精餾塔回流罐液位控制系統(tǒng)

1、1 概述隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型，連續(xù)和強(qiáng)化方面發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了日益增長的要求。次設(shè)計的關(guān)注的精餾塔就是一個多輸入多輸出的多變量過程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，對其的控制提出了較高的要求，其中對回流罐液位的調(diào)節(jié)影響著精餾塔頂部的壓力及溫度的平衡，起著對精餾過程中的緩沖及保護(hù)作用，對回流罐液位的調(diào)節(jié)對精餾過程的穩(wěn)定進(jìn)行起著不可忽視的作用，所以確定回流罐液位的控制方案是相當(dāng)重要的。本次設(shè)計的總目標(biāo)，就是在可能獲得的條件下，以最經(jīng)濟(jì)的途徑和方法監(jiān)測及調(diào)節(jié)回流罐中的液位，所以需要在充分了解聲場過程的工藝流程的基礎(chǔ)上選擇合適的控制方法，從而實現(xiàn)目標(biāo)。2 精餾塔的

2、工藝流程根據(jù)本次設(shè)計條件及要求，我們必須精餾及精餾塔有一定的了解。精餾的基本原理是將液體混合物部分氣化，利用其中各組分揮發(fā)度不同的特性，實現(xiàn)分離的目的的單元操作。蒸餾按其操作方法可分為：簡單蒸餾,閃蒸，精餾和特殊精餾等。精餾塔是一種進(jìn)行精餾的塔式氣液接觸裝置，蒸汽由塔底進(jìn)入，與下降液進(jìn)行逆流接觸，兩相接觸中，下降液中的易揮發(fā)（低沸點）組分不斷的向蒸汽中轉(zhuǎn)移，蒸汽中的難揮發(fā)（高沸點）組分不斷的向下降液中轉(zhuǎn)移，蒸汽愈接近塔頂，其易揮發(fā)組分愈高，而下降液愈接近塔底，其難揮發(fā)組分則愈富集，達(dá)到組分分離的目的。由塔頂上升的蒸汽進(jìn)入冷凝器，冷凝的液體一部分送入再沸器，熱蒸發(fā)后，蒸汽返回塔中，另一部分液體作

3、為殘液取出。一般精餾裝置由精餾塔，再沸器，冷凝器，回流罐等設(shè)備組成。精餾塔是一個多輸入多輸出的多變過程，內(nèi)在機(jī)理較復(fù)雜，動態(tài)響應(yīng)遲緩，變量之間相互關(guān)聯(lián)，不同的塔工藝結(jié)構(gòu)差別很大，而工藝對控制提出的要求又較高，所以確定精餾塔的控制方案是一個極為重要的課題。而從能耗的角度來看，精餾塔是三傳一反典型單元操作中能耗最大的設(shè)備，因此，精餾塔的節(jié)能控制也是十分重要的。下圖是一典型的精餾塔結(jié)構(gòu)圖。3 精餾塔的控制3.1精餾塔的控制目標(biāo)精餾塔的控制目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，使塔的回收率最高、能耗最低，即使總效益最大，成本最小。精餾過程是在一定的約束條件下進(jìn)行的。因此，精餾塔的控制要求可從質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)

4、品質(zhì)量、能量消耗和約束條件四方面考慮。1) 質(zhì)量指標(biāo)控制。精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂或塔底的純度。通常，滿足一端的產(chǎn)品質(zhì)量，即塔頂或塔底產(chǎn)品之一達(dá)到規(guī)定純度，而另一端產(chǎn)品的純度維持在規(guī)定范圍內(nèi)。所謂的產(chǎn)品純度，就二元精餾來說，其質(zhì)量指標(biāo)是指塔頂產(chǎn)品中輕組分含量和塔底產(chǎn)品中重組分含量。對于多元精餾而言，則以關(guān)鍵組分的含量來表示。關(guān)鍵組分是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大的組分。產(chǎn)品組分含量非越純越好，原因是，純度越高，對控制系統(tǒng)的偏離度要求越高 ，操作成本的提高和產(chǎn)品的價格并不成比例增加，因此純度要求應(yīng)與使用要求相適應(yīng)。2) 物料平衡控制。進(jìn)出物料平衡，即塔頂、塔底采出量應(yīng)和進(jìn)料量相平衡，維持塔的正常平穩(wěn)操作

5、，以及上下工序的協(xié)調(diào)工作。物料平衡的控制是以冷凝罐（回流罐）與塔釜液位一定為目標(biāo)的。3) 能量平衡控制。要保證精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品產(chǎn)量的同時，考慮降低能量的消耗，使能量平衡，實現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)性。4) 約束控制條件。精餾過程是復(fù)雜傳質(zhì)和傳熱過程。為了滿足穩(wěn)定和安全操作的要求，對精餾塔操作參數(shù)有一定的約束條件。氣相速度限：精餾塔上升蒸汽速度的最大限。當(dāng)上升速度過高時，造成霧沫帶，塔板上的液體不能向下流，下層塔板的氣相組分倒流到上層塔板，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。最小氣相速度限：指精餾塔上升蒸汽速度的最小限值。當(dāng)上升蒸汽速度過低時，上升蒸汽不能托起上層的液相，造成漏夜，使塔板效率下降，精餾操作不能正常進(jìn)行。操作壓

6、力限：每一個精餾塔都存在最大操作壓力限制。臨界溫度限：保證精餾塔的正常傳熱需要、保證合適的回流溫度，使精餾塔能夠正常操作。3.2精餾塔的擾動分析影響物料平衡的因素包括精料量和進(jìn)料成分的變化、塔頂餾出物及底部出料量的變化。影響能量平衡的因素主要包括進(jìn)料溫度的變化、再沸器加熱量和冷凝器冷卻量的變化及塔的環(huán)境溫度變化等。（1） 精料量和進(jìn)料成分：進(jìn)料流量通常不可控大但可測。當(dāng)進(jìn)料流量變化較大時，對精餾塔的操作會造成很大的影響。這時可將進(jìn)料流量作為前饋信號，引到控制系統(tǒng)中組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。進(jìn)料成分影響物料平衡和能量平衡，但進(jìn)料成分通常不可控，多數(shù)情況下也是難以測量的。（2） 進(jìn)料溫度和進(jìn)料熱焓值

7、：進(jìn)料溫度和熱焓值影響精餾塔的能量平衡?？刂撇呗允遣捎谜羝麎毫Γɑ蛄髁浚┒ㄖ悼刂?，或根據(jù)提餾段產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)，組成串級控制。（3） 再沸器加熱蒸汽壓力：再沸器加熱蒸汽壓力影響精餾塔的能量平衡?？刂撇呗允墙M成塔壓的定值控制，或?qū)⒗鋮s水壓力作為串級控制系統(tǒng)的付被控變量進(jìn)行控制。（4） 冷卻水壓力和溫度：冷卻水溫度的變化通常不大，對冷卻水可不進(jìn)行控制。使用風(fēng)冷式控制時策略是根據(jù)塔壓進(jìn)行浮動塔壓控制。（5） 環(huán)境溫度：環(huán)境溫度的變化較小，且變化幅度不大，因此，一般不用控制。4.回流罐液位控制的設(shè)計4.1 回流罐工作原理及分析回流指在精餾操作中，從精餾塔頂部引出的上升蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后，一部分液體作為餾

8、出液（塔頂產(chǎn)品）送出塔外，另一部分液體送回塔內(nèi)，后者稱為回流。精餾塔回流罐相當(dāng)于一個緩沖罐，回流罐保持塔頂來的冷凝液和送出回流液的平衡就可以了，通常流量最大，也即停留時間最短的時間為剛開車時的全回流狀態(tài)。采用立式或臥式都可以，主要是回流罐的容積足夠即可，由于回流罐一般設(shè)置在精餾廠房里，高度有限，所以容積較大的一般采用臥式以滿足儲罐的空間高度限制，對于小型的回流罐則可以采用立式的，以節(jié)省占地面積?；亓鞴薜难b填系統(tǒng)與一般的儲罐沒有什么差別，可以取到0.8-0.85.化工廠是普遍采用臥式回流罐，也叫塔頂冷凝受槽，優(yōu)點一：是方便外操作人員讀取溫度、液位、壓力等指標(biāo)；優(yōu)點二：臥式更利于冷凝液在其中分層，

9、一部分回流，一部分作為輸出介質(zhì)。優(yōu)點三：降低重心，安裝方便。立式受槽應(yīng)該是氣液分離器居多，利用重力沉降等原理，更有利于分離。4.2 回流罐液位控制方式的選擇通過對精餾塔整體控制系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)精餾塔是一個多變量被控對象，需要對主要的次要的干擾提前發(fā)現(xiàn)及控制，而串級控制能夠很好的滿足回流罐液位的控制。故本次設(shè)計采用串級控制方法來控制回流罐的液位。對于回流罐來說包括兩個變量，溫度變化和液位變化，通過這兩個變量影響控制器控制液位，精餾塔屬于大型生產(chǎn)設(shè)備，變量變化慢，慣性大，具有一定的純滯后，又為了防止精餾塔產(chǎn)生較大的超調(diào)而超過回流罐上限溫度，需要提前對精餾塔溫度進(jìn)行控制，在安全溫度的前提下控制液位，

10、使用串級控制系統(tǒng)能取得較好的結(jié)果。4.3 回流罐傳遞函數(shù)的確定回流罐的模型與水箱模型類似，進(jìn)料口相當(dāng)于水箱的流入端，回流與頂端產(chǎn)品的流出相當(dāng)于水箱的流出。流入量與流出量之間的差值等于儲存量的變化率： (4-1)式中A為橫截面積，是由控制閥開度變化引起的，即： (4-2)閥門1、2的流出量為：Q1=hR1, Q2 =hR2 (4-3)式中R為流出側(cè)負(fù)載閥門的阻力（液阻），可知兩閥門的液阻基本不變：將式（3-1）、式（3-2）、帶入式（3-3），得： R1 R2AdhR1 +（R1+R2）h=kR1R2u (4-4)令T=R1 R2, K=kR1R2上式即可寫成： Tdhdt+(R1+R2)h=K

11、u (4-5)于是求得傳遞函數(shù)為： Gs=H(s)U(s)=KTs+R1+R2 (4-6)4.4 串級控制部分設(shè)計串級控制系統(tǒng)的一般采用兩個控制器，一個控制器稱為主控制器，另一個控制器稱為副控制器?？刂破鞯妮敵鲎鳛楦笨刂破鞯脑O(shè)定，然后由副控制器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥。在串級控制系統(tǒng)中通常要有兩個被控對象，即主對象（本次設(shè)計中為拱頂溫度）和副對象（本次設(shè)計中為空氣流量對象），相應(yīng)的有兩個被控參數(shù)，主被控參數(shù)（本次設(shè)計中為檢測的拱頂溫度）和副被控參數(shù)（本次設(shè)計中為檢測的空氣流量）。主被控參數(shù)的信號送往主控制器控制煤氣切斷閥和放風(fēng)閥的開度，而副被控參數(shù)的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構(gòu)成了兩個閉合回

12、路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。下圖是一典型串級系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。若Gc1s,GC2(s)是主副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù);GP1s,Gp2(s) 是主、副對象傳遞函數(shù);Gm1s,Gm2(s)是主、副變送器傳遞函數(shù)，Gvs是調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)。Gd2s是二次干擾通道的傳遞函數(shù)。是主副控制參數(shù)。是一、二次干擾。串級系統(tǒng)主要是用來克服進(jìn)入副回路的二次干擾的。對圖4-1所示的方框圖進(jìn)行分析可知，內(nèi)環(huán)具有快速作用，它能夠有效的克服二次干擾的影響。當(dāng)二次干擾經(jīng)過干擾通道環(huán)節(jié)后進(jìn)入復(fù)環(huán)，首先影響副參數(shù)，于是副調(diào)節(jié)器立即動作，力圖消弱干擾對的影響。顯然，干擾經(jīng)過復(fù)環(huán)的抑制后在進(jìn)入主環(huán)，對的影響有較大的減弱。按圖4-1所

13、示的串級系統(tǒng)，可以寫出二次干擾至主參數(shù)的傳遞函數(shù)是：由式（4-1）（4-2）比較可知單回路系統(tǒng)比串級系統(tǒng)少了一項。在串級系統(tǒng)主環(huán)工作頻率下，這項乘機(jī)的數(shù)值比較大，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而加大；而分母第二項串級又多一個。一般情況下，副調(diào)節(jié)器的比例增益是大于1的。因此可以說，串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾對主參數(shù)這一通道的動態(tài)增益明顯減小。當(dāng)二次干擾出現(xiàn)時，很快就被副調(diào)節(jié)器所克服。由于內(nèi)環(huán)起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。本設(shè)計采用串級控制系統(tǒng)有比較顯著地有點：改善了對象特征，起了超前控制的作用；改善了對象動態(tài)特性，提高了工作頻率，提高了控制器總放大

14、倍數(shù)，增強(qiáng)了抗干擾能力；具有一定的自適應(yīng)能力，適合負(fù)荷和操作條件的變化。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則：在選擇副參數(shù)時，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中；選擇副參數(shù)時，進(jìn)行副回路的設(shè)計時，應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)適當(dāng)匹配；方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。主控制器：主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)，主控制器的控制規(guī)律的選擇與簡單控制系統(tǒng)類似。但采用串級控制系統(tǒng)的主變量往往是比較重要的參數(shù)，工藝要求嚴(yán)格，一般不允有余差。因此，通常都采用比例積分控制規(guī)律，但是由于本設(shè)計滯后較大，采用比例積分微分控制規(guī)律。副控制器：副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，副變量的控制可以有余差。因此，副控制器一般采

15、用比例控制規(guī)律即可，而且比例度通常取得很小，這樣比例增益大，控制作用強(qiáng)，余差也不大。如果引入積分作用，會使控制作用趨勢變緩，并可能帶來積分飽和現(xiàn)象。但當(dāng)流量為副變量時，由于對象的時間常數(shù)和時滯都很小，為使副環(huán)在需要時可以單獨(dú)使用，需要引入積分作用，使得在單獨(dú)使用時，系統(tǒng)也能穩(wěn)定工作。這時副控制器采用比例積分控制規(guī)律，比例度取得較大且?guī)Хe分作用。主副控制器正反作用的選擇：控制器的正反作用選擇的順序應(yīng)該是先副后主。副控制器處于副環(huán)中，這時副控制器作用方向的選擇與簡單控制系統(tǒng)類似，使副環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負(fù)”即可，即副環(huán)內(nèi)個環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)的乘積為負(fù)。為使主環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)的符號為負(fù)，選擇主控制

16、器的作用方向也與簡單控制系統(tǒng)類似，而且更為簡單。因為互換的作用方向總是正的，主測量變送器為正作用單元，因此主控制器的正反作用僅取決于主對象。當(dāng)主對象為正作用時，主控制器應(yīng)選擇反作用，反之亦然，主控制器的正反作用與控制閥的正反作用無關(guān)。串級控制系統(tǒng)應(yīng)用中一般要分主、副控制器來選擇控制規(guī)律。本次的液位控制系統(tǒng)中的串級控制的主、副控制器控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來進(jìn)行，主控制器選用PID控制規(guī)律，副控制器選P控制規(guī)律；采用串級控制系統(tǒng)和簡單控制系統(tǒng)相比，之死多一點測量變送元件和一個調(diào)節(jié)器，增加的儀表投資并不多，但是控制想過卻有顯著地提高。我們將溫度及液位變化作為一、二次擾動，液位及溫度的檢測與反饋

17、作為主、副變送器，液位作為主被控對象，可以得出回流罐液位控制的結(jié)構(gòu)圖。圖4-2回流罐液位控制結(jié)構(gòu)圖圖4-3主程序流程圖5 控制檢測元件與參數(shù)的選擇5.1測量技術(shù)性能指標(biāo) 5.1.1誤差和精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實值的準(zhǔn)確程度，一般用一系列誤差來衡量。1)絕對誤差 絕對誤差指儀表指示值與被測參數(shù)真值之間的差值，實際上通常采用多次測量結(jié)果的算術(shù)平均值或用精度較高的標(biāo)準(zhǔn)表的指示值作為約定真值。2)引用誤差 把絕對誤差折合成標(biāo)尺范圍的百分?jǐn)?shù)表3)精度等級按儀表工業(yè)規(guī)定，去掉最大引用誤差的“±”號和“%”號，稱為儀表的精度等級，目前以系列化，只能從下列系數(shù)中選取最接近的合適數(shù)值作為精

18、度等級，即0.005,0.02,0.05,0.1，0.2,0.4,0.5,1.0,1.5,2.5,4.0等根據(jù)此次設(shè)計的生產(chǎn)產(chǎn)品的精度不是很高，可以選用0.51.0精度等級5.1.2靈敏度與靈敏限靈敏度表示儀表對被測參數(shù)變化反應(yīng)的能力，是指儀表達(dá)到穩(wěn)態(tài)后輸出增量與輸入增量之比。靈敏限是指引起儀表的指針發(fā)生可見變化的被測參數(shù)的最小變化量。一般，儀表的靈敏限數(shù)值不大于儀表允許誤差絕對值的一半。5.1.3回差在外界條件不變的情況下，當(dāng)被測參數(shù)從小到大（正行程）和從大到?。ǚ葱谐蹋r，同一輸入的兩個相應(yīng)輸出值常常不相等。兩者絕對值之差的最大值和儀表量程之比的百分?jǐn)?shù)稱為回差。5.2調(diào)節(jié)閥的選擇對于一個具

19、體的控制系統(tǒng)來講，要根據(jù)以下幾條原則選擇調(diào)節(jié)閥的開閉形式：1) 首先要從生產(chǎn)安全出發(fā)，即當(dāng)氣源供氣中斷，或控制器出故障而無輸出，或控制器膜片破裂，漏氣等而使調(diào)節(jié)閥無法正常工作，以至于閥芯回復(fù)到無源的初始狀態(tài)（氣開發(fā)回復(fù)到全閉，氣關(guān)閥恢復(fù)到全開）時，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝的安全，不致發(fā)生事故。2)從產(chǎn)品的質(zhì)量出發(fā)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于無能源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時，不應(yīng)該降低產(chǎn)品的質(zhì)量。3）從降低原料，成品，動力順好來考慮，避免造成不必要的浪費(fèi)。4）從介質(zhì)的特點考慮，如如精餾塔加熱的熱水調(diào)節(jié)閥一般選用氣開式，以保證在調(diào)節(jié)閥失去能源時處于全閉狀態(tài)，減少能源的浪費(fèi)。本次設(shè)計考慮到生產(chǎn)過程及原料等因素，故回流閥采用氣

20、關(guān)式。圖5.2-1回流閥參數(shù)結(jié)構(gòu)圖圖5.2-2回流閥5.3檢測和執(zhí)行元件的選擇本系統(tǒng)的回流閥液位控制設(shè)計應(yīng)有溫度檢測、液位檢測等構(gòu)成。通過檢測這些主要參數(shù)，使其能對精餾塔溫度、回流罐液位控制。5.3.1 檢測元件溫度檢測：在設(shè)計的過程中，我們采用平Pt100熱電阻進(jìn)行溫度檢測，采用三線制接線法減小測量誤差，以達(dá)到實驗的要求，經(jīng)過溫度變送裝置送出4-20mA信號。圖5.3.1-1 pt100熱電阻液面檢測：對于回流罐來說，因為流量大，不能選取靜壓式的測量元件，只能選擇電容式液位計。主要參數(shù): 工作電源：AC220V±10% 或 DC24V 功耗： < 3W 響應(yīng)延時：< 2

21、3秒 儀表工作環(huán)境溫度： -2045 探極工作（介質(zhì)）溫度： 普通型：-2060 中溫型：-40200 高溫型：-40800介質(zhì)壓力： 壓力型3MPa（其余型號為常壓） 輸出方式：420mA變送信號 負(fù)載能力： 600歐姆 檢測范圍： 11000p 傳感器防護(hù)等級：IP65 精度：±1%F.S圖5.3.1-2電容式液位計5.3.2執(zhí)行元件本系統(tǒng)可采用調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)執(zhí)行元件的功能，通過對自動調(diào)節(jié)閥開度的大小，從而控制流量，從而控制精餾塔溫度及回流罐液面的高度，對于調(diào)節(jié)閥的選擇，從安全生產(chǎn)的角度來說，我們可以選擇氣開的調(diào)節(jié)閥，同時調(diào)節(jié)閥應(yīng)該在智能控制的基礎(chǔ)上兼有人工操作，本系統(tǒng)的選用的調(diào)節(jié)儀

22、表為DDZ-111型調(diào)節(jié)器，用直流24V電源，以直流4-20mA為現(xiàn)場傳輸型號，以直流1-5V和直流4-20mA為控制器聯(lián)絡(luò)信號，通過采取了安全設(shè)施，能應(yīng)用于易燃易爆場合，因而使用非常便捷。圖5.3.2-1 DDZ-型調(diào)節(jié)器圖5.3.2-2 DDZ調(diào)節(jié)器6 控制系統(tǒng)的整定串級控制系統(tǒng)投運(yùn)順序是先副環(huán)后主環(huán)，要求必須保證無擾動切換，而且應(yīng)該是無平衡無擾動切換，串級控制系統(tǒng)常用的控制其參數(shù)整定方法有:逐步逼近法，兩步法，一步法?，F(xiàn)介紹逐步逼近法，逐步逼近法就是在主回路斷開的情況下，求取副控制器的整定參數(shù)，然后將副控制器的參數(shù)設(shè)置在求取值的數(shù)值上，使串級控制主回路閉合求取主控制器的整定參數(shù)，再將控制器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，進(jìn)行整定，求出第二次副控制器的整定參數(shù)值，比較上述兩次的整定參數(shù)和控制質(zhì)量