精馏塔釜温度串级控制系统设计

Hefei University 无机非班 无机非班 测量仪表及自动化测量仪表及自动化 过程考核之三过程考核之三 设计设计 题 目 题目自拟 包括题目自拟 包括 1 体系 如燃烧炉 精馏塔等 体系 如燃烧炉 精馏塔等 2 控制点 单点如温度 压力 控制点 单点如温度 压力 等 多点可以用综合控制等词 等 多点可以用综合控制等词 3 控制方案 如 控制方案 如 PID 控制 简单控制 串级控制控制 简单控制 串级控制 等等 系 别 化学材料与工程系化学材料与工程系 班 级 11 无机非 无机非 1 姓 名 陶焱陶焱 学 号 1103031007 教 师 胡胡 科科 研研 日 期 2013 10 26 精馏塔釜温度串级控制系统设计精馏塔釜温度串级控制系统设计 摘要 摘要 在石油 轻工 化工等生产过程中 常常需要将原料 中间产物或粗产 品中的组成部分进行分离 而精馏是最常用的方法 精馏是石油 化工等众多 生产过程中广泛应用的传质过程 通过精馏过程 使混合物料中的各组分分离 分别达到规定的纯度 分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同 沸点 不同 使液相中的轻组分 低沸点 和汽相中的重组分 高沸点 相互转移 从而实现分离 精馏装置由精馏塔 再沸器 冷凝冷却器 回流罐及回流泵等 组成 精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程 内在机理较为复杂 动态响 应迟缓 变量之间相互关联 不同的塔结构差别很大 而工艺对控制的要求又 较高 所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题 我们此次设计就是 要设计一个精馏塔温度的控制系统 要求当物料进入精馏塔时 塔釜的温度可 控并且温度恒定 保 证生产的连续性 关键词 关键词 精馏 多输入多输出 动态响应 精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备 它是依据精馏 原理对液体进行分离 即在一定压力下 利用互溶液体混合物各组分的沸点或 饱和蒸汽压不同 使轻组份 即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分 汽化 经 多次部分液相汽化和部分气相冷凝 使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度 逐渐升高 也就是说在提馏段上升的轻组分的易挥发组分逐渐增多 难挥发组 分逐渐减少 而下降液相中易挥发组分逐渐减少 难挥发组分逐渐增多 从而 实现分离的目的 满足化工连续化生产的需要 精馏塔塔釜温度控制的稳定与 否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果 控制精馏塔的塔釜温度是保证产 品高效分离 进一步得到高纯度产品的重要手段 维持正常的塔釜温度 可以 避免轻约分流失 提高物料的回收率 也可减少残余物料的污染作用 影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰 如进料流量 温度 及成分等的变化对温度的影响 一般情况下精馏塔塔釜的温度 我们是通过控 制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的 灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏 塔内温度变化最灵敏的一块塔板 以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回 路调节 调节反应慢 时间滞后 对精馏操作而言 产品的纯度很难保证 从 上述干扰分析来看 有些干扰是可控的 有些干扰是不可控的 从而选择一种 可靠并且稳定的控制系统是非常重要的 一 总体设计方案一 总体设计方案 单回路控制系统框图单回路控制系统框图 串级控制系统框图串级控制系统框图 二 系统器件选择 包括器件参数 二 系统器件选择 包括器件参数 温度传感器选择温度传感器选择 热点偶作为温度传感元件 能将温度信号转换成电动势 MV 信号 配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的 转换 具有稳定 复现性好 体积小 响应时间较小等优点 热电偶一般 用于 500 度以上的高温 可以在 1600 度高温下长期使用 铂铑 10 铂热点偶传感器测温范围在 0 1600 度 WRP 型铂铑 10 铂热 电阻性能可靠 耐高温 抗氧化 可长期工作在 0 1600 度环境下 调节器与执行器 传感器的选型调节器与执行器 传感器的选型 调节器 执行器 变送器的控制信号均采用国际标准信号制 即 4 20MA 直流电流和 1 5 伏直流电压 信号电流和电压的转换电阻为 250 欧 调节器调节器 温度传感器温度传感器 调节阀调节阀 818 型 PID 调节器 WRP 系列热电偶传感器 ML7420A 流量传感器流量传感器 变频器变频器 水泵水泵 MLF 1 西门子 MM440 0 37kw 三 硬件设计方案三 硬件设计方案 副参数 蒸汽流量 主参数 塔釜温度 当仅有作用流量对象的二次干扰 D2 加入时 Y2 上升 由于 Y2 变化需要经过 一段时间才会引起 Y1 的变化 故认为 Y1 暂时不变 则 Z1 也暂时不变 因 R1 是给定值 所以 E1 R1 也不变 从而有 D2 上升 Y2 上升 Z2 上升 E2 R2 Z2 下降 阀门开度下降 Y2 下降 可见一旦有二次干扰 副回路即对 副参数变量进行调节 使其回到受干扰前的数值上 但初始时 Y2 的上升经一 段时间后会影响 Y1 的上升 则有 主主 副副调调节节器器正正反反作作用用方方式式确确定定 由生产工艺安全考虑 燃料调节阀应选气开方式 保证系统出现故障时调 节阀处于全关状态 防止燃料进入精馏塔 确保设备安全 调节阀的 Kv 0 主调节器作用方式确定 蒸汽流量增加 塔釜温度升高 主被控过程 Ko1 0 为保证主回路为负反馈 各环节放大系数乘积须为正 则副调节器的放大系数 K1 0 主调节器作用方式为反作用 又为保证副回路是负反馈 各环节放大系 数乘积必须为正 所以副调节器 Kc 0 副调节器作用方式为反作用方式 M 380v 变频器 QF1 QF2 KM1 FR1 控制系统硬件接线图 四 控制算法选择四 控制算法选择 在精馏塔温度串级控制系统中 我们以塔釜温度为主要被控参数 塔釜温 度影响产品生产质量 工艺要求严格 又因为精馏塔串级控制系统有较大容量 滞后 所以 选择 PID 调节作为主调节器的调节规律 控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量 对副参数的要求一般不 122 21111122 YYE RZREZYYD 严格 可以在一定范围内变化 允许有残差 所以副调节器调节规律选择 P 控 制 调节器 1 P 2 I 0 454 D 0 SN 33 CF 0 ADDR 1 SV 8 DIH 50 DIL 0 副调节器 P 1 五 控制参数整定五 控制参数整定 在比例作用的条件下 由大到小逐渐降低副调节器的比例度 此时的仿真 曲线如图所示 在系统稳定运行大约 900s 后 突加幅值为设定值 40 的二次阶跃扰动信号 仿 真曲线如图所示 由仿真曲线图可观察知 因塔釜温度最大偏差为 3 5 单回路控制系统不 能满足工艺要求 保持副回路的比例度不变 逐步降低主回路的比例度 P1 直到得到主回路过渡 过程衰减比为 10 1 的比例度 P1S 记取过渡过程的振荡周期 T1S 当衰减比为 10 1 时 比例度 2s P 为 1 Tr 为 210 主 副调节器参数整定好以后系统响应曲线如图所示 在 40 的蒸汽扰动下 观察塔釜温度的响应曲线如图所示 若采用以蒸汽流量为副参数 塔釜温度为主参数的串级控制系统 把蒸汽压力 变化这个主要扰动包括在副回路中 充分运用对于进入串级副回路的扰动具有 较强抑制能力的特点 将副调节器的比例放大系数调到 1 实际运行表明 塔釜 温度的最大偏差未超过 1 5 完全满足了工艺要求 六 心得体会六 心得体会 在为期一个多星期的课程设计中 遇到过很多很多的问题 但我通过很多有效 地途径 例如上网查相关资料 问身边的同学与朋友 或者请教本专业的老师 都得到了解决 在设计过程中 从拿到题目 方案的设计到方案的确定 都经过了严谨的思考 回路的设计 调节器的正反作用的确定 被控参数的选择 使系统能够达到设 计目的 通过这次设计 我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识 对过程控制系统设计步骤 思路有一定的了解与认识 我学到了控制系统的设 计方法和步骤 拓展了知识面 了解了工业工程中控制系统起到的重要作用 与此同时 在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作 参考文献 参考文献