高晓迪开题报告.doc

醇酮装置精馏塔自动控制系统设计1. 课题的来源、选题的目的和意义1.1 课题的来源新醇酮装置（U283）是辽阳石化分公司尼龙厂精已二酸技改工程项目中新建装置，于2004年11月11日建成投产。设计能力为52500吨醇酮/年（按8000小时计），6.5625吨/小时。本装置划分为氧化区（包括氧化反应器和尾气与环已烷换热的热交换器）、催化剂制备区、压缩机区、塔罐区四个区域，由100#氧化工段、200#予浓缩-脱过氧化工段、300#蒸馏工段、400#尾气处理工段、900#公用工程工段五个工段组成1。1.2 选题的意义精馏是工业上应用最广泛的传质分离操作，这除了由于技术比较成熟外，最主要是其通常只需要提供能量和冷却剂，就能得到高纯度产品。因此精馏的研究工作一直十分活跃，其代表性成果也层出不穷。塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一，塔设备的设计和研究，已经受到化工行业的极大重视。在化工生产中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有非常重大的影响。精馏塔也是最早应于手工业生产的塔设备之一，合理的设计和适当的操作精馏塔能够满足要求的操作弹性而且效率高2。本次设计题目为醇酮装置精馏塔自动控制系统设计。化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干分组组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在相互接触的过程中，液相中的轻组分转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。因此精馏塔操作弹性的好坏直接关系到石油化工企业的经济效益3。精馏是分离液体混合物最常用的一种单元操作，在化工，炼油，石油化工等工业得到广泛应用，在原油加工中占有重要的作用。本设计使用精馏塔，其突出优点为结构简单，造价低板上液面落差小，气体压强低，生产能力较大，气体分散均匀，传质效率较高。其中，精馏塔的主要干扰因素为进料状态，即进料流量F、进料组分Zf，进料温度Tf或热焓FE此外，冷剂与加热剂的压力和温度及环境等因素，也会影响精馏塔的平衡操作。所以，在精馏塔的整体方案确定时，如果工艺允许，能把精馏塔进料量、进料温度或热焓加以定制控制，对精馏塔的操作平稳是极为有利的。精馏塔的控制目标是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。具体对一个精馏塔来说，需从产品质量控制、物料平衡控制、能量平衡控制、约束条件控制这四个方面考虑，设置必要的控制系统。本次设计的重要意义是一次理论联系实践的综合性设计训练。在了解精馏塔装置工艺流程的基础上，通过自己在大学里学过的相关的专业课知识，设计符合工艺要求的控制方案。培养自己对自动控制系统的分析设计能力，提高理论与实际相结合，进一步验证理论和实际的差别及处理实际当中遇到的问题，增强了实践能力，在整个设计过程中，不仅巩固和加强了自己所学的专业理论知识，还培养我独立分析和解决实际问题的能力。更能培养我的创新意识、严谨认真的学习态度。1.3 选题的目的通过在辽阳石化分公司尼龙厂对精馏塔装置认识了解，熟悉精馏塔装置工艺流程、特点及各个工段的控制要求。本次设计为了提高精馏塔控制效率，采用计算机控制系统即集散控制系统CENTUM CS1000对精馏塔装置进行控制，集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。一般的集散控制系统有如下特点：1）自律性强。集散控制系统的各个分级互相联系和制约，通过系统的协调，很好的完成了工作，保证系统安全可靠地控制、操作及管理。2）丰富的控制功能。集散系统不仅可以实现简单的控制功能，而且可以实现各种复杂的控制功能，也可以进行各种复杂运算，还可以实现各种连续的反馈控制、顺序控制、批量控制及单元监视控制操作等。3）完善的人-机联系和集中监视管理能力。操作人员和管理人员通过不同的接口（操作人员接口和工程师接口），由CRT操作站和操作键盘全面地监视、控制、管理生产装置以至整个工厂的生产情况，实现人和过程的高度对话。一些新型集散控制系统采用开放式的工作站（UNIX），加强了集散控制系统在图形图像处理、人工智能和软件工程、计算机辅助设计和制造等方面的功能。4）先进的网络通讯技术。由于网络通讯技术的引进，保证了集散控制系统的实时控制信息的传输，以及系统的信息综合管理。5）系统扩散灵活。集散系统产品各异，但是基本组成类似，均采用模块化结构，用户根据控制系统的大小和要求，可方便地扩大或缩小系统的规模或更改系统的控制级制，从而对提高系统的控制级别，或扩展系统的规模都十分的灵活和方便。6）安全可靠性高。采用冗余技术和容错技术，以及多微处理及分散控制结构，各个单元都具有自诊断、自检查和修复功能，故障报警功能，使系统的平均无故障时间MTBF达105天以上，平均修复时间MTTR为10-2天以下，系统的利用率达99.9999。7）良好的性能价格比。在性能上集散控制系统技术先进，功能齐全，可靠性高，适合多级递阶管理系统控制，特别是随着开放型、网络化集散控制系统的产生，使得集散控制系统的性能价格比有了很大的提高，经济实用，功能合理，易于操作，广泛应用于产生企业 4。本设计采用集散控制系统CENTUM CS1000对精馏塔装置进行自动控制，主要对该部分中涉及的温度，流量，液位等参数进行控制，构成控制回路，并通过正确选择各种仪表，包括测量元件及变送器、控制器、控制阀等，最终设计一套比较合理的控制方案，满足控制精度和蒸馏的要求，提高装置使用效率。2.国内、外研究动态及发展趋势2.1国内、外现状我国常用的板式塔中主要为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔和舌型塔等，更提出了斜空塔和浮动喷射塔等新塔型。带有中间贮槽的间歇精馏塔，作为一种新型的复合塔器，为我们提出了一种新的操作方式，它合理地利用了间歇精馏的动态特性，为多组元物系的分离提供了更好的选择。近年来还发展了存在多个中闻贮槽的复合塔，实现更为复杂的分离过程。作为一个复杂过程，还有待于深入研究其优化操作问题，不能仅局限于用模仿连续精馏的方法，可以用最小能量消耗为目标参数进行优化。对这种复杂塔设计和优化也应是进一步研究的方向5。研究人员提出当代化工产业的发展除了依靠传统化工技术外，还需依靠计算机技术寻求一个基于理论的工艺设计和开发创新的方法。比如计算流体力学的发展和计算机技术的普及应用，使得这一思路有了保证。应用计算流体力学方法能把传统实验所需的人力、物力及财力降低到最低限度，从而带来一场工业设计的突破，这将成为今后工艺设计新的发展方向6。另外在精馏塔工艺方面近年来还趋于催化精馏的改进，催化精馏的实质是将反应和精馏集于同一设备中进行的化工操作过程。与传统工艺相比，具有显著的优点，所以对这一领域的研究一直颇受重视。进人80年代以后，催化精馏由均相反应转向非均相反应，并被广泛用于醚化、烷基化、酯化、脱水和水合等工艺过程，固体催化剂既加速蒸馏塔内化学反应，同时又作为气液两相传质表面，催化剂表面越太，反应速度越快。若颗粒太小就阻碍蒸气上升，影响精馏操作。另外，受催化剂强度的限制，催化剂尚难以制成随意的形状和尺寸，所以在催化精馏塔内反应段催化剂床层是必须以特殊方式装填，而催化剂装填方式直接决定塔内床层的催化剂效率和汽液传质效率，因此催化剂的装填方式逐渐成为催化精馏技术研究的核心课题之一7 。国外关于塔的研究如今已经放慢了脚步，是因为已经研究出了塔盘的效率并不取决与塔盘的结构，而是主要取决与物系的性质，如：挥发度、黏度、混合物的组分等。国外已经转向研究在提高处理能力和简化结构的前提下，保持适当的操作弹性和压力降，并尽量提高塔盘的效率，在新型填料方面则在努力的研究发展有利于气液分布均匀、高效和制造方便的填料8。国外出现了分隔壁精馏塔(Divided Wall Column，简称DWC)是一种完全热耦合的蒸馏塔，具有能耗低、投资少的优点。早在1933年，Luster因裂解气分离而提出了DWC概念，并申请了美国专利。最简单的隔板塔是在普通精馏塔中放人1块隔板，这样相当于2个精馏塔。因此更大程度的利用了能量，降低了能耗。为开发更可靠的效率和压降等的模型，当前应强调实测数据，尤其是工业规模的测试数据，这是建立和验证模型的基础。六七十年代，美国精馏研究公司等进行了一系列工业规模试验，取得了十分有价值的实测数据，为各种模型的建立和现象认识的深化奠定了重要基础。2.2发展趋势精馏是应用最广的传质分离操作，其广泛应用促使其技术已相当成熟，但是技术的成熟并不意味着今后不再需要发展而停滞不前。成熟技术的发展往往要花费更大的精力，但由于其应用的广泛，每一个进步，哪怕是微小的，也会带来巨大的经济效益。正因为如此，蒸馏的研究仍受到广泛的重视，不断取得进展。提高精馏过程的热力学效率、节省能耗是一贯受到重视的研究领域，分离序列的合成，在用热集成概念和夹点分析方法开发节能的分离过程和优化换热网络，在具体分离过程中合理地应用热泵、多效精馏、中间再沸器和中间冷凝器等实现节能，一直是得到广泛重视的活跃的研究领域。随着精细化工的发展，间歇精馏应用也更加广泛，其研究也得到了应有的重视。开发各种新的操作模式，对于节省能耗和缩短操作时间有明显的效果。塔中持液量的间歇精馏膜模拟计算研究有一定进展，对于设计和指导操作有较大意义。对于普通精馏难以（或不能）分离的物料，开发萃取精馏和恒沸精馏的分离工艺，将精馏与反应结合开发反应精馏也是个值得重视的研究领域，这对于拓宽精馏的应用范围，提高经济效益有较大意义。精馏的研究工作一直十分活跃，而且不断取得成果。在各种新分离方法得到不断开发和取得工业应用之际，在石油、天然气、石油化工、医药和农产品化学等工业中所起的重要作用不会改变，作为主要分离方法的地位不会动摇。正如费尔在1987年国际精馏会议上指出的：“如果混合物可以应用精馏分离，那么经济上可能有吸引力的方法是精馏。”随着科学技术和工业生产水平的提高，精馏的应用天地十分广阔，重要的通过不断努力，使其技术水平得到进一步提高，使其日趋完善 9 。3. 课题的主要工作3.1 控制方案的设计控制系统正定的目的是是控制系统获得满意的性能指标。一个控制系统的质量取决于对象特性、控制方案。干扰的形式和大小，以及控制器参数的整定各种因素。本次设计为醇酮装置精馏塔自动控制系统设计，在熟悉精馏塔装置的工艺流程，工业特点及控制要求（控制要求见表3-1）的基础上，初步设计了精馏塔部分的自动控制系统。对精馏塔共设计了12个控制回路，其中包括单回路控制方案11个，串级控制回路方案1个。 表3-1 精馏塔的主要控制要求项目 单位 仪表位号 指标塔顶压力 Pa PRC2326 51塔底温度 TR2332 144脱焦器温度 TRC2345 14911）精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统单回路控制系统它是指由一个受控对象、一个测量变送器、一个控制器和一个执行机构（控制阀）所组成的闭环控制系统。在所有反馈控制系统中，单回路反馈控制系统是最基本、结构最简单的一种，因此，它又被称为简单控制系统。单回路系统结构比较简单，所需的自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较方便，而且一般情况下都能满足控制质量要求，因此，这种控制系统在生产过程控制中得到了广泛应用 10。对于精馏塔塔顶压力控制采用的就是单回路控制系统，为了满足工艺操作要求，压力点取在精馏塔塔顶出口管线上。精馏塔塔顶压力控制系统原理图如图3-1所示，在精馏塔塔顶压力单回路控制系统中，被控对象选择精馏塔D2303塔顶，被控变量选择精馏塔塔顶压力，操纵变量为去呼吸罐U2340的阀门开度，从降低原料、成品、动力损耗来考虑，精馏塔进料控制阀常选用气开式，一旦控制阀失去能源，控制阀处于关闭状态，不在给塔进料，以免造成浪费。控制器作用方式选择的是正作用，当精馏塔塔顶压力增大，测量值变大，要求控制阀门开度增加，由于控制阀选择的是气开阀，即控制阀输入信号增大，而控制阀输入信号即为控制器输出信号，所以控制器的输出信号增大，故控制器选正作用。精馏塔塔顶压力单回路控制系统方框图如图3-2所示。PICPIC2326D2303图3-1 精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统流程图_ 给定+测量元件及变送器干扰受控变量控制阀压力对象压力控制器图3-2 精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统方块图在精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统中，假设干扰作用在D2303塔顶，假如D2303塔顶压力增大，即测量值增大，由于给定值不变，偏差增大，由于控制器选择正作用，故控制器输出信号增大，由于控制阀选择是气开阀，所以控制阀开度增大，操纵变量增多，从而使塔顶压力降低达到控制要求。由于本系统利用操作变量的有效性和快速性，在扰动一旦出现影响到被控变量偏离给定值时，先行通过对操纵变量的调整来克服干扰的影响。随着时间的增长，对操纵变量的调整逐渐减弱，而控制压力的任务逐渐转让给操纵变量承担。最终阀停止在一个很小调的开度上，而维持控制的合理性11。2）精馏塔塔底温度和塔底回流量串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成12。本设计中精馏塔D2303的塔顶温度和塔底流回量就属于串级控制系统，图3-3为精馏塔底温度与塔底回流量串级控制系统流程图。精馏塔D2303塔底温度和塔底回流量串级控制系统方块图如图3-4所示。FRQ2331TICFICTRC2332D2303S23033图3-3 精馏塔塔底温度和塔底回流量串级控制系统流程图+温度控制器控制阀流量控制器流量对象温度对象流量测量元件及变送器温度测量元件及变送器- 主变量-给定值干扰2干扰1图3-4 精馏塔塔底温度与塔底回流量串级控制系统方块图一般来说，主控制系统的给定是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定制控制系统，而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器的输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。在精馏塔塔底温度与塔底回流量串级控制系统中，主对象为精馏塔，副对象为管道。主变量为精馏塔塔顶温度，副变量为醇酮至罐区流量。根据工艺的实际情况选定控制阀为气开式，温度和流量两个控制器均选用反作用，并且假定系统在干扰作用之前处于稳定的“平衡”状态，即此时进料量、回流量、采出量以及加热蒸汽量和他们相应的参数（温度、成分等）均维持不变，提馏段温度稳定在给定值上。相应的此时温度控制器和流量控制器的输出都处于一个稳定的数值，蒸汽管线上的控制阀也处于一个相应的开度维持不变。如果在某个时刻受到某种干扰，那么系统的“平衡”状态将遭受破坏，温度控制器和流量控制器进行控制。如果干扰来自副环，假设副变量增大，副测量信号增大，由于副回路的给定值不变，因此它感受的是正偏差，由于副控制器FRQ2331是反作用，它的输出减小，又由于控制器是气开式，因此控制阀要关小些，这样蒸汽流量减小。主控制器的输出作为副控制器的给定，随着时间的增长，蒸汽流量增大的影响在温度上反映出来，温度升高，主控制器TRC2332是正偏差且反作用，它的输出减小，这样副控制器的给定值下降，促使流量控制器对流量进一步调整。如果干扰来自主环，假设进料量增大，在这个干扰作用下，首先塔釜液位会上升使提馏段温度下降，主控制器TRC2332感受负偏差，输出增大，主控制器的给定值不变，主控制器的输出作为副控制器的给定，副控制器FRQ2331感受负偏差，副控制器输出增大，由于是气开阀，控制阀开度增大，进入再沸器的蒸汽量增多，温度回升，直到重新回到给定值为止。3.2 控制系统的实现（1）精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统实现精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统组态图，如图3-5所示。INOUTPRC2326PID%Z011102%Z011101图3-5 精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统组态图在精馏塔D2303塔顶压力单回路控制系统组态图中，被控变量塔顶压力（PRC2326）信号由现场控制站FCS的第一槽位AMN11箱1号卡槽的单点输入卡件01号端子读入，经过PID运算后，其输出向现场控制站的第一槽位AMN11箱1号卡槽的单点输出卡件02号端子输出。此温度控制系统的I/O模件组态如表3-2所示。 节点：01 单元：1 I/O模件箱类型：AMN11 地址 模件类型 信号类型 下限 上限 工作单位%Z011101 AAM11 电流输入 0 100 mA%Z011102 AAM51 420mA.输出 0 100 %表3-2 I/O模件组态此温度控制系统的I/O连接组态如表3-3所示。 位号 类型 IN OUT SET SUBPRC2326 PID %Z011101 %Z011102 表3-3 功能模块I/O连接组态（2）D2303塔底温度与回流量串级控制系统实现常压塔顶温度与塔顶回流量串级控制系统组态图，如图3-6所示。TRC2332OUTINSET%Z011111%Z011112OUTPIDINFRQ2331PID%Z011113图3-6 精馏塔塔底与塔底回流量串级控制系统组态图在精馏塔塔底温度与塔底回流量串级控制系统中，被控变量精馏塔塔底温度TRC2332信号由现场控制站FCS的第一槽位AMN11箱的1号卡槽的单点输入卡件11号端子读入（过程输入），经过PID运算后，其输出作为FRQ2331副流量回路的给定值。FRQ2331副流量回路由现场控制站第一槽位AMN11箱1号卡槽的单点出入卡件12号端子读入，其输出向现场控制站的第一槽位AMN11箱1号卡槽的单点输出卡件13号端子输出。此串级控制系统的I/O模件组态如表3-4所示。表3-4 I/O模件组态 节点：01 单元：2 I/O模件箱类型：AMN11 地址 模件类型 信号类型 下限 上限 工作单位%Z011111 AAM21 热电偶输入 0 300 %Z011112 AAM11 420mA输入 0 20 kg/h%Z011113 AAM51 420mA输出 0 100 %此串级控系统的I/O连接组态如表3-5所示。位号 类型 IN OUT SET SUBTRC2332 PID %Z011111 FRQ2331FRQ2331 PID %Z011112 %Z011113 TRC2332.SET 表3-5 功能模块I/O连接组态4. 完成课题所需要的条件通过到辽阳石化尼龙厂精馏塔装置现场实习，熟悉醇酮精馏塔装置的工艺流程，了解了醇酮精馏塔装置的特性和结构及其工艺计算，结合以前所学的知识，认真学习测控仪表教材，了解了醇酮精馏塔装置系统流程仪表的位号和特点。其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