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WHUT过程控制系统与仪表课程设计 课程设计 题目精馏塔提馏段温度串级控制系统设计学院自动化学院 专业自动化专业 班级自动化1004班 姓名 指导教师贺远华 2022 年 1 月10 日 课程设计任务书 学生姓名：专业班级：自动化1004班 指导教师：贺远华工作单位：自动化学院 题目: 精馏塔提馏段温度串级控制系统设计 初始条件： 针对精馏过程中传统PID控制普遍存在的时滞问题，以计算机为控制器，提馏段温度为主控对象，蒸气流量为副控对象，设计一个精馏塔提馏段的温度控制系统。 要求完成的主要任务: 1、了解精馏塔控制的工艺要求和特性 2、系统控制方案设计 3、分析系统调节原理 4、确定控制参数 时间安排 月日选题、理解课题任务、要求 月日方案设计 月日参数计算撰写说明书 月日答辩 指导教师签名： 20 年月日 系主任（或责任教师）签名： 20 年月日 目录 摘要 (1) 1.绪论 (2) 1.1精馏原理 (2) 1.2串级控制 (3) 2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 (4) 2.1变量的选择 (4) 2.2 工艺描述 (4) 2.3 精馏塔精馏段控制的原理 (5) 3.设计方案 (7) 3.1控制方案类型 (7) 3.2控制方案的选择 (8) 4系统各仪表选择 (13) 4.1 检测变送器的原理 (13) 4.1.1 温度变送器的选择 (13) 4.1.2 流量变送器的选择 (14) 4.1.3 液位变送器的选择 (15) 4.2 执行器的选择 (15) 4.3 调节器的选择 (16) 4.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (17) 5.系统仿真 (18) 5.1串级控制系统matlab仿真分析 (18) 5.2液位控制系统仿真分析 (20) 心得体会 (22) 参考文献 (23) 本科生课程设计成绩评定表 (24) 摘要 随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。 影响物料平衡因素包括进料量和进料成分变化，顶部馏出物及底部出料变化；影响能量平衡因素主要包括进料温度或热焓变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量变化，及塔的环境温度变化。采用串级控制系统能有效地去除蒸汽压强的波动对温度的影响。使用超驰控制系统控制釜液输出端，在塔釜温度较低时，塔底不出料只有当温度达到低线以上，液位控制器取代温度控制器以后，才有出料排出。 关键词：提馏段温度串级控制超驰控制 1.绪论 精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。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，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，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。一般精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备组成，如图1所示。 图1-1 简单精馏控制示意图 进料流量 F 从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。 1.1精馏原理 在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。例如对于A、B 两种混合物的分馏，纯A 的沸点是140，纯B 的 沸点是175。如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图1-2中的液相曲线所示。 图 1-2 液相曲线 设原溶液中 A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5，加热使混合液体沸腾。这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A 占45.8%，B 占54.2%；如果使此冷凝后的混合液体沸腾，其沸点是154.5。这时气相组分比又变成A 占73.5%，B 占26.5%，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷凝，最终就可将A 分离出来。1.2串级控制 串级控制是改善调节质量极为有效的方法，在过程控制中得到了广泛的应用。对精馏塔精馏段温度串级控制系统引起出口温度的因素很多：被加热流量的和温度的扰动，压力的波动、热质的变化，回流量的扰动等，而对这些扰动单回路控制系统并不能把所有的干扰都包含进去，不能是出口温度稳定在要求的值上，为解决上述滞后时间和控制要求之间的矛盾，保持出口流量温度的恒定，可以通过温度串级控制系统来实现。 2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求。串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。 2.1变量的选择 被控变量的选择 对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控量。对于多元精馏塔由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物。在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系。误差较小。因此。绝大多数精馏塔当塔压恒定时采用温度作为间接质量指标。 操纵变量的选择 精馏段的温度控制精馏段温度控制以精馏段产品的质量为控制目标在恒压下根据温度检测点的位置不同。有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。操纵变量可选择回流量或塔顶采出量。而回流量L 的动态响应快，温度稍有变化，即可通过调节回流量L 加以控制，能够很好的克服扰动对选择如图1所示在精馏塔精馏段影响。 2.2 工艺描述 影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而精镏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，分析精馏塔的无聊和能量平衡对制定精馏塔精馏段的控制至关重要。 精馏塔的基本关系。 以二元简单精馏为例，介绍物料平衡和能量平衡的基本关系。 物料平衡： f B D B z x D F x x -=- (2-1) D F 增大，D x ，B x 减小。 式中 F,D,B 进料、顶馏出液和底馏出液量； f z ,B x ,D x 进料、顶馏出液和底馏出液中轻组分含量。 能量平衡： V ln F s = (2-2) 式中分离度 ,s 增大，D x 增大，B x 减小。说明塔系统分离效果增大为塔特性因子，V 为上升蒸汽量，是有再沸器施加热量来提高的。 增大，分离效果增大，能耗增大。对于一个既定的塔，进料组分一定， 和 一定，D x B x 完全确定。 分析精馏塔提馏段过程，本文对主回路采用串级控制系统，其主、副诃节器所起作用各有侧重。主调节器起定值控制作用，且主控参数(提馏段温度)允许波动范围很小，一般要求无余差，因此采用需要高精度的免疫PID 控制器；由于再沸器加热量的变化能够较快地反映在提馏段温度变化上，且能够通过阀门进行控制，因此选择回流罐的液位量控制作为串级控制的副控参数。在串级控制中，副调节器起随动控制作用，且副控参数的调节也是为了保证主控参数的控制质量，可以有一定的余差，因此副调节器采用P 调节器。由于进料量和进料温度对进料馏段温度影响较大。 2.3 精馏塔精馏段控制的原理 我们的控制目的是使塔温保持恒定，现选用精馏段的温度, 与回流量来构成串级随动控制.如图2-1所示 图中TC 表示温度调节器，LC 表示量调节器液位调节器，TC 通常按PID 调节规律，流量调节器按P 调节规律。当温度发生变化时，由主调节器（ 温度调节器TC ）进行控制，其输出作为副调节器（液位调节器LC ）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，液位一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了液位的变化对出料温度的影响 如果液位是恒定的，只需测量实际温度，并使其与温度设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持温度的恒定。路中，以补偿过程的动态特性，使被控对象的滞后时间超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后 1x ) x (1) D B B D x s x -=-（V F D F V F 问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了系统的工作频率。 在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使塔温的控制达到了良好的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间 很长的问题。二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在副回路内，例如液位发生波动引起精馏段的温度变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起提馏段的温度变化，温度调节器及时改变其输出信号，由副控回路去改变流量，克服了扰动影响。 图2-1 精馏塔精馏段温度串级控制系统 3.设计方案 3.1控制方案类型 精馏塔的控制目标应是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。 （1）产品质量指标控制 塔顶或塔底产品之一合乎规定的分离纯度，另一端产品成分应维持在规定的范围内。在某些特定的条件下也有要求塔顶和塔底产品均保证一定纯度的要求。 （2）物料平衡控制 塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较缓和，以维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于规定的上、下限之间。 （3）能量平衡控制 应使精馏塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。 （4）约束条件控制 为保证精馏塔正常而安全地运行，必须使某些操作限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件有液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。所谓液泛限也称气相速度限，即塔内气相上升速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生泛液，破坏正常操作。漏液限也称最小气相上升速度限，当气相上升速度小于某一数值时，将产生塔板漏液，板效率会下降。防止液泛和液漏，可通过塔压降或压差来监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点较好。 压力限是指塔的操作压力限制，一般是最大操作压力限，就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，严重超限甚至会影响到安全生产。 临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温差时， 给热系数会急剧下降，传热量会随之下降，将不能保证塔的正常传热的需要。3.2控制方案的选择 由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。 图3.1精馏塔提馏段单回路温度控制方案 方案一：图3-1是精馏塔提馏段示意图，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，需要把提馏段温度保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀的做到温度发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对的影响很大。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），最后也影响到温度。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图3-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。而且精馏塔温度过高或过低会引起精馏塔控制质量变差，由于存在这些扰动故考虑串级温度控制系统。 方案二：如下图所示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。其P&ID图如下图所示