醇酮裝置精餾塔自動控制系統設計1. 課題的來源、選題的目的和意義1.1 課題的來源新醇酮裝置（U283）是遼陽石化分公司尼龍廠精已二酸技改工程項目中新建裝置，于2004年11月11日建成投產。設計能力為52500噸醇酮/年（按8000小時計），6.5625噸/小時。本裝置劃分為氧化區（包括氧化反應器和尾氣與環已烷換熱的熱交換器）、催化劑制備區、壓縮機區、塔罐區四個區域，由100#氧化工段、200#予濃縮-脫過氧化工段、300#蒸餾工段、400#尾氣處理工段、900#公用工程工段五個工段組成1。1.2 選題的意義精餾是工業上應用最廣泛的傳質分離操作，這除了由于技術比較成熟外，最主要是其通常只需要提供能量和冷卻劑，就能得到高純度產品。因此精餾的研究工作一直十分活躍，其代表性成果也層出不窮。塔設備是化工、煉油生產中最重要的設備之一，塔設備的設計和研究，已經受到化工行業的極大重視。在化工生產中，塔設備的性能對于整個裝置的產品產量、質量、生產能力和消耗定額，以及三廢處理和環境保護等各個方面，都有非常重大的影響。精餾塔也是最早應于手工業生產的塔設備之一，合理的設計和適當的操作精餾塔能夠滿足要求的操作彈性而且效率高2。本次設計題目為醇酮裝置精餾塔自動控制系統設計。化工生產中所處理的原料，中間產物，粗產品幾乎都是由若干分組組成的混合物，而且其中大部分都是均相物質。生產中為了滿足儲存，運輸，加工和使用的需求，時常需要將這些混合物分離為較純凈或幾乎純態的物質。精餾過程的實質就是迫使混合物的氣、液兩相在塔體中作逆向流動，利用混合液中各組分具有不同的揮發度，在相互接觸的過程中，液相中的輕組分轉入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進入液相，從而實現液體混合物的分離。因此精餾塔操作彈性的好壞直接關系到石油化工企業的經濟效益3。精餾是分離液體混合物最常用的一種單元操作，在化工，煉油，石油化工等工業得到廣泛應用，在原油加工中占有重要的作用。本設計使用精餾塔，其突出優點為結構簡單，造價低板上液面落差小，氣體壓強低，生產能力較大，氣體分散均勻，傳質效率較高。其中，精餾塔的主要干擾因素為進料狀態，即進料流量F、進料組分Zf，進料溫度Tf或熱焓FE此外，冷劑與加熱劑的壓力和溫度及環境等因素，也會影響精餾塔的平衡操作。所以，在精餾塔的整體方案確定時，如果工藝允許，能把精餾塔進料量、進料溫度或熱焓加以定制控制，對精餾塔的操作平穩是極為有利的。精餾塔的控制目標是在保證產品質量合格的前提下，使塔的總收益（利潤）最大或總成本最小。具體對一個精餾塔來說，需從產品質量控制、物料平衡控制、能量平衡控制、約束條件控制這四個方面考慮，設置必要的控制系統。本次設計的重要意義是一次理論聯系實踐的綜合性設計訓練。在了解精餾塔裝置工藝流程的基礎上，通過自己在大學里學過的相關的專業課知識，設計符合工藝要求的控制方案。培養自己對自動控制系統的分析設計能力，提高理論與實際相結合，進一步驗證理論和實際的差別及處理實際當中遇到的問題，增強了實踐能力，在整個設計過程中，不僅鞏固和加強了自己所學的專業理論知識，還培養我獨立分析和解決實際問題的能力。更能培養我的創新意識、嚴謹認真的學習態度。1.3 選題的目的通過在遼陽石化分公司尼龍廠對精餾塔裝置認識了解，熟悉精餾塔裝置工藝流程、特點及各個工段的控制要求。本次設計為了提高精餾塔控制效率，采用計算機控制系統即集散控制系統CENTUM CS1000對精餾塔裝置進行控制，集散控制系統（Distributed control system）是以微處理器為基礎的對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的集中分散控制系統，簡稱DCS系統。該系統將若干臺微機分散應用于過程控制，全部信息通過通信網絡由上位管理計算機監控，實現最優化控制，整個裝置繼承了常規儀表分散控制和計算機集中控制的優點，克服了常規儀表功能單一，人-機聯系差以及單臺微型計算機控制系統危險性高度集中的缺點，既實現了在管理、操作和顯示三方面集中，又實現了在功能、負荷和危險性三方面的分散。DCS系統在現代化生產過程控制中起著重要的作用。一般的集散控制系統有如下特點：1）自律性強。集散控制系統的各個分級互相聯系和制約，通過系統的協調，很好的完成了工作，保證系統安全可靠地控制、操作及管理。2）豐富的控制功能。集散系統不僅可以實現簡單的控制功能，而且可以實現各種復雜的控制功能，也可以進行各種復雜運算，還可以實現各種連續的反饋控制、順序控制、批量控制及單元監視控制操作等。3）完善的人-機聯系和集中監視管理能力。操作人員和管理人員通過不同的接口（操作人員接口和工程師接口），由CRT操作站和操作鍵盤全面地監視、控制、管理生產裝置以至整個工廠的生產情況，實現人和過程的高度對話。一些新型集散控制系統采用開放式的工作站（UNIX），加強了集散控制系統在圖形圖像處理、人工智能和軟件工程、計算機輔助設計和制造等方面的功能。4）先進的網絡通訊技術。由于網絡通訊技術的引進，保證了集散控制系統的實時控制信息的傳輸，以及系統的信息綜合管理。5）系統擴散靈活。集散系統產品各異，但是基本組成類似，均采用模塊化結構，用戶根據控制系統的大小和要求，可方便地擴大或縮小系統的規模或更改系統的控制級制，從而對提高系統的控制級別，或擴展系統的規模都十分的靈活和方便。6）安全可靠性高。采用冗余技術和容錯技術，以及多微處理及分散控制結構，各個單元都具有自診斷、自檢查和修復功能，故障報警功能，使系統的平均無故障時間MTBF達105天以上，平均修復時間MTTR為10-2天以下，系統的利用率達99.9999。7）良好的性能價格比。在性能上集散控制系統技術先進，功能齊全，可靠性高，適合多級遞階管理系統控制，特別是隨著開放型、網絡化集散控制系統的產生，使得集散控制系統的性能價格比有了很大的提高，經濟實用，功能合理，易于操作，廣泛應用于產生企業 4。本設計采用集散控制系統CENTUM CS1000對精餾塔裝置進行自動控制，主要對該部分中涉及的溫度，流量，液位等參數進行控制，構成控制回路，并通過正確選擇各種儀表，包括測量元件及變送器、控制器、控制閥等，最終設計一套比較合理的控制方案，滿足控制精度和蒸餾的要求，提高裝置使用效率。2.國內、外研究動態及發展趨勢2.1國內、外現狀我國常用的板式塔中主要為泡罩塔、浮閥塔、篩板塔和舌型塔等，更提出了斜空塔和浮動噴射塔等新塔型。帶有中間貯槽的間歇精餾塔，作為一種新型的復合塔器，為我們提出了一種新的操作方式，它合理地利用了間歇精餾的動態特性，為多組元物系的分離提供了更好的選擇。近年來還發展了存在多個中聞貯槽的復合塔，實現更為復雜的分離過程。作為一個復雜過程，還有待于深入研究其優化操作問題，不能僅局限于用模仿連續精餾的方法，可以用最小能量消耗為目標參數進行優化。對這種復雜塔設計和優化也應是進一步研究的方向5。研究人員提出當代化工產業的發展除了依靠傳統化工技術外，還需依靠計算機技術尋求一個基于理論的工藝設計和開發創新的方法。比如計算流體力學的發展和計算機技術的普及應用，使得這一思路有了保證。應用計算流體力學方法能把傳統實驗所需的人力、物力及財力降低到最低限度，從而帶來一場工業設計的突破，這將成為今后工藝設計新的發展方向6。另外在精餾塔工藝方面近年來還趨于催化精餾的改進，催化精餾的實質是將反應和精餾集于同一設備中進行的化工操作過程。與傳統工藝相比，具有顯著的優點，所以對這一領域的研究一直頗受重視。進人80年代以后，催化精餾由均相反應轉向非均相反應，并被廣泛用于醚化、烷基化、酯化、脫水和水合等工藝過程，固體催化劑既加速蒸餾塔內化學反應，同時又作為氣液兩相傳質表面，催化劑表面越太，反應速度越快。若顆粒太小就阻礙蒸氣上升，影響精餾操作。另外，受催化劑強度的限制，催化劑尚難以制成隨意的形狀和尺寸，所以在催化精餾塔內反應段催化劑床層是必須以特殊方式裝填，而催化劑裝填方式直接決定塔內床層的催化劑效率和汽液傳質效率，因此催化劑的裝填方式逐漸成為催化精餾技術研究的核心課題之一7 。國外關于塔的研究如今已經放慢了腳步，是因為已經研究出了塔盤的效率并不取決與塔盤的結構，而是主要取決與物系的性質，如：揮發度、黏度、混合物的組分等。國外已經轉向研究在提高處理能力和簡化結構的前提下，保持適當的操作彈性和壓力降，并盡量提高塔盤的效率，在新型填料方面則在努力的研究發展有利于氣液分布均勻、高效和制造方便的填料8。國外出現了分隔壁精餾塔(Divided Wall Column，簡稱DWC)是一種完全熱耦合的蒸餾塔，具有能耗低、投資少的優點。早在1933年，Luster因裂解氣分離而提出了DWC概念，并申請了美國專利。最簡單的隔板塔是在普通精餾塔中放人1塊隔板，這樣相當于2個精餾塔。因此更大程度的利用了能量，降低了能耗。為開發更可靠的效率和壓降等的模型，當前應強調實測數據，尤其是工業規模的測試數據，這是建立和驗證模型的基礎。六七十年代，美國精餾研究公司等進行了一系列工業規模試驗，取得了十分有價值的實測數據，為各種模型的建立和現象認識的深化奠定了重要基礎。2.2發展趨勢精餾是應用最廣的傳質分離操作，其廣泛應用促使其技術已相當成熟，但是技術的成熟并不意味著今后不再需要發展而停滯不前。成熟技術的發展往往要花費更大的精力，但由于其應用的廣泛，每一個進步，哪怕是微小的，也會帶來巨大的經濟效益。正因為如此，蒸餾的研究仍受到廣泛的重視，不斷取得進展。提高精餾過程的熱力學效率、節省能耗是一貫受到重視的研究領域，分離序列的合成，在用熱集成概念和夾點分析方法開發節能的分離過程和優化換熱網絡，在具體分離過程中合理地應用熱泵、多效精餾、中間再沸器和中間冷凝器等實現節能，一直是得到廣泛重視的活躍的研究領域。隨著精細化工的發展，間歇精餾應用也更加廣泛，其研究也得到了應有的重視。開發各種新的操作模式，對于節省能耗和縮短操作時間有明顯的效果。塔中持液量的間歇精餾膜模擬計算研究有一定進展，對于設計和指導操作有較大意義。對于普通精餾難以（或不能）分離的物料，開發萃取精餾和恒沸精餾的分離工藝，將精餾與反應結合開發反應精餾也是個值得重視的研究領域，這對于拓寬精餾的應用范圍，提高經濟效益有較大意義。精餾的研究工作一直十分活躍，而且不斷取得成果。在各種新分離方法得到不斷開發和取得工業應用之際，在石油、天然氣、石油化工、醫藥和農產品化學等工業中所起的重要作用不會改變，作為主要分離方法的地位不會動搖。正如費爾在1987年國際精餾會議上指出的：“如果混合物可以應用精餾分離，那么經濟上可能有吸引力的方法是精餾。”隨著科學技術和工業生產水平的提高，精餾的應用天地十分廣闊，重要的通過不斷努力，使其技術水平得到進一步提高，使其日趨完善 9 。3. 課題的主要工作3.1 控制方案的設計控制系統正定的目的是是控制系統獲得滿意的性能指標。一個控制系統的質量取決于對象特性、控制方案。干擾的形式和大小，以及控制器參數的整定各種因素。本次設計為醇酮裝置精餾塔自動控制系統設計，在熟悉精餾塔裝置的工藝流程，工業特點及控制要求（控制要求見表3-1）的基礎上，初步設計了精餾塔部分的自動控制系統。對精餾塔共設計了12個控制回路，其中包括單回路控制方案11個，串級控制回路方案1個。 表3-1 精餾塔的主要控制要求項目 單位 儀表位號 指標塔頂壓力 Pa PRC2326 51塔底溫度 TR2332 144脫焦器溫度 TRC2345 14911）精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統單回路控制系統它是指由一個受控對象、一個測量變送器、一個控制器和一個執行機構（控制閥）所組成的閉環控制系統。在所有反饋控制系統中，單回路反饋控制系統是最基本、結構最簡單的一種，因此，它又被稱為簡單控制系統。單回路系統結構比較簡單，所需的自動化技術工具少，投資比較低，操作維護也比較方便，而且一般情況下都能滿足控制質量要求，因此，這種控制系統在生產過程控制中得到了廣泛應用 10。對于精餾塔塔頂壓力控制采用的就是單回路控制系統，為了滿足工藝操作要求，壓力點取在精餾塔塔頂出口管線上。精餾塔塔頂壓力控制系統原理圖如圖3-1所示，在精餾塔塔頂壓力單回路控制系統中，被控對象選擇精餾塔D2303塔頂，被控變量選擇精餾塔塔頂壓力，操縱變量為去呼吸罐U2340的閥門開度，從降低原料、成品、動力損耗來考慮，精餾塔進料控制閥常選用氣開式，一旦控制閥失去能源，控制閥處于關閉狀態，不在給塔進料，以免造成浪費。控制器作用方式選擇的是正作用，當精餾塔塔頂壓力增大，測量值變大，要求控制閥門開度增加，由于控制閥選擇的是氣開閥，即控制閥輸入信號增大，而控制閥輸入信號即為控制器輸出信號，所以控制器的輸出信號增大，故控制器選正作用。精餾塔塔頂壓力單回路控制系統方框圖如圖3-2所示。PICPIC2326D2303圖3-1 精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統流程圖_ 給定+測量元件及變送器干擾受控變量控制閥壓力對象壓力控制器圖3-2 精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統方塊圖在精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統中，假設干擾作用在D2303塔頂，假如D2303塔頂壓力增大，即測量值增大，由于給定值不變，偏差增大，由于控制器選擇正作用，故控制器輸出信號增大，由于控制閥選擇是氣開閥，所以控制閥開度增大，操縱變量增多，從而使塔頂壓力降低達到控制要求。由于本系統利用操作變量的有效性和快速性，在擾動一旦出現影響到被控變量偏離給定值時，先行通過對操縱變量的調整來克服干擾的影響。隨著時間的增長，對操縱變量的調整逐漸減弱，而控制壓力的任務逐漸轉讓給操縱變量承擔。最終閥停止在一個很小調的開度上，而維持控制的合理性11。2）精餾塔塔底溫度和塔底回流量串級控制系統串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后一個調節器的輸出送往調節閥。前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成12。本設計中精餾塔D2303的塔頂溫度和塔底流回量就屬于串級控制系統，圖3-3為精餾塔底溫度與塔底回流量串級控制系統流程圖。精餾塔D2303塔底溫度和塔底回流量串級控制系統方塊圖如圖3-4所示。FRQ2331TICFICTRC2332D2303S23033圖3-3 精餾塔塔底溫度和塔底回流量串級控制系統流程圖+溫度控制器控制閥流量控制器流量對象溫度對象流量測量元件及變送器溫度測量元件及變送器- 主變量-給定值干擾2干擾1圖3-4 精餾塔塔底溫度與塔底回流量串級控制系統方塊圖一般來說，主控制系統的給定是由工藝規定的，它是一個定值，因此，主環是一個定制控制系統，而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器的輸出變化而變化，因此，副回路是一個隨動系統。在精餾塔塔底溫度與塔底回流量串級控制系統中，主對象為精餾塔，副對象為管道。主變量為精餾塔塔頂溫度，副變量為醇酮至罐區流量。根據工藝的實際情況選定控制閥為氣開式，溫度和流量兩個控制器均選用反作用，并且假定系統在干擾作用之前處于穩定的“平衡”狀態，即此時進料量、回流量、采出量以及加熱蒸汽量和他們相應的參數（溫度、成分等）均維持不變，提餾段溫度穩定在給定值上。相應的此時溫度控制器和流量控制器的輸出都處于一個穩定的數值，蒸汽管線上的控制閥也處于一個相應的開度維持不變。如果在某個時刻受到某種干擾，那么系統的“平衡”狀態將遭受破壞，溫度控制器和流量控制器進行控制。如果干擾來自副環，假設副變量增大，副測量信號增大，由于副回路的給定值不變，因此它感受的是正偏差，由于副控制器FRQ2331是反作用，它的輸出減小，又由于控制器是氣開式，因此控制閥要關小些，這樣蒸汽流量減小。主控制器的輸出作為副控制器的給定，隨著時間的增長，蒸汽流量增大的影響在溫度上反映出來，溫度升高，主控制器TRC2332是正偏差且反作用，它的輸出減小，這樣副控制器的給定值下降，促使流量控制器對流量進一步調整。如果干擾來自主環，假設進料量增大，在這個干擾作用下，首先塔釜液位會上升使提餾段溫度下降，主控制器TRC2332感受負偏差，輸出增大，主控制器的給定值不變，主控制器的輸出作為副控制器的給定，副控制器FRQ2331感受負偏差，副控制器輸出增大，由于是氣開閥，控制閥開度增大，進入再沸器的蒸汽量增多，溫度回升，直到重新回到給定值為止。3.2 控制系統的實現（1）精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統實現精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統組態圖，如圖3-5所示。INOUTPRC2326PID%Z011102%Z011101圖3-5 精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統組態圖在精餾塔D2303塔頂壓力單回路控制系統組態圖中，被控變量塔頂壓力（PRC2326）信號由現場控制站FCS的第一槽位AMN11箱1號卡槽的單點輸入卡件01號端子讀入，經過PID運算后，其輸出向現場控制站的第一槽位AMN11箱1號卡槽的單點輸出卡件02號端子輸出。此溫度控制系統的I/O模件組態如表3-2所示。 節點：01 單元：1 I/O模件箱類型：AMN11 地址 模件類型 信號類型 下限 上限 工作單位%Z011101 AAM11 電流輸入 0 100 mA%Z011102 AAM51 420mA.輸出 0 100 %表3-2 I/O模件組態此溫度控制系統的I/O連接組態如表3-3所示。 位號 類型 IN OUT SET SUBPRC2326 PID %Z011101 %Z011102 表3-3 功能模塊I/O連接組態（2）D2303塔底溫度與回流量串級控制系統實現常壓塔頂溫度與塔頂回流量串級控制系統組態圖，如圖3-6所示。TRC2332OUTINSET%Z011111%Z011112OUTPIDINFRQ2331PID%Z011113圖3-6 精餾塔塔底與塔底回流量串級控制系統組態圖在精餾塔塔底溫度與塔底回流量串級控制系統中，被控變量精餾塔塔底溫度TRC2332信號由現場控制站FCS的第一槽位AMN11箱的1號卡槽的單點輸入卡件11號端子讀入（過程輸入），經過PID運算后，其輸出作為FRQ2331副流量回路的給定值。FRQ2331副流量回路由現場控制站第一槽位AMN11箱1號卡槽的單點出入卡件12號端子讀入，其輸出向現場控制站的第一槽位AMN11箱1號卡槽的單點輸出卡件13號端子輸出。此串級控制系統的I/O模件組態如表3-4所示。表3-4 I/O模件組態 節點：01 單元：2 I/O模件箱類型：AMN11 地址 模件類型 信號類型 下限 上限 工作單位%Z011111 AAM21 熱電偶輸入 0 300 %Z011112 AAM11 420mA輸入 0 20 kg/h%Z011113 AAM51 420mA輸出 0 100 %此串級控系統的I/O連接組態如表3-5所示。位號 類型 IN OUT SET SUBTRC2332 PID %Z011111 FRQ2331FRQ2331 PID %Z011112 %Z011113 TRC2332.SET 表3-5 功能模塊I/O連接組態4. 完成課題所需要的條件通過到遼陽石化尼龍廠精餾塔裝置現場實習，熟悉醇酮精餾塔裝置的工藝流程，了解了醇酮精餾塔裝置的特性和結構及其工藝計算，結合以前所學的知識，認真學習測控儀表教材，了解了醇酮精餾塔裝置系統流程儀表的位號和特點。其中遇到過很多很多的問題，但我通過很多有效地途徑，例如上網查相關資料，問身邊的同學與朋友，或者請教本專業的老師，都得到了解決。在設計過程中，從拿到題目，方案的設計到方案的確定，都經過了嚴謹的思考，回路的設計，調節器的正反作用的確定，被控參數的選擇，使系統能