07自動化儀表應(yīng)用實(shí)例

1、第7章 自動化儀表應(yīng)用實(shí)例 返回總目錄 大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制傳熱設(shè)備備的控制制本 章小小結(jié)結(jié)思考題與與習(xí)題本章內(nèi)容容大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制一、大中中型工業(yè)業(yè)鍋爐的的工藝過過程常見的鍋鍋爐設(shè)備備的主要要工藝流流程如圖圖7.1所示。由由圖可知知，燃料料和熱空空氣按一一定比例例送入燃燃燒室燃燃燒，生生產(chǎn)的熱熱量傳遞遞給蒸汽汽發(fā)生系系統(tǒng)，產(chǎn)產(chǎn)生飽和和蒸汽。飽和蒸蒸汽經(jīng)過過熱器后后形成一一定氣溫溫的過熱熱蒸汽，匯集至至蒸汽母母管。壓壓力為的的過熱蒸蒸汽，經(jīng)經(jīng)負(fù)荷設(shè)設(shè)備控制制供給負(fù)負(fù)荷設(shè)備備用。與與此同時時，燃燒燒過程中中產(chǎn)生

2、的的煙氣，除將飽飽和蒸汽汽變成過過熱蒸汽汽外，還還分別經(jīng)經(jīng)過省煤煤器和空空氣預(yù)熱熱器對鍋鍋爐給水水和燃燒燒用空氣氣進(jìn)行預(yù)預(yù)熱，以以充分利利用熱能能，最后后經(jīng)引風(fēng)風(fēng)機(jī)送往往煙囪，排入大大氣。從鍋爐的的生產(chǎn)過過程和設(shè)設(shè)備情況況看，它它是一個個比較復(fù)復(fù)雜的被被控對象象，其輸輸入變量量主要有有：負(fù)荷荷、鍋爐爐給水、燃料量量、減溫溫水、送送風(fēng)和引引風(fēng)等；輸出變變量主要要有：汽汽包水位位、蒸汽汽壓力、過熱蒸蒸汽溫度度、爐膛膛負(fù)壓、過?？湛諝?煙氣含氧氧量)等。如果果將鍋爐爐等效為為一個黑黑匣子，那么就就可以用用如圖7.2所示的簡簡圖表達(dá)達(dá)它的輸輸入輸出出變量之之間的關(guān)關(guān)系。由由圖可以以看出，這些輸輸入輸出

3、出變量之之間并非非簡單的的一一對對應(yīng)的關(guān)關(guān)系，而而是相互互關(guān)聯(lián)的的，具有有一定的的耦合特特性，所所以鍋爐爐設(shè)備是是一個多多輸入、多輸出出且相互互關(guān)聯(lián)的的復(fù)雜被被控對象象。大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制假設(shè)其外外部設(shè)備備的用汽汽負(fù)荷發(fā)發(fā)生變化化，必將將會引起起汽包水水位、蒸蒸汽壓力力和過熱熱蒸汽溫溫度等的的變化；而燃料料量的變變化不僅僅影響蒸蒸汽壓力力，同時時還會影影響到汽汽包水位位、過熱熱蒸汽溫溫度、過過?？諝鈿夂蜖t膛膛負(fù)壓等等參數(shù)；給水量量的變化化將直接接影響汽汽包水位位，同時時還對蒸蒸汽壓力力、過熱熱蒸汽溫溫度等產(chǎn)產(chǎn)生間接接影響。所以，要想精精確地對對鍋爐的的所有輸輸出量進(jìn)進(jìn)

4、行控制制是一個個比較困困難的事事。在目目前控制制系統(tǒng)中中，大多多數(shù)情況況是對鍋鍋爐進(jìn)行行適當(dāng)?shù)牡募僭O(shè)后后，將鍋鍋爐設(shè)備備控制劃劃為若干干獨(dú)立個個子系統(tǒng)統(tǒng)，通過過各個子子系統(tǒng)的的分別對對相應(yīng)的的變量進(jìn)進(jìn)行控制制，一般般不需考考慮變量量之間的的相互影影響，從從而是鍋鍋爐控制制變得比比較簡單單。本節(jié)節(jié)僅就其其中汽包包的液位位檢測與與控制作作相應(yīng)的的討論。圖7.1鍋爐設(shè)備備主要工工藝流程程圖大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制二、鍋爐爐汽包水水位的檢檢測與控控制1.汽包水位位的控制制要求汽包是鍋鍋爐的重重要組成成部分，其水位位高低會會影響整整個系統(tǒng)統(tǒng)的安全全性。如如果水位位過低，則由于于汽包內(nèi)

5、內(nèi)的水量量較少，而氣化化速度快快，若控控制不及及時，就就會在很很短的時時間內(nèi)使使汽包內(nèi)內(nèi)的水全全部氣化化，導(dǎo)致致鍋爐燒燒壞和爆爆炸；水水位過高高將會影影響汽包包的水汽汽分離效效果，產(chǎn)產(chǎn)生蒸汽汽帶液現(xiàn)現(xiàn)象，會會使過熱熱器管壁壁結(jié)垢導(dǎo)導(dǎo)致?lián)p壞壞，同時時過熱蒸蒸汽溫度度急劇下下降，該該蒸汽作作為汽輪輪機(jī)動力力的話，還會損損壞汽輪輪機(jī)葉片片，如果果有大量量的水進(jìn)進(jìn)入蒸汽汽管道，還會導(dǎo)導(dǎo)致蒸汽汽管道爆爆管的嚴(yán)嚴(yán)重后果果?？梢砸钥闯?，汽包的的水位直直接影響響鍋爐運(yùn)運(yùn)行的安安全性與與經(jīng)濟(jì)性性，是鍋鍋爐運(yùn)行行的一個個非常重重要的指指標(biāo)，無無論過高高或過低低都會引引起極為為嚴(yán)重的的后果，對它的的控制必必須是及及

6、時而又又準(zhǔn)確的的。圖7.2鍋爐對象象簡圖大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制2.汽包水位位的動態(tài)態(tài)特性對汽包水水位控制制的研究究已經(jīng)經(jīng)經(jīng)歷的很很長時間間，逐漸漸形成了了一套行行之有效效的控制制方法。之所以以對它進(jìn)進(jìn)行大量量的研究究，不僅僅是由于于它的重重要性，還在于于它的對對象特性性具有很很強(qiáng)的特特殊性，主要表表現(xiàn)在其其水位在在外界擾擾動作用用下的變變化過程程與一般般液位對對象存在在明顯區(qū)區(qū)別，需需要進(jìn)行行特殊的的分析。汽包內(nèi)內(nèi)的水位位高低與與蒸汽負(fù)負(fù)荷量D、補(bǔ)充給給水量W、補(bǔ)充水水溫T、汽包蒸蒸汽壓力力PD等參數(shù)都都有關(guān)系系，而其其中影響響作用比比較大的的主要是是蒸汽負(fù)負(fù)荷和給給水量

7、。一般而而言，通通常用給給水量來來直接影影響水位位，所以以把給水水量對水水位的影影響稱為為控制通通道影響響，把蒸蒸汽負(fù)荷荷對水位位的影響響稱為干干擾通道道影響。1)干擾通道道的動態(tài)態(tài)特性蒸汽負(fù)荷荷(向外提供供的蒸汽汽流量)對水位的的影響主主要指在在燃料量量不變的的前提下下，蒸汽汽流量突突然變化化導(dǎo)致的的水位變變化情況況。假設(shè)設(shè)給水量量沒有同同時變化化，如果果按照常常規(guī)的物物料平衡衡原則來來考慮，必然是是物料流流出量大大于流入入量，水水位應(yīng)該該隨之下下降。但但是汽包包是一個個特殊對對象，水水位的變變化情況況遠(yuǎn)比常常規(guī)對象象來得復(fù)復(fù)雜。由由于蒸汽汽流量突突然增加加，就使使短時間間內(nèi)汽包包內(nèi)飽和和蒸

8、汽壓壓力迅速速下降，造成汽汽包內(nèi)水水的沸點(diǎn)點(diǎn)突然降降低，汽汽化過程程加劇，水面以以下氣泡泡不僅數(shù)數(shù)量迅速速增加而而且體積積增大，將水位位整體抬抬高，形形成虛假假的水位位上升現(xiàn)現(xiàn)象，與與一般對對象的水水位變化化恰恰相相反，這這種現(xiàn)象象被稱為為假水位位現(xiàn)象。式中，t曲線H1的飛升速速度；K2曲線H2的放大倍倍數(shù)；T2曲線H2的時間常常數(shù)。大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制(7-1)假水位變變化的大大小與鍋鍋爐的工工作壓力力和蒸發(fā)發(fā)量等有有關(guān)，一一般蒸發(fā)發(fā)量為100300T/h的中高壓壓鍋爐在在負(fù)荷突突然變化化10%時，假水水位可達(dá)達(dá)30mm40mm。對于這這種假水水位現(xiàn)象象，在設(shè)設(shè)計控制

9、制方案時時必須加加以重視視。2)控制通道道的動態(tài)態(tài)特性在給水流流量作用用下，汽汽包也不不能僅僅僅當(dāng)作常常規(guī)單容容對象來來考慮，其階躍躍響應(yīng)曲曲線如圖圖7.4所示。對對于常規(guī)規(guī)單容無無自衡對對象而言言，水位位響應(yīng)曲曲線如圖圖7.4中曲線所所示；但但由于給給水溫度度要大大大低于比比汽包內(nèi)內(nèi)飽和水水的溫度度，所以以給水量量增加后后，汽包包內(nèi)的水水溫必然然隨之下下降，導(dǎo)導(dǎo)致水中中氣泡含含量減少少、體積積下降，引起水水位下降降。因此此實(shí)際的的水位響響應(yīng)曲線線如圖中中曲線所所示，即即當(dāng)突然然加大給給水量后后，汽包包水位并并不立即即增加，而要呈呈現(xiàn)出一一段起始始慣性段段。用傳傳遞函數(shù)數(shù)來描述述時，它它相當(dāng)于

10、于一個積積分環(huán)節(jié)節(jié)和一個個純滯后后環(huán)節(jié)的的串聯(lián)，可表示示為：在蒸汽流流量擾動動下，水水位變化化的階躍躍響應(yīng)曲曲線如圖圖7.3所示。當(dāng)當(dāng)蒸汽流流量突然然增加時時，由物物料平衡衡原理得得出的水水位變化化如曲線線所示，而由于于假水位位導(dǎo)致的的水位變變化如曲曲線所示示，整體體水位的的變化則則為二者者的疊加加，即大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制其變化情情況如曲曲線所示示。從圖圖7.3中可以看看出，在在水位變變化的初初始階段段水位不不僅不會會下降，反而先先上升，過一段段時間后后才開始始下降(反之，當(dāng)當(dāng)蒸汽流流量突然然減少時時，則水水位先下下降，然然后上升升)。圖7.3蒸汽流量量擾動下下水位的的

11、階躍響響應(yīng)曲線線曲線的傳傳遞函數(shù)數(shù)為一般而言言，純滯滯后時間間與給水溫溫度相關(guān)關(guān)，水溫溫越低，滯后時時間越長長。一般般約在15s100s之間。如如采用省省煤器，則由于于省煤器器本身的的延遲，會使增增加到100s200s。3)其他干擾擾因素的的影響除了上述述兩個比比較主要要的影響響之外，給水溫溫度變化化、鍋爐爐排污、吹灰等等過程也也會對汽汽包水位位造成影影響。給給水溫度度會影響響水面下下的氣泡泡數(shù)量和和體積；鍋爐排排污則要要排出汽汽包的部部分陳水水；吹灰灰時要使使用鍋爐爐自身的的蒸汽，這些都都對是水水位有影影響，但但都屬于于短時間間的擾動動，可以以很快被被抑制下下來，無無需做特特殊處理理。3.汽

12、包水位位的控制制方案1)單沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制圖7.4給水流量量作用下下水位的的階躍響響應(yīng)曲線線(7-2)控制汽包包水位時時常選給給水量作作為操作作變量，由此可可組成如如圖7.5所示的普普通單沖沖量控制制系統(tǒng)。這里指指的單沖沖量即汽汽包水位位。這種種控制系系統(tǒng)是典典型的單單回路控控制系統(tǒng)統(tǒng)。對于于部分小小型鍋爐爐來說，由于蒸蒸發(fā)量少少，水在在汽包內(nèi)內(nèi)停留時時間較長長，所以以在蒸汽汽負(fù)荷變變化時，假水位位的現(xiàn)象象并不顯顯著，如如果使用用單沖量量控制系系統(tǒng)配用用聯(lián)鎖報報警裝置置，也能能夠保證證系統(tǒng)的的安全性性操作，滿足生生產(chǎn)的要要求。而而大中型型鍋爐的的蒸發(fā)

13、量量相當(dāng)大大，當(dāng)蒸蒸汽負(fù)荷荷突然大大幅度增增加時，假水位位現(xiàn)象比比較明顯顯，調(diào)節(jié)節(jié)器收到到錯誤的的假水位位信號后后，不但但不開大大給水閥閥增加給給水量，以維持持鍋爐的的物料平平衡，滿滿足蒸汽汽量增大大的要求求，反而而關(guān)小調(diào)調(diào)節(jié)閥的的開度，減少給給水量。這種情情況被稱稱為調(diào)節(jié)節(jié)器的誤誤動作，是由假假水位引引起的。等到假假水位消消失后，由于蒸蒸汽量增增加而送送水量減減少，將將使水位位顯著下下降，嚴(yán)嚴(yán)重時甚甚至?xí)故蛊唤档降轿ｋU程程度以致致發(fā)生事事故。因因此單沖沖量系統(tǒng)統(tǒng)不能勝勝任對大大中型鍋鍋爐的控控制，水水位得不不到保證證。2)比值控制制系統(tǒng)從物料平平衡的角角度來看看，只要要保證任任一時

14、刻刻蒸汽流流出量與與給水流流入量之之間是等等量關(guān)系系，就能能夠保證證水位的的恒定，如圖7.6所示的比比值控制制系統(tǒng)就就是建立立在這樣樣的控制制思想上上的。這這樣，給給水量隨隨著蒸汽汽負(fù)荷的的變化而而變化，而且變變化方向向和數(shù)量量是完全全相同的的，可以以以此來來避免在在單沖量量方案中中出現(xiàn)的的調(diào)節(jié)器器誤動作作。大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制圖7.5單單沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)圖7.6比比值控制制系統(tǒng)當(dāng)對蒸汽汽流量的的測量是是直接測測量質(zhì)量量時，圖圖中的比比值系數(shù)數(shù)可以定定為1或稍大于于1，此時就就可以滿滿足給水水量跟隨隨蒸汽量量變化的的要求。從圖

15、中可可以看出出，這種種方案也也可視為為一種前前饋補(bǔ)償償方案，補(bǔ)償器器就是比比值器。此方案案對于蒸蒸汽負(fù)荷荷方面的的擾動具具有很好好的抑制制作用，但是由由于沒有有真正監(jiān)監(jiān)視水位位的變化化情況，所以由由其他擾擾動引起起的水位位變化完完全不得得而知，也就不不可能對對其他的的擾動影影響進(jìn)行行調(diào)節(jié)，所以只只能是一一種探討討型方案案，不能能應(yīng)用在在實(shí)際系系統(tǒng)中。大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制3)雙沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)綜合單沖沖量控制制系統(tǒng)和和比值控控制系統(tǒng)統(tǒng)的特點(diǎn)點(diǎn)，不難難設(shè)計出出如圖7.7所示的雙雙沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)。該系系統(tǒng)是在在單沖量量控制系系統(tǒng)的基基礎(chǔ)上適適當(dāng)引入入了對蒸蒸汽流量量的監(jiān)視視

16、，起到到對水位位的補(bǔ)充充校正作作用，就就可以大大大減弱弱假水位位引起的的調(diào)節(jié)器器誤動作作。圖7.7(a)是雙沖量量控制系系統(tǒng)的原原理圖，圖7.7(b)是其框圖圖。由圖圖知，這這其實(shí)是是一個前前饋與單單回路的的復(fù)合控控制系統(tǒng)統(tǒng)。其控控制思路路是：測測量出蒸蒸汽負(fù)荷荷的大小小，根據(jù)據(jù)物料平平衡原理理，只要要給水量量與蒸發(fā)發(fā)量完全全相等，那么水水位將保保持不變變，從而而克服假假水位的的影響，也就是是利用前前饋控制制抑制負(fù)負(fù)荷擾動動；其他他干擾因因素引起起的水位位變化則則由反饋饋控制來來克服。這樣的的設(shè)計思思路不僅僅能削弱弱調(diào)節(jié)器器的誤動動作，還還能使調(diào)調(diào)節(jié)閥動動作及時時、水位位波動減減弱，起起到改善

17、善控制品品質(zhì)的作作用。圖圖7.7(a)中的加法法器輸出出是圖7.7雙雙沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)原理圖圖與框圖圖大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制由框圖可可知，起起著靜態(tài)態(tài)前饋控控制器的的作用，按前饋饋控制器器設(shè)計原原理，有有(7-3)(7-4)因?yàn)镵PD一般為負(fù)負(fù)、KMD和KPH均為正，所以K2的符號取取決于調(diào)調(diào)節(jié)閥的的符號。當(dāng)采用用氣開閥閥時，KV為正，K2則為正；當(dāng)采用用氣關(guān)閥閥時，則則相反。調(diào)節(jié)閥閥氣開與與氣關(guān)的的選用，一般從從生產(chǎn)安安全角度度考慮。如果高高壓蒸汽汽是供給給蒸汽透透平壓縮縮機(jī)或汽汽輪機(jī)，那么為為保護(hù)這這些設(shè)備備選用氣氣開閥為為宜；如如果蒸汽汽僅用作作加熱劑劑，為保保護(hù)鍋

18、爐爐采用氣氣關(guān)閥為為宜。式(7-4)提供了求求取K2的原理算算式。事事實(shí)上，由于鍋鍋爐的情情況特殊殊，K2一般不按按照該式式求取，而是按按以下思思路求取取。設(shè)閥閥門安裝裝特性工工作點(diǎn)斜斜率為KV，則(7-5)大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制式中，P閥門輸入入信號變變化量；W閥動作后后引起的的給水流流量變化化量。假定蒸汽汽流量的的測量變變送為線線性(如孔板加加開方器器)，則由物料平平衡關(guān)系系可以得得到靜態(tài)態(tài)補(bǔ)償關(guān)關(guān)系，即即在蒸汽汽量負(fù)荷荷變化時時，應(yīng)使使(7-6)(7-7)將式(7-6)代入式(7-7)得(7-8)而由框圖圖7.7(b)知(7-9)由上述兩兩式可得得(7-10)大中型

19、工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制需要說明明的是，蒸汽流流量信號號的引入入只是削削弱了由由假水位位現(xiàn)象引引起的調(diào)調(diào)節(jié)器誤誤動作，并沒有有削弱假假水位現(xiàn)現(xiàn)象，假假水位現(xiàn)現(xiàn)象是大大中型鍋鍋爐汽包包必然存存在的物物理過程程，想要要對它進(jìn)進(jìn)行限制制或削弱弱是很困困難的。同時，負(fù)荷擾擾動引起起的水位位變化速速度比給給水變化化引起的的水位變變化速度度要快得得多，所所以即使使利用給給水對符符合擾動動進(jìn)行調(diào)調(diào)節(jié)，也也會產(chǎn)生生較大的的水位波波動，因因此必須須對符合合符合變變化的幅幅度加以以限制。4)三沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)在雙沖量量控制系系統(tǒng)中，還存在在一些問問題：對對蒸汽流流量的測測量不可可能完全全準(zhǔn)確；給水流

20、流量是否否與蒸汽汽流量相相等無法法得知；控制閥閥的工作作特性不不一定成成為線性性，對蒸蒸汽負(fù)荷荷變化要要做到靜靜態(tài)補(bǔ)償償比較困困難；不不能克服服給水?dāng)_擾動等。所以，就需要要在雙沖沖量方案案的基礎(chǔ)礎(chǔ)上再引引入給水水流量信信號，構(gòu)構(gòu)成三沖沖量控制制系統(tǒng)，如圖7.8所示?？煽梢钥闯龀觯@是是前饋與與串級控控制組成成的復(fù)合合控制系系統(tǒng)。串串級系統(tǒng)統(tǒng)的主回回路直接接控制水水位，用用于抑制制除負(fù)荷荷擾動之之外的其其他擾動動；副回回路是流流量隨動動系統(tǒng)，與蒸汽汽流量的的靜態(tài)前前饋系統(tǒng)統(tǒng)一起控控制負(fù)荷荷擾動。與一般般的串級級控制系系統(tǒng)類似似，主回回路采用用比例積積分調(diào)節(jié)節(jié)規(guī)律，副回路路采用純純比例或或比例積積

21、分調(diào)節(jié)節(jié)規(guī)律。在這樣樣的三沖沖量復(fù)合合控制系系統(tǒng)中，串級控控制和前前饋控制制組成了了一個完完善的整整體，能能夠比較較全面、準(zhǔn)確地地完成控控制任務(wù)務(wù)。大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制圖7.8三沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)圖7.9三沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)的連接接圖和框框圖圖7.9所示是三三沖量控控制系統(tǒng)統(tǒng)的連接接圖和框框圖。系數(shù)設(shè)置置：系數(shù)數(shù)K1通常可取取1或稍小于于1；K2可按式(7-11)取值；至至于的的設(shè)置與與雙沖量量控制系系統(tǒng)相同同。水位位調(diào)節(jié)器器和流量量調(diào)節(jié)器器的參數(shù)數(shù)整定方方法與一一般串級級控制系系統(tǒng)相同同。(7-11)大中型工工業(yè)鍋爐爐汽包液液位的檢檢測與控控制無論是雙雙沖量控控制方案案還

22、是三三沖量控控制方案案，都利利用了蒸蒸汽負(fù)荷荷作為前前饋控制制信號，所以，對蒸汽汽流量的的檢測成成為非常常重要的的環(huán)節(jié)。一般地地，對蒸蒸汽流量量的檢測測可以采采用測體體積或者者測質(zhì)量量兩種方方式，從從保持物物料平衡衡的角度度來看，采用測測質(zhì)量的的方法相相對好一一些。由由于目前前大多數(shù)數(shù)場合下下測量蒸蒸汽流量量都是使使用孔板板式差壓壓流量計計測體積積，所以以可以在在孔板后后再增加加一個測測量蒸汽汽密度的的裝置，利用體體積流量量和蒸汽汽密度計計算出蒸蒸汽的質(zhì)質(zhì)量流量量，將它它作為前前饋信號號來使用用。如果果不增加加密度計計，也可可利用過過熱蒸汽汽的壓力力和溫度度查出當(dāng)當(dāng)前狀態(tài)態(tài)下飽和和蒸汽的的密度

23、，把它作作為系數(shù)數(shù)與蒸汽汽體積流流量相乘乘得到質(zhì)質(zhì)量流量量。這兩兩個方案案中，前前者的實(shí)實(shí)時性較較好，能能比較及及時地反反應(yīng)蒸汽汽質(zhì)量流流量的變變化；而而后者的的投資較較小，但但不能保保證蒸汽汽質(zhì)量流流量的瞬瞬時準(zhǔn)確確性。由由于蒸汽汽流量的的檢測精精度對汽汽包水位位的控制制有著特特殊意義義，所以以應(yīng)該在在允許的的情況下下盡可能能地提到到蒸汽流流量的檢檢測精度度。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制一、連續(xù)續(xù)精餾的的工藝流流程和裝裝置精餾過程程是化工工、煉油油生產(chǎn)過過程中一一個十分分重要的的環(huán)節(jié)，對精餾餾過程的的控制質(zhì)質(zhì)量直接接影響到到企業(yè)的的產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量、產(chǎn)產(chǎn)量和能能量的消消耗量，因此精精餾過程程

24、的控制制一直是是受到高高度重視視的典型型控制系系統(tǒng)之一一。精餾餾過程是是把混合合液體中中的不同同組分利利用各組組分自身身揮發(fā)度度的不同同實(shí)現(xiàn)組組分分離離的過程程，一般般把混合合液中的的輕質(zhì)組組分分離離成汽態(tài)態(tài)，重質(zhì)質(zhì)組分分分離為液液態(tài)。被被精餾的的原料可可以是兩兩種或兩兩種以上上的組分分的混合合液，稱稱為二元元組分或或多元組組分。由由于多元元組分精精餾在一一定情況況下可以以簡化為為二元組組分精餾餾，所以以一般以以二元組組分混合合液作為為模型討討論精餾餾過程。為簡便便起見，本節(jié)所所討論的的精餾過過程均以以二元組組分為對對象。簡簡單來講講，精餾餾的過程程就是迫迫使混合合物的汽汽、液兩兩相在精精餾裝

25、置置中作逆逆向流動動，在相相互接觸觸的過程程中，液液相中的的輕質(zhì)組組分逐漸漸吸收熱熱量轉(zhuǎn)入入汽相，而汽相相中的重重質(zhì)組分分釋放熱熱量轉(zhuǎn)入入液相，所以精精餾過程程實(shí)質(zhì)上上是一種種伴隨有有傳熱過過程的傳傳質(zhì)過程程。傳質(zhì)質(zhì)是精餾餾的目的的，傳熱熱是精餾餾的手段段。在精精餾過程程中混合合液在精精餾裝置置里反復(fù)復(fù)地進(jìn)行行部分汽汽化和部部分冷凝凝，轉(zhuǎn)變變?yōu)轭A(yù)期期的多種種產(chǎn)品。完成精精餾過程程的主要要裝置叫叫做精餾餾塔，此此外還有有再沸器器、冷凝凝器、回回流罐和和回流泵泵等輔助助設(shè)備。目前，工業(yè)上上一般所所采用的的連續(xù)精精餾裝置置的流程程如圖7.10所示。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制原料F從精餾塔塔中

26、段某某一塊塔塔板上進(jìn)進(jìn)入，這這塊塔板板稱為進(jìn)進(jìn)料板。精餾塔塔在進(jìn)料料板以上上的部分分稱為精精餾段，進(jìn)料板板以下部部分稱為為提餾段段。進(jìn)入入塔內(nèi)的的混合液液中的低低沸點(diǎn)組組分(易揮發(fā)組組分)較易汽化化而向塔塔頂流動動；高沸沸點(diǎn)組分分(難揮發(fā)組組分)則更多地地以液體體形態(tài)向向塔底流流動，在在流動過過程中不不斷地與與塔內(nèi)上上升蒸汽汽在各層層塔板上上充分接接觸并且且傳熱和和傳質(zhì)。向下流流動的液液體到達(dá)達(dá)塔釜后后，一部部分被連連續(xù)地引引出成為為塔底產(chǎn)產(chǎn)品B；另一部部分則在在再沸器器中被加加熱，汽汽化后又又返回塔塔中循環(huán)環(huán)傳質(zhì)。塔內(nèi)上上升的蒸蒸汽依次次經(jīng)過所所有的塔塔板，蒸蒸汽中易易揮發(fā)組組分的濃濃度逐漸

27、漸增高，上升到到塔頂后后進(jìn)入冷冷凝器被被冷凝成成為液體體，經(jīng)回回流罐和和回流泵泵后一部部分作為為塔頂產(chǎn)產(chǎn)品D連續(xù)引出出，另一一部分則則引回到到頂部的的塔板上上用作為為塔內(nèi)冷冷卻液，稱為回回流量L。圖7.10連連續(xù)精精餾裝置置的工藝藝流程石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制精餾過程程的產(chǎn)品品是從混混合液中中分離出出來的，無論精精餾過程程多么細(xì)細(xì)致，其其產(chǎn)品中中不可避避免地留留有其他他組分，所以各各種產(chǎn)品品的純度度就成為為精餾過過程重點(diǎn)點(diǎn)關(guān)注的的指標(biāo)。二、精餾餾過程的的控制目目標(biāo)精餾塔控控制的首首要目標(biāo)標(biāo)就是要要滿足產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量，即保保證各種種產(chǎn)品的的純度；同時還還應(yīng)該考考慮生產(chǎn)產(chǎn)過程的的經(jīng)濟(jì)效效益

28、問題題，要使使總的收收益最大大或總的的成本最最小。因因此，精精餾塔的的控制要要求，體體現(xiàn)在質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)(產(chǎn)品純度度)、產(chǎn)品產(chǎn)產(chǎn)量和能能量消耗耗三個方方面，這這三個方方面又是是相互影影響、相相互制約約的，因因此必須須進(jìn)行綜綜合考慮慮。除了了這三個個主要指指標(biāo)之外外，還有有一些附附加的控控制要求求需要考考慮。1.質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)精餾的過過程是非非常復(fù)雜雜的，要要做到它它的所有有產(chǎn)品純純度都是是完全滿滿足要求求是相當(dāng)當(dāng)困難的的。一般般地，只只要保證證塔頂或或塔底產(chǎn)產(chǎn)品之一一應(yīng)該保保證達(dá)到到規(guī)定的的純度，而另一一產(chǎn)品也也應(yīng)保證證在規(guī)定定的范圍圍內(nèi)就可可以了。只有在在非常精精細(xì)的精精密精餾餾過程中中，才要要求

29、做到到塔頂、塔底產(chǎn)產(chǎn)品純度度都滿足足規(guī)定值值。在二元組組分精餾餾中，情情況較簡簡單，質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)就是使使塔頂產(chǎn)產(chǎn)品中輕輕組分純純度符合合技術(shù)要要求或塔塔底產(chǎn)品品中重組組分純度度符合技技術(shù)要求求。在多多元組分分精餾中中，情況況較復(fù)雜雜，一般般僅控制制關(guān)鍵組組分。所所謂關(guān)鍵鍵組分，是指對對產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量影響響最大的的組分。塔頂產(chǎn)產(chǎn)品中揮揮發(fā)度較較大的關(guān)關(guān)鍵組分分稱為輕輕關(guān)鍵組組分，塔塔底產(chǎn)品品中揮發(fā)發(fā)度較小小的關(guān)鍵鍵組分稱稱為重關(guān)關(guān)鍵組分分。有時時，對多多元組分分的分離離可簡化化為對二二元關(guān)鍵鍵組分的的分離，也相應(yīng)應(yīng)地簡化化了精餾餾操作。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制應(yīng)當(dāng)指出出，對產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量的控

30、制制應(yīng)該要要求在剛剛好能滿滿足規(guī)定定值即可可，即處處于“卡卡邊”生生產(chǎn)狀態(tài)態(tài)，完全全沒有必必要超出出規(guī)定值值。超過過規(guī)格的的產(chǎn)品并并不能提提高售價價，反而而會導(dǎo)致致能耗的的增大和和產(chǎn)量的的降低，對提高高經(jīng)濟(jì)效效益是不不利的。2.產(chǎn)品產(chǎn)量量和能量量消耗為保證企企業(yè)的經(jīng)經(jīng)濟(jì)效益益，精餾餾塔不僅僅要保證證產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量，還還要保證證一定的的產(chǎn)量和和盡量降降低能量量消耗。精餾塔塔的能量量消耗主主要來自自混合液液的分離離過程，包括再再沸器的的加熱和和冷凝器器的冷卻卻耗能。此外，塔的其其他附屬屬設(shè)備及及管線也也要散失失一部分分熱量和和冷量。分析可知知，產(chǎn)品品純度越越高，產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)量量越大，則所消消耗的能能量越多

31、多。產(chǎn)品品產(chǎn)量、產(chǎn)品純純度及能能量消耗耗三者之之間存在在著一定定的數(shù)值值關(guān)系。有數(shù)據(jù)據(jù)表明，在一定定的能耗耗下，隨隨著產(chǎn)品品純度的的提高，會使產(chǎn)產(chǎn)品的產(chǎn)產(chǎn)量迅速速下降，純度越越高，下下降速度度越快。如果保保持純度度不變，增加能能耗可以以提高產(chǎn)產(chǎn)品產(chǎn)量量，但只只在初始始階段有有明顯效效果，一一旦當(dāng)能能耗達(dá)到到一定程程度以后后，產(chǎn)量量的增加加幅度就就明顯下下降。3.其他要求求為保證系系統(tǒng)的正正常平穩(wěn)穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)該盡盡可能在在進(jìn)塔之之前的主主要可控控干擾都都抑制下下來，還還要緩和和一些不不可控的的主要擾擾動。例例如原料料的溫度度、加熱熱劑和冷冷卻劑的的壓力、保證進(jìn)進(jìn)料量與與引出量量的平衡衡關(guān)系等等。這

32、些些參數(shù)的的變化都都會引起起傳質(zhì)和和傳熱過過程的穩(wěn)穩(wěn)定和效效率，對對這些參參數(shù)的變變化應(yīng)及及早克服服。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制三、精餾餾過程的的靜態(tài)和和動態(tài)特特性精餾是一一個傳熱熱和傳質(zhì)質(zhì)的過程程，它必必然遵循循基本的的能量和和物料守守恒原則則，所有有的影響響因素也也通過這這兩個基基本原則則影響精精餾過程程。精餾餾塔的靜靜態(tài)特性性就反映映了影響響因素與與精餾效效果之間間的定量量關(guān)系；動態(tài)特特性則反反映了精精餾塔各各參數(shù)變變化時這這些參數(shù)數(shù)之間的的動態(tài)關(guān)關(guān)系以及及對精餾餾過程的的動態(tài)影影響。這這里僅以以二元精精餾過程程為對象象討論精精餾塔的的靜態(tài)和和動態(tài)特特性。1。精餾塔塔的靜態(tài)態(tài)特性

33、1)全塔物料料平衡在穩(wěn)態(tài)工工況下，進(jìn)塔原原料量必必須等于于引出產(chǎn)產(chǎn)品量，即(7-12)輕組分的的物料平平衡關(guān)系系為(7-13)從式(7-12)和式(7-13)可解得(7-14)石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制式(7-14)表明，進(jìn)進(jìn)料量在在產(chǎn)品中中的分配配量(或)是決定塔塔頂和塔塔底產(chǎn)品品中輕組組分質(zhì)量量濃度XD和XB的主要因因素。D/F的改變將將直接導(dǎo)導(dǎo)致XD和XB的改變。另外XF，進(jìn)料組組分質(zhì)量量濃度也也是一個個影響XD和XB的重要因因素。2)能量平衡衡在穩(wěn)態(tài)工工況下，通過傳傳熱和進(jìn)進(jìn)料帶入入精餾塔塔的所有有能量必必然與通通過傳熱熱和產(chǎn)品品帶出的的離開塔塔的能量量相平衡衡。如果果不考慮慮

34、能量損損失，能能量平衡衡關(guān)系式式為(7-15)上式并未未明確表表示能量量與產(chǎn)品品純度的的直接關(guān)關(guān)系，但但是式(7-15)中的每一一項(xiàng)都將將影響塔塔內(nèi)上升升蒸汽量量V，而V與產(chǎn)品純純度的關(guān)關(guān)系近似似為(7-16)石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制3)內(nèi)部物料料平衡對精餾塔塔內(nèi)部的的物料平平衡，主主要考慮慮進(jìn)料板板、精餾餾段和提提餾段3部分的狀狀態(tài)。由由于精餾餾過程的的影響因因素很多多，這里里只對如如圖7.11所示的二二元精餾餾塔在以以下假設(shè)設(shè)的前提提下進(jìn)行行討論。(1)在精餾段段內(nèi)，通過各層層塔板的的上升蒸蒸汽流量量Vr均相等；(2)在提餾段段內(nèi)，通過各層層塔板的的上升蒸蒸汽流量量Vs均相等；V

35、s=V(V為再沸器器內(nèi)蒸汽汽量)；(3)在精餾段段內(nèi)，通過各層層塔板的的下流液液體流量量Lr均相等；Lr稱為內(nèi)回回流，當(dāng)當(dāng)回流溫溫度等于于塔頂溫溫度時，內(nèi)回流流Lr等于外回回流L。圖7.11二二元精精餾塔各各項(xiàng)物料料情況(4)在提餾段段內(nèi)，通過各層層搭板的的下流液液體流量量均相等等；(5)回流罐和和塔底液液位不變變；(6)塔壓保持持不變。在以上這這些條件件下，有下述平平衡關(guān)系系。(1)加料板上上的物料料平衡為為石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制(7-17)對于其他他情況下下的進(jìn)料料，則需需依據(jù)熱熱量平衡衡關(guān)系作作相應(yīng)的的考慮。(2)精餾段的的物料平平衡。精餾段的的物料平平衡關(guān)系系如圖7.12所

36、示。對對精餾段段內(nèi)任一一塔板以以上作物物料平衡衡計算，輕組分分的物料料平衡關(guān)關(guān)系式為為(7-18)式(7-18)可改寫為為(7-19)上式表明明了精餾餾段內(nèi)任任一塔板板的氣相相濃度與與氣液比比Lr/Vr和D/Vr之間的關(guān)關(guān)系。改改變氣液液比必將將使塔板板上濃度度發(fā)生變變化。然然而，氣氣液比除除了決定定于再沸沸器上升升蒸汽量量Vr以外，還還決定于于回流量量Lr與塔頂采采出量D。通常將將回流量量與采出出量R之比稱為為回流比比，即(7-20)石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制當(dāng)D=0時，稱為全回回流。由由此可知知，要改改變精餾餾塔的操操作工藝藝，應(yīng)操操作精餾餾塔的回回流比和和再沸器器上升蒸蒸汽量，通

37、過內(nèi)內(nèi)部平衡衡關(guān)系，使每塊塊塔板上上的濃度度改變，從而導(dǎo)導(dǎo)致最終終產(chǎn)品純純度的變變化。塔頂和冷冷凝器的的物料平平衡關(guān)系系為(7-21)圖7.12精餾段的的物料平平衡關(guān)系系(3)提餾段的的物料平平衡。其平衡關(guān)關(guān)系如圖圖7.13所示。對對提餾段段內(nèi)任一一塔板以以下作物物料平衡衡計算，輕組分分的物料料平衡關(guān)關(guān)系式為為(7-22)式(7-22)亦可改寫寫為(7-23)石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制通過以上上對進(jìn)料料板、精精餾段、提餾段段物料平平衡關(guān)系系的分析析，可知知影響精精餾過程程的主要要因素有有：進(jìn)料料量、進(jìn)進(jìn)料中輕輕、重組組分各自自的質(zhì)量量濃度、進(jìn)料溫溫度和進(jìn)進(jìn)料狀態(tài)態(tài)、再沸沸器的加加熱量、

38、冷凝器器的冷卻卻量、回回流量、塔頂引引出量、塔底引引出量、塔壓。上述各各種影響響因素中中有些是是可控制制的，有有些是不不可控制制的。一一般情況況下，進(jìn)進(jìn)料量和和進(jìn)料濃濃度是不不可控制制的。進(jìn)進(jìn)料溫度度和狀態(tài)態(tài)對塔的的操作影影響較大大，所以以在單相相進(jìn)料時時采用進(jìn)進(jìn)料溫度度控制來來克服這這種擾動動，而在在兩相進(jìn)進(jìn)料時，則利用用控制產(chǎn)產(chǎn)出物的的焓以克克服擾動動。對于于冷凝器器的冷卻卻量和再再沸器的的加熱量量，一般般都用定定值控制制系統(tǒng)來來加以穩(wěn)穩(wěn)定。式(7-23)表明了在在提餾段段內(nèi)任一一塔板上上的氣相相濃度與與氣液比比的關(guān)系系。同樣樣，要使使塔的操操作工況況改變，應(yīng)操作作塔的回回流比和和再沸器器

39、上升蒸蒸汽量，從而通通過內(nèi)部部平衡關(guān)關(guān)系最終終改變產(chǎn)產(chǎn)品的純純度。塔底和再再沸器的的物料平平衡關(guān)系系為(7-24)圖7.13提餾段物物料平衡衡關(guān)系石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制總之，從從前面對對塔的靜靜態(tài)特性性和內(nèi)部部平衡關(guān)關(guān)系的分分析，不不難看到到，為了了克服塔塔的主要要擾動，可以通通過對以以下參數(shù)數(shù)的控制制保證精精餾過程程的正常常進(jìn)行：塔頂采采出量、塔底采采出量、回流罐罐排氣量量、回流流量、再再沸器加加熱量、冷凝器器冷卻量量。前三三個量是是通過影影響全塔塔的物料料平衡與與塔的內(nèi)內(nèi)部物料料平衡來來起到控控制作用用；后三三個量直直接改變變塔的能能量平衡衡關(guān)系和和改變塔塔內(nèi)氣液液比，從從而起

40、到到控制質(zhì)質(zhì)量的作作用。2.精餾塔各各參數(shù)的的動態(tài)影影響分析析精餾過程程受到干干擾后上上述各參參數(shù)對塔塔操作的的影響速速度是各各不相同同的，因因此在設(shè)設(shè)計控制制方案時時，必須須考慮參參數(shù)間的的動態(tài)影影響，才才能使控控制系統(tǒng)統(tǒng)及時克克服各參參數(shù)對塔塔操作的的影響。由于精精餾塔是是一個多多變量、時變和和非線性性的對象象，各變變量之間間又存在在相互關(guān)關(guān)聯(lián)，因因此定量量分析參參數(shù)間動動態(tài)影響響并且建建立其數(shù)數(shù)學(xué)模型型是比較較困難的的，這里里僅定性性地從幾幾個側(cè)面面分析塔塔的動態(tài)態(tài)影響。1)上升蒸汽汽和回流流的影響響在精餾塔塔內(nèi)，上上升蒸汽汽流量變變化的響響應(yīng)是相相當(dāng)快的的。由于于上升蒸蒸汽只需需克服塔

41、塔板上極極薄覆蓋蓋的液相相阻力，而塔內(nèi)內(nèi)氣相蓄蓄存量的的變化在在塔壓一一定時可可忽略不不計，因因此上升升蒸汽量量的變化化幾秒內(nèi)內(nèi)就可影影響到塔塔頂。與上升蒸蒸汽造成成的影響響相比，向下流流動的液液相的滯滯后是相相當(dāng)大的的。這是是因?yàn)榛鼗亓髁吭鲈黾訒r，必須先先使塔板板上的液液相蓄存存量增加加，然后后在增加加的液體體靜壓作作用下，才使離離開塔板板的液相相速度增增加，因因此時回回流量變變化的響響應(yīng)存在在著滯后后。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制此可見，除頂部部塔板外外，要使使塔的任任何一點(diǎn)點(diǎn)的氣液液比發(fā)生生變化，用再沸沸器的加加熱量作作為操作作變量得得到的響響應(yīng)要比比用回流流量作操操作量是是來得快

42、快。2)組分滯后后的影響響無論是改改變上升升蒸汽量量變化還還是改變變回流量量，都必必須通過過改變每每塊塔板板上組分分之間的的平衡，最終才才引起頂頂部產(chǎn)品品或底部部產(chǎn)品組組分的質(zhì)質(zhì)量濃度度的變化化。由于于組分要要達(dá)到靜靜態(tài)平衡衡需要較較長時間間，因此此盡管上上升蒸汽汽量變化化可以很很快影響響到塔頂頂組分的的質(zhì)量濃濃度，但但要使塔塔頂組分分的質(zhì)量量濃度變變化并達(dá)達(dá)到一個個新的平平衡仍需需花費(fèi)相相當(dāng)長的的時間?；亓髯冏兓瘯r花花費(fèi)的時時間更多多。這就就是說，塔板上上的組分分平衡要要等到影影響組分分的液相相或氣相相流量穩(wěn)穩(wěn)定相當(dāng)當(dāng)時間后后才能建建立。組分滯后后是必然然存在的的，它隨隨著塔板板上液相相蓄存

43、量量的增加加而增加加，因而而隨塔板板數(shù)的增增加而增增加，也也隨著回回流比的的增加而而增加，因?yàn)榛鼗亓鞅鹊牡脑黾泳途鸵馕吨迳仙闲钜毫苛康脑黾蛹?。由于于再沸器器加熱量量的增加加引起上上升蒸汽汽量增加加，將會會改善氣氣、液接接觸，從從而使組組分滯后后減小。3)回流罐蓄蓄液量和和塔釜蓄蓄液量引引起的滯滯后影響響由式(7-21)可知，回回流量總總是等于于塔頂汽汽相流量量和塔頂頂采出量量之差。因此，恒定時時，控制制實(shí)質(zhì)上上就是改改變了回回流量。從工藝藝過程看看，必須須要經(jīng)過過回流罐罐才能影影響到，而回流流罐有一一定的蓄蓄液量，會使從從的變化化到的變變化產(chǎn)生生滯后。液位變變化引起起石油蒸餾餾裝置中中的

44、檢測測與控制制蓄液量變變化，也也會嚴(yán)重重影響L和D之間的關(guān)關(guān)系。為為此要使使Vr，L和D的關(guān)系式式成立而而且不存存在滯后后，回流流罐的液液位必須須嚴(yán)格保保持恒定定，這樣樣在采用用改變D(或D/F)來控制塔塔頂產(chǎn)品品質(zhì)量的的方案中中，才能能在Vr不變時使使回流量量L及時跟蹤蹤采出量量D的變化，否則將將引起滯滯后，影影響控制制品質(zhì)。類似的過過程也發(fā)發(fā)生在提提餾段。塔釜液液位變化化引起蓄蓄液量變變化，從從而引起起V和B的變化。要使Ls，V和B間的關(guān)系系式(7-24)成立，塔塔釜液位位必須嚴(yán)嚴(yán)格保持持一定。這樣在在采用改改變B來控制塔塔底產(chǎn)品品質(zhì)量的的方案中中，才能能在Ls不變時使使再沸器器加熱量量所

45、引起起的上升升蒸汽量量V及時跟蹤蹤塔底采采出量B的變化，否則將將引起滯滯后，影影響控制制品質(zhì)。上述動態(tài)態(tài)影響因因素主要要影響系系統(tǒng)過渡渡過程的的品質(zhì)指指標(biāo)，一一定要在在系統(tǒng)設(shè)設(shè)計階段段充分考考慮到對對這些因因素的克克服。四、精餾餾塔質(zhì)量量指標(biāo)的的選取精餾塔最最直接的的質(zhì)量指指標(biāo)是產(chǎn)產(chǎn)品純度度。由于于直接檢檢測產(chǎn)品品純度的的難度很很大，而而且測量量過程滯滯后大、檢測儀儀表可靠靠性差，所以一一般不采采用單純純測純度度的辦法法來衡量量產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量。目目前工業(yè)業(yè)上常用用的方案案是通過過保證溫溫度間接接保證產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量。這是是因?yàn)閷τ诙M分精精餾塔來來說，固固定壓力力下的溫溫度與產(chǎn)產(chǎn)品純度度間存在在

46、著單值值的函數(shù)數(shù)關(guān)系。因此，如果保保證壓力力恒定，則塔板板溫度就就能間接接反映濃濃度。對對于多元元精餾塔塔來說，雖然情情況比較較復(fù)雜，但總體體上仍然然和二元元組分精精餾塔類類似，可可以采用用溫度指指標(biāo)來反反映質(zhì)量量。那么么到底采采用塔內(nèi)內(nèi)哪一點(diǎn)點(diǎn)的溫度度作為間間接指標(biāo)標(biāo)才能有有效控制制產(chǎn)品的的質(zhì)量呢呢？以下下介紹幾幾個常用用方案。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制1.靈敏板溫溫度控制制從位置上上看，似似乎塔頂頂或塔底底的溫度度最能代代表產(chǎn)品品質(zhì)量，這種思思路在產(chǎn)產(chǎn)品純度度不高時時是合理理的。但但是，當(dāng)當(dāng)產(chǎn)品純純度接近近質(zhì)量要要求的給給定值時時，在鄰鄰近塔頂頂或塔底底的各板板之間的的溫度差差已經(jīng)

47、很很小。這這時，即即使塔頂頂或塔底底溫度僅僅變化0.5就可能造造成產(chǎn)品品質(zhì)量不不合要求求。因而而，對溫溫度檢測測儀表的的靈敏度度和控制制精度都都提出了了很高的的要求，這往往往很難滿滿足的。解決這這一問題題的方法法是在塔塔頂或塔塔底與進(jìn)進(jìn)料板之之間選擇擇靈敏板板的溫度度作為間間接質(zhì)量量指標(biāo)。所謂靈靈敏板是是指塔的的操作受受擾動或或受控制制時，塔塔內(nèi)各板板上的物物料中各各組分的的質(zhì)量濃濃度和溫溫度都將將發(fā)生變變化，變變化程度度各不相相同，在在達(dá)到新新的穩(wěn)態(tài)態(tài)后，溫溫度變化化最大的的那塊塔塔板即稱稱為靈敏敏板。靈靈敏板位位置可以以通過逐逐板計算算或靜態(tài)態(tài)模型仿仿真計算算，依據(jù)據(jù)不同操操作工況況下各塔

48、塔板溫度度分布曲曲線比較較得出。但是由由于塔板板效率不不易估準(zhǔn)準(zhǔn)，所以以最后還還須根據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)予予以確定定。2.溫差控制制溫差控制制適用于于精密精精餾過程程，此時時產(chǎn)品純純度要求求很高，而且塔塔頂塔底底產(chǎn)品的的沸點(diǎn)差差較小。采用溫差差作為衡衡量質(zhì)量量指標(biāo)的的參數(shù)，是為了了消除壓壓力波動動對產(chǎn)品品質(zhì)量的的影響。因?yàn)椋诰s餾塔控制制系統(tǒng)中中雖設(shè)置置了壓力力定值控控制，但但壓力也也總難免免有些微微小波動動，這對對一般產(chǎn)產(chǎn)品純度度要求不不太高的的精餾塔塔是可以以忽略不不計的。但如果果是精密密精餾，產(chǎn)品純純度要求求很高，微小的的壓力波波動對純純度的影影響就不不能再忽忽略了。也就是是說，精精密精餾餾時若用

49、用溫度作作質(zhì)量指指標(biāo)就不不能很好好地代表表產(chǎn)品的的質(zhì)量，溫度的的變化可可能是產(chǎn)產(chǎn)品純度度和壓力力都變化化的結(jié)果果，為此此應(yīng)該考考慮補(bǔ)償償或消除除壓力波波動對濃濃度的影影響。在選擇溫溫差信號號時，一一個檢測測點(diǎn)仍然然放在靈靈敏板附附近，即即濃度和和溫度變變化較大大的位置置；另一一個檢測測點(diǎn)放在在主要產(chǎn)產(chǎn)品引出出點(diǎn)附近近(重視塔頂頂產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量時放放在塔頂頂附近，重視塔塔底產(chǎn)品品時放在在塔底附附近)，即溫度度變化較較小的位位置；另另然后取取上述兩兩測點(diǎn)的的溫度差差作為被被控變量量。這里里，塔頂頂或塔底底溫度實(shí)實(shí)際上起起參比作作用，由由于壓力力變化對對兩點(diǎn)溫溫度都有有相同影影響，相相減之后后其壓力力波

50、動的的影響就就幾乎相相抵消。溫差控控制其實(shí)實(shí)是靈敏敏板溫度度控制的的變形，用來消消除壓力力波動對對產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量的影影響。圖圖7.14溫差純純度關(guān)系系曲線值得注意意的是，溫差與與產(chǎn)品純純度之間間并非單單值關(guān)系系。如圖圖7.14所示的正正丁烷和和異丁烷烷分離塔塔的溫差差T和塔底產(chǎn)產(chǎn)品中輕輕組分質(zhì)質(zhì)量濃度度XD之間關(guān)系系的示意意圖。由由圖可見見，曲線線有最高高點(diǎn)，其其左側(cè)表表示塔底底產(chǎn)品純純度較高高(即輕組分分濃度XD較小)情況下，溫差隨隨著產(chǎn)品品純度的的增加而而減小；其右側(cè)側(cè)表示在在塔底產(chǎn)產(chǎn)品不很很純的情情況下，溫差隨隨產(chǎn)品純純度的降降低而減減小。為為了使控控制系統(tǒng)統(tǒng)能正常常工作，溫差與與產(chǎn)品純純度

51、應(yīng)該該具有單單值對應(yīng)應(yīng)關(guān)系。為此，一般將將工作點(diǎn)點(diǎn)選擇在在曲線的的左側(cè)，并采取取措施使使工作點(diǎn)點(diǎn)不至進(jìn)進(jìn)入曲線線的右側(cè)側(cè)。為了了使控制制器的正正常工作作范圍在在曲線最最高點(diǎn)的的左側(cè)，在使用用溫度控控制時，控制器器的給定定值不能能太大，干擾量量(尤其是加加熱蒸汽汽量的波波動)也不能太太大，以以防止工工作狀態(tài)態(tài)變到如如圖7.14所示的曲曲線最高高點(diǎn)的右右側(cè)，致致使控制制器無法法正常工工作。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制3.雙溫差控控制溫差控制制可以克克服由于于塔壓波波動對塔塔頂(或塔底)產(chǎn)品質(zhì)量量的影響響，但是是它還存存在一個個問題：就是當(dāng)當(dāng)負(fù)荷變變化時，會導(dǎo)

52、致致塔板間間的壓降降產(chǎn)生變變化，而而且任意意兩塊相相鄰塔板板間的壓壓降也不不相同。塔板間間壓降的的分布將將會影響響兩塊塔塔板間溫溫差的不不同。這這時溫差差和組分分間就不不呈單值值對應(yīng)關(guān)關(guān)系，溫溫差控制制方案就就無法發(fā)發(fā)揮作用用，在這這種情況況下可以以采用雙雙溫差控控制。工藝分析析表明，如果塔塔頂?shù)闹刂亟M分質(zhì)質(zhì)量濃度度較高，就會使使全塔溫溫度偏高高，在負(fù)負(fù)荷變化化時精餾餾段的溫溫度變化化更為明明顯，其其中又有有一塊塔塔板溫度度變化最最快，稱稱此塊塔塔板為精精餾段的的靈敏板板，該板板位于進(jìn)進(jìn)料板之之上。如如果在精精餾段靈靈敏板處處測量溫溫度并組組成溫差差控制，則可以以得到高高純度的的塔底產(chǎn)產(chǎn)品。相

53、相反，如如果塔底底的輕組組分質(zhì)量量濃度較較高，靈靈敏板就就位于進(jìn)進(jìn)料板之之下，稱稱為提餾餾段靈敏敏板。無無論負(fù)荷荷怎樣變變化，塔塔內(nèi)溫度度變化最最明顯的的地方總總在這兩兩塊靈敏敏板上。再把塔塔頂和塔塔底出溫溫度變化化最不明明顯的塔塔板分別別叫作精精餾段參參照板和和提餾段段參照板板。如果果能分別別將塔頂頂、塔底底兩個參參照板與與兩個靈靈敏板之之間的溫溫度梯度度控制穩(wěn)穩(wěn)定，就就能達(dá)到到質(zhì)量控控制的目目的，這這就是雙雙溫差控控制方法法的基礎(chǔ)礎(chǔ)圖7.14溫溫差純度關(guān)關(guān)系曲線線石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制雙溫差控控制亦稱稱溫差差差值控制制，其控控制原理理圖如圖圖7.15所示。圖7.15雙雙溫差差控

54、制方方案五、精餾餾過程的的基本控控制方案案精餾塔內(nèi)內(nèi)的精餾餾過程是是一個非非常復(fù)雜雜的過程程，牽涉涉到的變變量很多多，可以以選擇為為被控變變量的數(shù)數(shù)量很大大，可以以選擇為為操作變變量的也也很多，這樣就就形成了了各式各各樣的控控制方案案。但無無論這些些控制方方案的形形式如何何，其的的控制目目標(biāo)都是是使塔頂頂和塔底底的產(chǎn)品品滿足規(guī)規(guī)定的質(zhì)質(zhì)量要求求，用到到的基本本原理也也仍然是是能量和和物料平平衡的基基本原理理。這里里將這些些控制方方案進(jìn)行行分類討討論。為為使問題題簡化，這里僅僅討論塔塔頂和塔塔底產(chǎn)品品均為液液相時的的基本控控制問題題。1.物料平衡衡控制石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制物料平衡衡

55、控制方方式并不不對塔頂頂或塔底底產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量進(jìn)行行直接的的控制，而依據(jù)據(jù)精餾塔塔的物料料平衡及及能量平平衡關(guān)系系進(jìn)行間間接控制制。按照物料料平衡原原則可以以設(shè)計出出如圖7.16圖7.18所示的幾幾種控制制系統(tǒng)。圖7.16精餾塔物物料平衡衡控制方方案之一一圖7.17精餾塔物物料平衡衡控制方方案之二二圖7.18精餾塔物物料平衡衡控制方方案之三三石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制顯然，上上述物料料平衡控控制適用用于進(jìn)料料成分恒恒定或變變化不大大的場合合，同時時，要求求進(jìn)料溫溫度或焓焓變化不不大。當(dāng)當(dāng)進(jìn)料溫溫度或焓焓的變化化足以影影響塔的的產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量時，則需要要設(shè)置相相應(yīng)的溫溫度或焓焓控制系系統(tǒng)；而而當(dāng)

56、進(jìn)料料成分波波動較大大時，則則需要對對產(chǎn)品的的質(zhì)量進(jìn)進(jìn)行直接接控制。2.控制一端端產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量對于具有有兩個液液相產(chǎn)品品的精餾餾塔，可可采用嚴(yán)嚴(yán)格控制制一端產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量，而讓讓另一端端產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量浮動動(即不加以以控制)的辦法。該方案案的原理理是：根根據(jù)物料料平衡原原則，一一端產(chǎn)品品的濃度度固定后后，另一一端產(chǎn)品品的濃度度也應(yīng)該該是可知知的，若若固定塔塔頂產(chǎn)品品的純度度，塔底底產(chǎn)品純純度的變變動也不不會太大大；反之之亦然。當(dāng)然，該方案案沒有考考慮塔內(nèi)內(nèi)物料的的存儲量量變化，所以，它只適適合于擾擾動不很很大的情情況。對對沒有進(jìn)進(jìn)行控制制的一端端的產(chǎn)品品質(zhì)量可可用靜態(tài)態(tài)特性關(guān)關(guān)系估計計出它的的變化范范

57、圍。根根據(jù)控制制的產(chǎn)品品不同，該方案案可分為為對精餾餾段指標(biāo)標(biāo)控制和和對提餾餾段指標(biāo)標(biāo)控制1)按精餾段段指標(biāo)控控制當(dāng)塔頂采采出液為為主要產(chǎn)產(chǎn)品時，往往對對精餾段段指標(biāo)進(jìn)進(jìn)行控制制。這時時，可取取精餾段段某靈敏敏板溫度度作為被被控變量量，而以以回流量量、塔頂頂采出量量或再沸沸器上升升蒸汽量量作為操操縱變量量。系統(tǒng)統(tǒng)可以采采用單回回路控制制或者溫溫度-流量串級級控制。串級控控制方式式雖較復(fù)復(fù)雜，但但可迅速速有效地地克服進(jìn)進(jìn)入副環(huán)環(huán)的擾動動，并可可降低對對控制閥閥特性的的要求，適合精精密控制制的要求求。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制采用這類類控制方方案時，在L，D，V(或QH)和B四者之中中，選

58、擇擇一個作作為控制制產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量的手手段，選選擇另一一個保持持流量恒恒定，其其余兩個個變量則則按回流流罐和塔塔底的物物料平衡衡關(guān)系由由液位控控制器加加以控制制。對應(yīng)應(yīng)的控制制流程圖圖如圖7.19和圖7.20所示。圖7.19精餾段能能量平衡衡控制方方案圖7.19所示方案案的特點(diǎn)點(diǎn)是控制制作用滯滯后小，反應(yīng)迅迅速，對對克服進(jìn)進(jìn)入精餾餾段的擾擾動和保保證塔頂頂產(chǎn)品是是有利的的，這是是精餾塔塔控制中中最常用用的方案案。此方方案通過過直接控控制塔內(nèi)內(nèi)能量平平衡關(guān)系系以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)對分離離精度的的控制，稱為“精餾段段能量平平衡控制制方案”。回流流量波動動不利于于精餾塔塔的平穩(wěn)穩(wěn)操作,所以方案案中由溫溫度控制制器對

59、回回流量進(jìn)進(jìn)行控制制。在確確定溫度度調(diào)節(jié)器器的控制制算法時時，要避避免使用用微分控控制，只只須比例例積分控控制即可可，防止止由微分分調(diào)節(jié)規(guī)規(guī)律引起起波動。此外，再再沸器加加熱量需需要保持持恒定而而且要有有足夠的的量值，以便塔塔在最大大負(fù)荷時時仍能保保證產(chǎn)品品的質(zhì)量量指標(biāo)。圖7.20所示的方方案則通通過調(diào)整整全塔物物料平衡衡關(guān)系以以控制塔塔頂產(chǎn)品品的純度度，被稱稱為“精精餾段物物料平衡衡控制方方案”。該方案案的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)是有利利于精餾餾塔的平平穩(wěn)操作作，這是是因?yàn)樵谠诨亓鞅缺容^大時時控制D要比控制制L靈敏。此此外還有有一個優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)當(dāng)塔頂產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量量不合格格時，如如采用有有積分作作用的控控制器，則塔

60、頂頂采出量量D會自動暫暫時中斷斷，進(jìn)行行全回流流，這樣樣可保證證得到的的產(chǎn)品是是合格的的。然而而該方案案溫度控控制回路路滯后較較大，反反應(yīng)較慢慢，從采采出量D的改變到到溫度變變化，要要通過回回流罐液液位控制制回路來來實(shí)現(xiàn)，必然引引入滯后后，特別別是回流流罐容積積較大時時，反應(yīng)應(yīng)更慢，給控制制質(zhì)量的的提高帶帶來了困困難。此此外，同同樣要求求再沸器器加熱量量足夠大大，以使使塔在最最大負(fù)荷荷時仍能能保證產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)標(biāo)。石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制圖7.20精精餾段段物料平平衡控制制方案石油蒸餾餾裝置中中的檢測測與控制制2 )按提餾段段指標(biāo)控控制當(dāng)主要產(chǎn)產(chǎn)品為塔塔底液時時，就要要按提餾餾段