本文格式為Word版，下載可任意編輯——精餾塔提餾段溫度控制系統doc

UniversityofSouthChina

過程控制儀表課程設計

設計題目：精餾塔提餾段溫度控制系統姓名：曾新梁班級：自動化073班學號：20234460333指導教師：高飛燕唐耀庚

2010年12月31日

1、系統簡介

精餾操作是煉油、化工生產過程中的一個十分重要的環節。精餾塔的控制直接影響到工廠的產品的質量、產量和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直受到人們的高度重視。精餾塔是一個多輸入多輸出的對象，它由好多級塔板組成，內在機理繁雜，對控制要求又大多較高。這些都給自動控制帶來一定的困難。同時各塔工藝結構特點有千差萬別，這需要深入分析特性，結合具體塔的特點，進行自動控制方案設計和研究。精餾塔的控制最終目標是：在保證產品質量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使總收益最大。在這個狀況為了更好實現精餾的目標就有了提餾段溫度控制系統的產生。

按提餾段指標的控制方案：當塔釜液為主要產品時，往往按提餾段指標控制。假使是液相進料，也常采用這類方案。這是由于在液位相進料時，進料量的變化，首先影響到塔底產品濃度，塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很好地反映濃度的變化，所以采用提餾段控制溫度比較及時。另外假使對釜底出料的成分要求高于塔頂出料，塔頂或精餾段板上溫度不能很好反映組分變化和實際操作回流比大于幾倍最小回流比時，可采用提餾段控制。提餾段溫度是衡量質量指標的間接指標，而以改變再沸器加熱量作為控手段的方案，就是提餾段溫控。2、設計方案及儀表選型2.1控制方案的確定

圖2-1是精餾塔底部示意圖，在再沸器中，用蒸汽加熱塔釜液產生蒸汽，然后在塔釜中與下降物料進行傳熱傳質。為了保證生產過程順利進行，需要把提餾段溫度θ

。保持恒定。為此在蒸汽管路上裝上一個調理閥，用它來控制加熱蒸汽

流量。從調理閥的做到溫度θ發生變化，需要相繼通過好多熱容積。實踐證明，加熱蒸汽壓力的波動對θ的影響很大。此外，還有來自液相加料方面的各種干擾，包括它的流量、溫度和組分等，它們通過提餾段的傳質過程，以及再沸器中傳熱條件（塔釜溫度、再沸器液面等），最終也影響到溫度θ。很明顯當加熱蒸汽壓力波動較大時，假使采用如圖2-1所示的簡單單回路溫度控制系統，調理品質一般不能滿足生產要求。由于存在這些擾動故考慮串級控制系統。

進料θC1θ塔底部

加熱蒸汽

再沸器

圖2-1精餾塔提餾段單回路溫度控制方案

串級控制系統（如圖2-2）與單回路控制系統相比有一個顯著的區別，即其在結構上多了一個副回路，形成了兩個閉環雙閉環或稱雙環。

串級控制系統在結構上與電力傳動自動控制系統中的雙環系統一致，就其主回路（外環）來看是一個定值控制系統，而副回路（內環）則為一個隨動系統。以加熱爐串級控制系統為例，在控制過程中，副回路起著對爐出口溫度的“粗調〞作用，而主回路則完成對爐出口溫度的“細調〞任務。與單回路控制系統相比，串級控制系統多用了一個測量變送器與一個控制器（調理器），增加的投資并不多（對計算機控制系統來說，僅增加了一個測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統中增加了一個包含二次擾動的副回路，使系統有如下幾點的改善：

①改善了被控過程的動態特性，提高了系統的工作頻率。②對二次擾動有很強的戰勝能力。

③提高了對一次擾動的戰勝能力和對回路參數變化的自適應能力。綜上所述，根據系統工藝要求，決定在系統設計中采用閉環串級控制方式。

x1+e1-z1主調理器x2+e2-z2副調理器執行器副對象y2主對象y1副變送器主變送器圖2-2一般閉環串級控制系統2.2控制系統圖、方框圖

本系統為了較好的達到控制目標，采用如圖2-3所示的提餾段溫度串級控制系統。副調理器QC2根據加熱蒸汽流量信號控制調理閥，這樣就可以在加熱蒸汽壓力波動的狀況下，仍能保持蒸汽流量穩定。但副調理器QC2的給定值則受主調理器θC1的控制，后者根據溫度θ改變蒸汽流量給定值Qr，從而保證在發生進料方面的擾動的狀況下，仍能保持溫度θ滿足要求。用這個方法以十分有效地戰勝蒸汽壓力波動對于溫度θ的影響，由于流量自穩定系統的動作很快，蒸汽壓力變化所引起的流量波動在2至3s以內就消除了，而這樣短暫時間的蒸汽流量波動對于溫度θ的影響是很微小的。

進料QrθC1θrθ塔底部

QC2加熱

蒸汽

Q再沸器

圖2-3精餾塔提餾段溫度控制串級控制系統圖

串級控制系統方塊圖如圖2-4所示，它有倆個閉環系統：副環是流量自穩定系統，主環是溫度控制系統。

D2θrD1蒸汽管路系統Q+塔底θQr主調理器——副調理器調理閥+流量測量溫度測量圖2-4提餾段溫度串級控制系統框圖主參數：塔底物料溫度θ副參數：加熱蒸汽流量Q控制量：蒸汽閥開度

一次擾動D1：加熱蒸汽壓力的波動對θ的擾動。

二次擾動D2：來自液相加料方面的各種干擾，包括它的流量、溫度和組分等，它們通過提餾段的傳質過程，以及再沸器中傳熱條件（塔釜溫度、再沸器液面等）2.3控制器選擇

控制器在自動控制系統中起控制作用。它將來自變送器的測量信號與給定值相減以得到偏差信號，然后對偏差信號按一定的控制規律進行運算，運算結果為控制信號，輸出至執行器。2.3.1副控制器的作用方向

工藝上要求副調理器為反向作用，確定調理器的作用方向，只要看調理器的輸入偏差信號變化方向與工藝要求調理器的輸出信號的變化方向是否一致，兩者方向一致，則調理器為正向作用，兩者方向相反，則調理器為反作用2.3.2主控制器的作用方向

主調理器的作用方向，應在副調理器的作用確定以后，再根據工藝要求來確定。由于副調理器直接控制執行器，要保證執行器正確動作。在主調理器輸入偏差增大（或減?。r，要求主調理的輸出信號增大（或減?。?，因此主調理的作

用為正向作用。

2.3.3本精餾塔選擇正作用主副調理器。

本系統中要用到兩個調理器，這兩個調理器都選用DDZ—Ⅲ型電動調理器，具體型號為DTZ—2100

主要技術指標：

①輸入信號：1~5V，DC②輸入阻抗影響：﹤0.1%

③給定方式：內外給定由開關選擇外給定時紅燈亮④外給定信號：4~20Ma,DC

⑤測量信號及給定信號指標：0~100%全刻度誤差≤±1%⑥輸出信號：4~20mA，DC⑦調理形式：比例+積分+微分比例帶（P）：2~500%

積分時間（I）：0.01~2.5分（×1）0.1~25分（×10）微分時間（D）：斷；0.04~10分⑧負載阻抗：250Ω~750Ω

⑨手動切換特性：自動?手動1?手動2⑩供電電壓：24V±0.5%，DC

11消耗功率：光柱不大于10W○表頭不大于5W

12工作條件：周邊環境溫度5~40C○

0

空氣相對濕度10~75%無腐蝕氣體

13重量：約6.5公斤○

14接線端子圖（見圖2-5）○

輸出4~20mA11○12○13○14○15○16○17○①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩+測量信號1~5VDC-RL地電源24VDC+-18○19○20○+外給定信號4~20mA-

圖2-5DDZ—Ⅲ型電動調理器DTZ—2100接線端子圖

2.4執行器選擇

執行器在控制系統中的作用是接受來自控制器的控制信號，通過其本身開度的變化，從而達到控制流量的目的。

精餾塔的回流控制閥應在故障時全開來保證全回流，所以選擇氣關閥。本系統采用電/氣閥門定位器與氣動執行機構配套使用來控制閥門開度。如圖2-6所示

圖2-6閥門定位器與氣動調理機構配套使用原理圖實際使用如圖2-7所示

圖2-7配氣動薄膜調理閥的電氣閥門定位器

動作原理如圖2-7所示，它按力矩平衡原理動作的，當電流信號通入到力矩馬達1的線圈兩端時，它與永久磁鋼作用后，主杠桿2產生一個向右的力，使主杠桿2繞支點13轉動，擋板14靠近噴嘴15，噴嘴背壓經放大器16放大后，送入到薄膜室8的壓力增加，使閥桿向下移動，并帶動反饋桿9繞支點4轉動，反饋凸輪5也跟著作順時針方向轉動，通過滾輪10使付杠桿7繞支點6轉動，并將反饋彈簧11拉伸，彈簧11對主杠桿2的力矩與電流信號

使力矩馬達作用在主杠桿上的力矩相平衡時儀表達到平衡狀態。此時，一定的電流信號就對應于一定的閥門位置。彈簧12是作調整零位用的。2.4.1執行機構選擇

選用反作用方式氣動薄膜式執行機構，具體型號為5235LA主要技術參數（見表1）表15235LA技術參數

型號執機行最大輸供氣壓彈簧范圍最大行動作構出力力程/回轉角度(直行程式)允許環境誤差尺寸5235LA3504315140300，20-100，40/80mm反(RA)標準：80-200，120-300作用-10~+70度

接線端子圖（見圖2-8）

+I0-4~20mA氣源+○-○PO

圖2-8閥門定位器5235LA接線端子圖

2.4.2調理機構選擇

調理閥選用直通單座調理閥，器閥體內只有一個閥芯和一個閥座。其特點是結構簡單、泄露量?。ㄉ踔量梢酝耆袛啵┖驮试S壓差小。具體型號為ZXP型氣動薄膜單座調理閥。主要技術參數（見表2）

表2ZXP型調理閥參數

公稱直徑（mm）閥芯直徑(mm)額定流量系數（Kv）直線公稱壓力Pa(Mpa)信號范圍Pr（Kpa）泄露量固有可調比有效面積(cm2)調理閥口徑的選擇應依據計算得到的流量系數KV來選取。2.4.3電—氣閥門定位器選擇

選用ZPD—2000系列電—氣閥門定位器主要技術參數（見表3）

表3ZPD2111型電—氣閥門定位器參數表

型號輸入信號（mA.DC）ZPD21114~20氣源壓力（Mpa）0.14輸出壓力（Mpa）0.02~0.1執行行程范圍機構（mm）氣動10~100薄膜式