精馏塔提馏段温度控制系统 doc

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UniversityofSouthChina

过程控制仪表课程设计

设计题目：精馏塔提馏段温度控制系统姓名：曾新梁班级：自动化073班学号：20234460333指导教师：高飞燕唐耀庚

2010年12月31日

1、系统简介

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工厂的产品的质量、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。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由好多级塔板组成，内在机理繁杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个状况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。

按提馏段指标的控制方案：当塔釜液为主要产品时，往往按提馏段指标控制。假使是液相进料，也常采用这类方案。这是由于在液位相进料时，进料量的变化，首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外假使对釜底出料的成分要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。2、设计方案及仪表选型2.1控制方案的确定

图2-1是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度θ

。保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一个调理阀，用它来控制加热蒸汽

流量。从调理阀的做到温度θ发生变化，需要相继通过好多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对θ的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最终也影响到温度θ。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，假使采用如图2-1所示的简单单回路温度控制系统，调理品质一般不能满足生产要求。由于存在这些扰动故考虑串级控制系统。

进料θC1θ塔底部

加热蒸汽

再沸器

图2-1精馏塔提馏段单回路温度控制方案

串级控制系统（如图2-2）与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环双闭环或称双环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统一致，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调〞作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调〞任务。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调理器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统有如下几点的改善：

①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。②对二次扰动有很强的战胜能力。

③提高了对一次扰动的战胜能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，根据系统工艺要求，决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

x1+e1-z1主调理器x2+e2-z2副调理器执行器副对象y2主对象y1副变送器主变送器图2-2一般闭环串级控制系统2.2控制系统图、方框图

本系统为了较好的达到控制目标，采用如图2-3所示的提馏段温度串级控制系统。副调理器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调理阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的状况下，仍能保持蒸汽流量稳定。但副调理器QC2的给定值则受主调理器θC1的控制，后者根据温度θ改变蒸汽流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的状况下，仍能保持温度θ满足要求。用这个方法以十分有效地战胜蒸汽压力波动对于温度θ的影响，由于流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化所引起的流量波动在2至3s以内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度θ的影响是很微小的。

进料QrθC1θrθ塔底部

QC2加热

蒸汽

Q再沸器

图2-3精馏塔提馏段温度控制串级控制系统图

串级控制系统方块图如图2-4所示，它有俩个闭环系统：副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。

D2θrD1蒸汽管路系统Q+塔底θQr主调理器——副调理器调理阀+流量测量温度测量图2-4提馏段温度串级控制系统框图主参数：塔底物料温度θ副参数：加热蒸汽流量Q控制量：蒸汽阀开度

一次扰动D1：加热蒸汽压力的波动对θ的扰动。

二次扰动D2：来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等）2.3控制器选择

控制器在自动控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。2.3.1副控制器的作用方向

工艺上要求副调理器为反向作用，确定调理器的作用方向，只要看调理器的输入偏差信号变化方向与工艺要求调理器的输出信号的变化方向是否一致，两者方向一致，则调理器为正向作用，两者方向相反，则调理器为反作用2.3.2主控制器的作用方向

主调理器的作用方向，应在副调理器的作用确定以后，再根据工艺要求来确定。由于副调理器直接控制执行器，要保证执行器正确动作。在主调理器输入偏差增大（或减小）时，要求主调理的输出信号增大（或减小），因此主调理的作

用为正向作用。

2.3.3本精馏塔选择正作用主副调理器。

本系统中要用到两个调理器，这两个调理器都选用DDZ—Ⅲ型电动调理器，具体型号为DTZ—2100

主要技术指标：

①输入信号：1~5V，DC②输入阻抗影响：﹤0.1%

③给定方式：内外给定由开关选择外给定时红灯亮④外给定信号：4~20Ma,DC

⑤测量信号及给定信号指标：0~100%全刻度误差≤±1%⑥输出信号：4~20mA，DC⑦调理形式：比例+积分+微分比例带（P）：2~500%

积分时间（I）：0.01~2.5分（×1）0.1~25分（×10）微分时间（D）：断；0.04~10分⑧负载阻抗：250Ω~750Ω

⑨手动切换特性：自动?手动1?手动2⑩供电电压：24V±0.5%，DC

11消耗功率：光柱不大于10W○表头不大于5W

12工作条件：周边环境温度5~40C○

0

空气相对湿度10~75%无腐蚀气体

13重量：约6.5公斤○

14接线端子图（见图2-5）○

输出4~20mA11○12○13○14○15○16○17○①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩+测量信号1~5VDC-RL地电源24VDC+-18○19○20○+外给定信号4~20mA-

图2-5DDZ—Ⅲ型电动调理器DTZ—2100接线端子图

2.4执行器选择

执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。

精馏塔的回流控制阀应在故障时全开来保证全回流，所以选择气关阀。本系统采用电/气阀门定位器与气动执行机构配套使用来控制阀门开度。如图2-6所示

图2-6阀门定位器与气动调理机构配套使用原理图实际使用如图2-7所示

图2-7配气动薄膜调理阀的电气阀门定位器

动作原理如图2-7所示，它按力矩平衡原理动作的，当电流信号通入到力矩马达1的线圈两端时，它与永久磁钢作用后，主杠杆2产生一个向右的力，使主杠杆2绕支点13转动，挡板14靠近喷嘴15，喷嘴背压经放大器16放大后，送入到薄膜室8的压力增加，使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作顺时针方向转动，通过滚轮10使付杠杆7绕支点6转动，并将反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的力矩与电流信号

使力矩马达作用在主杠杆上的力矩相平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的电流信号就对应于一定的阀门位置。弹簧12是作调整零位用的。2.4.1执行机构选择

选用反作用方式气动薄膜式执行机构，具体型号为5235LA主要技术参数（见表1）表15235LA技术参数

型号执机行最大输供气压弹簧范围最大行动作构出力力程/回转角度(直行程式)允许环境误差尺寸5235LA3504315140300，20-100，40/80mm反(RA)标准：80-200，120-300作用-10~+70度

接线端子图（见图2-8）

+I0-4~20mA气源+○-○PO

图2-8阀门定位器5235LA接线端子图

2.4.2调理机构选择

调理阀选用直通单座调理阀，器阀体内只有一个阀芯和一个阀座。其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。具体型号为ZXP型气动薄膜单座调理阀。主要技术参数（见表2）

表2ZXP型调理阀参数

公称直径（mm）阀芯直径(mm)额定流量系数（Kv）直线公称压力Pa(Mpa)信号范围Pr（Kpa）泄露量固有可调比有效面积(cm2)调理阀口径的选择应依据计算得到的流量系数KV来选取。2.4.3电—气阀门定位器选择

选用ZPD—2000系列电—气阀门定位器主要技术参数（见表3）

表3ZPD2111型电—气阀门定位器参数表

型号输入信号（mA.DC）ZPD21114~20气源压力（Mpa）0.14输出压力（Mpa）0.02~0.1执行行程范围机构（mm）气动10~100薄膜式