主变量还会受影响，那么将再由主控制器进行“细调”。从而更好地克服各种干扰信号，有效地提高控制产品的质量。5)采用温度作为间接质量指标(1)温度点的位置通常，若希望保持塔顶产品质量符合要求，也就是顶部馏出物为主要产品时，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓精馏段温度控制系统。同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温度控制系统。本设计中采用的就是后者。(2)灵敏板问题采用塔底温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测点放置在塔底是极少数的。因为在分离比较纯的产品时，邻近塔两端的各板之间温差是很小的，这时塔底的温度出现稍许变化，产品质量就可能超出允许的范围，因而必须要求温度检测装置有很高的精度与灵敏度，才能满足控制系统的要求。这一点实现起来有较大的难度。所以，在实际使用中是把温度检测点放在进料板与塔底之间的灵敏板上。所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即称为灵敏板。灵敏板的位置可以通过逐板计算，经比较后得出，但是，由于塔板的效率不易估准，所以还需结合实践结果加以确定。通常，先根据测算，确定灵敏板的大致位置，然后在它附近设置多个检测点，根据实际运行中的情况，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。3.3各种自动化仪表的选型 在确定控制方案以后，才可以进行确定仪表数量、种类、规格、型号这一步。仪表选型使方案具体化，它是方案成为现实的第一个重要环节。3.3.1温度仪表的选择 温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。因此，温度的测量是保证生产正常进行，确保产品质量和安全生产的关键环节。温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接的测量。1)温度仪表的选用原则 工业检测主要采用热电偶和热电阻作为温度检测元件。(1)热电偶 热电偶结构类型较多，当前应用最广泛的主要有普通型热电偶及铠装热电偶。它的测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠、便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。可以用来测量-2001600范围内的温度。(2)热电阻 工业上广泛应用热电阻温度计测量-200500范围内的温度。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。热电阻温度计的主要特点是性能稳定，测量精确度高，不需冷端温度处理。此外，热电阻温度计输出的是电信号。因此，适合信号的远传，多点测量或自动控制。2)设计中的选择 根据本设计系统的工艺特点，本装置测温元件CC（铜-康铜）热电偶。CC热电偶使用温度范围-200300。热电偶均为氧化镁绝缘，铠装式，非接地型。精度等级为0.75。保护套管材料一般均使用SUS304不锈钢。3.3.2流量仪表的选择 流量的检测是化工生产中重要的环节之一。在化工生产过程中，为了有效地指导生产操作，监视和控制生产，必须经常地检测生产过程各种介质流量，以便为管理和控制生产提供依据。为了保证生产上所需的能量和原料，知道产品的产量，就必须对能量和物料进行比较准确的计量，这样才能不浪费能量，原料和盲目生产。1)流量检测仪表的选用原则 流量检测仪表的选择应考虑：被测介质的种类、工作状态、流动状态、最大流量和最小流量、容许的压力损失、精确度等级等要求、价格限制、现场安装和使用条件、具体用途等诸方面。 节流装置包括：节流装置、取压装置、测量所需要的直管段。具有结构简单，便于制造，工作可靠，使用寿命长，适应性强等特点。节流装置作用是将被测流体的流量转换成差压信号。(1)节流件 目前工业上应用最多的标准节流元件是孔板、喷嘴、文丘利管和文丘利喷嘴。其中，孔板其具有加工简单，节省材料等特点，所以在本次设计中优先选用标准孔板作为节流件。(2)取压方式 就孔板而言，常用的取压方式有五种：角接取压、法兰取压、径距取压法、理论取压法、管接取压法。 角接取压标准孔板适用于：管道内径为50500mm；直径比为0.220.8；雷诺数的范围为5103107 。 法兰取压标准孔板适用于：管道内径为50750mm；直径比为0.100.75；雷诺数的范围为8103107 。 标准喷嘴适用于：管道内径为50500mm；直径比为0.320.8；雷诺数的范围为21032106 。 标准文丘利管适用于：0.300.75；100mmD800mm。92)设计中的选择 设计中的液位流量测量仪表主要采用电动差压变送器，DBC系列，用以连续测量液位，并把被测参数转换成一定的标准信号，实现对工艺流程的自动检测和控制。采用的节流装置标准孔板法兰取压用于在一般情况下的流量测量。综上所述，仔细考虑，合理选择，在本次设计中采用法兰取压标准孔板配DBC电动差压变送器。3.3.3控制规律选择目前工业上常用的调节器主要有四种控制规律：比例控制规律(P)、比例积分控制规律(PI)、比例微分控制规律(PD)和比例积分微分控制规律(PID)。选择调节器控制规律时，应根据对象特性、负荷变化情况、主要干扰以及对控制质量的要求等不同情况，进行具体分析；同时，还应考虑经济性和系统投运的方便等等。1)根据对象特性来选择控制规律(1)当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求不高时，可选用比例控制规律；而当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求无余差时，则应选用比例积分微分控制规律。(2)当广义控制通道的时间常数大或容量滞后大时，采用微分作用有良好的效果，积分作用可以消除余差。因此，可选用比例微分作用或比例积分控制规律。(3)当广义对象控制通道的时间常数较小，而负荷变化很大时，选用微分作用和积分作用都容易引起振荡。如果时间常数很小时，可采用反微分作用来提高控制质量。(4)当广义对象控制通道的时间常数或滞后时间很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统往往已不能满足要求。应设计其他控制方案，根据具体的情况选用前馈、串级、采样等复杂控制系统。2）根据调节器的特性和工艺要求来选择 (1)比例调节器的特点是：输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应关系。当负荷变化时，克服干扰能力强，过度时间短，过程终了时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。比例调节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。如中间贮罐的液位，精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制等。(2)比例积分调节器的特点是：积分作用是调节器的输出与偏差的积分成比例。因此过度过程结束时无余差。在比例作用基础上加入积分作用的同时，可以通过加大比例度，使过程的稳定性基本保持不变。但超调量、振荡周期都相应增大，过渡时间加长，比例积分调节器是使用最多、应用最广的调节器。他适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺要求无余差的系统。如流量、压力和要求严格的液位控制等。(3)比例积分微分调节器的特点是：微分作用使调节器的输出与偏差变化速度成正比例。它对克服容量滞后有显著效果。在比例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。比例积分微分调节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。如温度控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会导致系统的不稳定。3.4画出控制点的工艺流程图图3-3 蒸汽裂解装置工艺流程方块图3.5控制系统的投运与整定 所谓控制系统投运，就是将系统由手动工作状态切换到自动工作状态。一旦控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符合精度要求，并已运行正常，即可着手进行控制系统的投运和控制参数的整定。在投运整定之前，必须检查控制器正反作用开关是否放置正确；必须保证系统构成负反馈。 所谓控制系统整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。控制器参数的整定方法常见的有临街比例度法，衰减曲线法，反应曲线法和经验法。 选用不同类型的仪表组成的串级系统，投运方法也有所不同，但是所遵循的原则基本上都是相同的。其一是投运顺序，一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换。 串级系统的整定方法有逐步逼近法，两步整定法和一步整定法等。在提留段温度、流量串级控制系统中，将采用一步整定法，先给副环加一次干扰，然后按单回路整定方法克服干扰。3.6设计改进本设计系统介绍了整个塔底温度控制工艺，并且对采用的CENTUM CS 100控制系统作了概要的介绍，又根据脱戊烷塔的工艺特点，结合所学专业知识，确定了脱戊烷塔的受控变量，选择满足要求的脱戊烷塔整体控制方案，并结合控制方案确定了塔底温度控制连接图，并对采用的各个仪表，控制器的类型、作用方式，控制规律作了简要介绍。根据工艺要求确定了控制器和控制阀的类型，以及控制规律和控制系统的投运与整定。脱戊烷塔的优质操作受到许多因素的影响，根据具体的工艺特点，合理进行控制方案的选择和实施是其产品质量的保证。本设计采用串级控制系统的方案，具有较高的稳定性和效率性，基本完成了对温度自动控制的要求，达到了较好的控制目的，但是还存在一些不足之处。如：流量控制虽然较好的消除了波动，满足了工艺要求，但是还存在着一些误差，这是我们日后有待解决的问题。四总结本次对脱戊烷精馏塔