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1、辽 宁 工 业 大 学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔塔釜温度控制系统设计院（系）：电气工程学院专业班级：学 号：学生姓名：指导教师：起止时间：2014-12-15至2014-12-26课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器设计题目学生姓名专业班级精馏塔塔釜温度控制系统设计设计任务设计精馏塔塔釜温度控制系统。精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置，通过 精馏操作可将由多组分组成的混合物分离成较纯组分的产品。精馏塔温度是保证分离 纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，一方面保证精馏塔温度恒 定，另一方面保证生产的连续性。工艺要求塔釜温度控制在8
2、00 2 Co在生产过程 中蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从0.5Mpa突然下降到0.3Mpa,压力变化了 40% o设计要求1、确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式，确定阀的流量特性和开 闭形式；4、进行模拟调试或仿真；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书在4000字以上。 技术参数测量范围：控制温度：最大偏差：0 1000 C ；800 2 C；50 Co1、工作、计划2、3、4、5、6、布置任务，查阅资料，确定系统的控制方案，选择传感器、变送器、理解掌握系
3、统的控制要求。（2天）绘制原理结构图、方框图。（1天）控制器、执行器，给出具体型号。（2天）1天）确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（调节阀的气开气关形式以及流量特性选择。（上机实现系统的模拟运行、答辩。（2天）撰写、打印设计说明书（1天）1天）平时：论文质量:总成绩：答辩:指导教师签字：- 年 月注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要精馏是把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷 凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程，是在石油及化工等众多生产过程中 广泛应用的一种传质方法，通过精馏，使混合物料中的各组分分离，分别达到规 定的纯度。精馏
4、塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理比较复杂，动态 响应迟缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出 的要求又较高，确定精馏塔的控制方案是一个十分重要的课题。精馏塔塔釜温度 控制的稳定与否直接决定了精馏塔的分离质量和分离效果，控制精馏塔的塔釜温 度是保证产品高效分离，进一步得到高纯度产品的重要手段。对于精馏塔工作受 物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统和前馈控制系统无法满足精馏 塔这一复杂的、综合性的控制要求，因此设计了基于串级控制的精馏塔塔釜温度 控制系统。关键词：精馏；多输入多输出；串级控制目录第 1 章 绪 论 3第 2 章 课程设计的方案论证 42.
5、1 系统对象特性分析 42.2 方案设计 52.3 确定设计方案 7第 3 章 仪表的设计选择 83.1 检测仪表的选择设计 83.1.1 温度传感器的选择设计 83.1.2 温度变送器的选择设计 93.1.3 压力传感器的选择设计 103.2 执行器的选择设计 113.3 电/气转换器的选择设计 133.4 控制器的选择设计 133.4.1 温度控制器的选择设计 143.4.2 压力控制器的选择设计 143.5 PID控制算法15第 4 章 系统仿真或模拟调试 17第 5 章 课程设计总结 18参考文献 21第1章 绪 论随着当今世界石油化工业的迅猛崛起，人们也开始重视起石油化学的加工技 术
6、，而其中精馏操作的应用也越来越广。精馏使混合物料中的各组分分离，达到 规定的纯度。分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），也就 是同一温度下，各组分的蒸汽分压不同这一性质，使液相中的低沸物和高沸物进 行互相转移，从而实现分离。在实际生产过程中精馏操作可分为间歇精馏和连续 精馏两种。对于石油化工的生产等大型生产过程，主要是采用连续精馏。精馏塔 可分为精馏段，提馏段各塔板，进料板，塔顶冷凝器及回流罐，塔釜等。精馏塔的控制目标为，在保证产品质量的合格前提下，使塔的总效益最大或 者生产成本达到最小化。温度作为间接质量指标是精馏塔质量控制中应用最早同 样也是最为普通的一种。对于二元精馏塔
7、而言，在一定压力下，沸点和产品的成 分有单值对应关系，只要塔压恒定，塔釜的温度便反应了成分。对于多元精馏塔 而言，压力一定而保持一定的温度，成分的误差便可忽略不计。精馏塔温度是保 证分离纯度的重要指标，塔釜的部分产品经过再沸器回流到塔内，其主要干扰因 素为进料状态，即进料流量，进料温度及进料成分等。此外，冷剂与加热剂的压 力和温度及环境温度也会影响精馏塔的平衡操作。因此，在精馏塔方案确定时将 进料状态，进料温度等加以定值控制是对精馏塔的平衡操作是十分有利的。控制 系统大体可分为简单控制系统和复杂控制系统，具体包括结构简单的单回路控制 系统和复杂的串级控制系统，前馈控制系统，大滞后控制系统，比值
8、控制系统， 均匀控制系统和分程控制系统等。在实际精馏塔的整体控制方案中，简单的单回 路控制系统不能满足高精度的工艺要求，因此串级控制，均匀控制，比值控制和 前馈控制等控制系统经常被使用。第2章 课程设计的方案论证2.1 系统对象特性分析本次设计主要是综合应用所学知识，设计精馏塔塔釜温度控制系统，并在实 践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控制系 统”课程中所学的基本理论和基本方法。应用场合:炼油、化工生产中的主要装置。系统功能介绍:精馏塔是石油化工生产过程中的主要装置。对于由多组分组成 混合物，利用其组分的不同挥发度，通过精馏操作将其分离成较纯的组分的产品。 在精馏
9、塔分离过程中塔釜温度是保证产品分离纯度的重要指标，因此控制塔釜温 度在控制系统中尤为重要。在此系统中控制变量为蒸汽流量，被控对象为塔釜温 度。蒸汽经过再沸器对其进行加热，因为温度是精馏塔分离过程的重要指标，所 以蒸汽流量的控制是精馏塔的工艺要求的决定性因素蒸汽压力是系统的主要干扰 因素。精馏塔是一个多变量的被控过程，可供选择的被控变量和操作变量众多的， 选定一种变量配对，就组成了一种控制方案。精馏塔的主要干扰因素有以下几点：1: 蒸汽压力的干扰2: 进料组分的干扰3: 进料温度的干扰4: 进料流量的干扰2.2 方案设计通过对于精馏塔中蒸汽压力，进料组分和进料流量等的干扰因素的分析，控 制系统的
10、设计方案拟定为串级控制系统和前馈控制系统两个方案。方案一：串级控制系统 串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较 大，干扰比较剧烈频繁时若采用简单的控制系统便不能满足工艺控制要求，在系 统结构上，串级控制系统包括两个控制回路，通过副回路的引入不仅能够迅速克 服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰，进而使系统控制品质显著 提高。串级控制系统的主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统，通过它 们的协调工作，使主参数能够准确的控制在工艺规定的范围之内。图 2.1 串级控制系统框图本设计中，主被控变量为温度，副被控变量为蒸汽压力。为保证精馏塔温度 恒定和生产的连续性
11、，将精馏塔塔釜温度调节器和蒸汽压力调节器构成串级控制 系统，其精馏塔塔釜温度为主调节器，蒸汽压力调节器为副调节器。串级控制系 统之所以适合蒸馏塔塔釜温度控制系统可以归纳为以下几个原因：串级控制系统 对进入副回路的干扰有很大的克服能力，这便可以防止蒸汽压力变化剧烈对于生 产过程的影响。串级控制系统改善了被控过程的特性，提高了系统的工作效率， 充分保证了精馏塔的分离纯度。对负荷和操作条件的变化有一定的适应能力。串 级控制系统在精馏塔控制中经常用于质量反馈控制系统。精馏塔塔釜温度控制系 统采用串级控制系统可以保证主被控变量的控制质量，作为操作的变量，一般状 态下保持稳定有利于工艺的平稳操作。方案二：
12、前馈控制系统前馈控制系统是当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器， 根据扰动量的大小进而改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。精馏塔塔 釜温度控制系统设计中蒸汽压力主要干扰，进料流量及进料组分等为次要干扰。 前馈控制系统是一种预测控制，通过对于当前系统工作的了解进而预测出下一阶 段系统的运行情况。本设计中主要干扰为蒸汽压力，采用前馈控制系统可以直接 根据蒸汽压力的变化，通过一个前馈控制器 PC 直接控制调节阀，这样可在精馏 塔塔釜温度变化之前，及时对蒸汽压力这一主要干扰进行补偿，进而保证精馏塔 塔釜的正常工作。前馈控制系统多种多样，根据结构可分为静态前馈控制，动态前馈控制，前
13、馈反馈复合控制系统和前馈串级复合控制系统等。静态前馈控制结构简单并且易 于实现，但在扰动影响下动态偏差仍然存在，对于扰动频繁且要严格控制的动态 偏差的精馏塔塔釜温度控制系统，显然静态控制无法满足生产工艺的精度要求， 静态特性前馈控制是动态特性前馈控制的一种特殊形式，并且动态前馈与其他控 制系统相比结构简单易于控制，因此本设计选用动态前馈控制系统。前馈控制系统的特点可分为以下几点:基于扰动来消除扰动对被控量的影响， 又可称为扰动补偿。在扰动发生时，前馈控制“及时”动作。前馈控制属于开环 控制，只要系统中各环节处于稳定状态，整个系统就稳定工作。其中扰动只代表 可测不可控干扰。一种前馈控制只能克服一
14、种扰动，控制规律完全取决于被控对 象的特性。同样前馈控制也存在着明显的局限性：在实际的工业过程中干扰很多， 不可能对每个干扰设计一套检测装置和前馈控制器。决定前馈控制特性的被控过 程的特性的精确表达式很难能到在物理上很难实现。图 2.3 前馈控制系统框图2.3 确定设计方案对于本设计的要求，不需要专用的补偿器，单元组合仪表便可以满足使用要 求。由于考虑物料、压力等物理量对精馏塔釜温度的影响，并且干扰变化剧烈， 幅度大，有时从0.5Mpa突然下降到0.3Mpa,压力变化40%，干扰幅度较大。并 串级控制系统与前馈控制系统的特点比较，串级控制系统由于副回路的作用，对 于 40%的扰动具有较强的克服
15、能力。在精馏塔塔釜控制系统中不仅要排除干扰的 影响，同时也要保证工艺生产的正常工作，一方面保证精馏塔温度恒定，另一方 面保证生产的连续性。考虑工艺要求塔釜温度控制在800 2 C。精馏塔温度控制系统通过串级系统的主副控制器实行温度控制，主回路是定 值控制系统，副回路是随动控制系统。当压力恒定时，精馏塔分离过程正常运行， 当蒸汽压力出现剧变时，由副回路进行克服干扰，使系统正常运行。第3章 仪表的设计选择在精馏塔塔釜温度控制系统设计中，共有检测仪表类中的温度传感器、温度 变送器及压力变送器，实行操作环节的执行器，进行信号转换的电气转换器和进 行指挥的控制仪表。各类仪表的准确选型是控制系统能够完成工艺要求的前提。3.1 检测仪表的选择设计在工业生产中，为了有效地控制生产过程，保证生产安全和产品质量，必须 及时检测出生产过程中有关参数。检测仪表将生产过程的参数，经检测和变送转 换为标准信号。标准信号一般为：15V电压信号，420mA电流信号和20lOOKpa 气压信号。检测仪表种类繁多，针对生产过程中不同参数和不同的工作条件不同 的功能要求，相应的检测方法及仪表的结构也各不相同。标准信号
