精馏塔自控系统应用.doc
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1、精馏塔自控系统设计摘 要自动化技术已成为国家工业生产力水平的一个重要标志,本文阐述了基于实时网络控制自动化技术的发展,从精馏塔控制方案入手,介绍与精馏塔相关的工艺设备、工艺流程、控制过程及DCS控制系统常识,讲述了精馏塔控制系统所涉及到的检测仪表及DCS控制装置的基础知识。重点说明控制系统的组态、功能和控制策略,并以精馏塔工业为为例分析了自动化技术在国内重要工业领域的应用状况,阐明了自动化技术在工业发展中的重要作用。精馏塔控制系统采用DCS控制系统进行自动控制,不仅能为操作人员提供可靠的数据信息,而且还能提供主要监测点的动态画面,它还具有可靠的多级报警系统,可提示故障点和维修措施,同时,计算机
2、系统还能从宏观的角度调节精馏塔过程控制,使整个精馏塔系统从整体上协调运行,实现生产过程自动化。由于DCS组态控制灵活、接口功能丰富、参数设置方便,操作界面直观,将在乙烯精馏装置中得到广泛应用。实践表明,本系统运行可靠稳定,操作方便,正确调整有关参数,就能达到较好的控制效果,具有推广价值。关键词:自动化;精馏塔系统;DCS控制系统;计算机控制系统91Monitoring and Controlling System Design of Distillation AbstractThe automated technology has become the national industry pr
3、oductive forces level an important symbol. The article introduced the industrial automation technology development based on the real-time network control automation technologys design, started from the Distillation control scheme , introduced process equipment, production process, control process an
4、d DCS control system knowledge about the distillation column ,and the distillation control column system involved in instrumentation and DCS controls the basics. The composition and functions and control strategy of control system are particular described, and has analyzed the automated technology t
5、ake the batch distillation and distillation industry as the example in the domestic essential industry dominos application condition, has expounded the automated technology in the industrial development influential role. Using DCS control system in batch distillation system, it not only provide reli
6、able data for the operator ,but also provide dynamic images of the main detecting point, and it also has a reliable multi-level alarm system to hint the failure point and maintenance measures. At the same time, the computer system can also adjust process control of batch distillation from macro angl
7、e so that the whole batch distillation system harmoniously runs as a whole to achieve production process automation.The advantages such as flexible control of DCS, multiple functions, the convenient key technical parameters setting and the open-and-shut interface of the operating system etc. Will fi
8、nally make it applied extensively in the rectification device. Practice shows that the system is reliable and stable in operation and is convenient to be operated. This system can be effectively controlled if related parameters are correctly adjusted, which is of great popularization value.Keywords:
9、 automation; batch distillation system; DCS; computer control system目录精馏塔自控系统设计I摘 要IMonitoring and Controlling System Design of DistillationIIAbstractIIKeywords: automation; batch distillation system; DCS; computer control systemIII第一章 绪 论11.1 精馏塔控制的研究背景及意义11.2 精馏塔控制的研究现状11.3精馏塔控制存在的问题及最新发展2第二章 精馏塔控
10、制的原理和工艺要求42.1 精馏塔分馏原理42.2 精馏塔的控制要求及主要扰动52.2.1 精馏塔的控制要求52.2.2 精馏塔的干扰因数特性62.3 精馏塔的控制目标92.3.1 质量指标92.3.2 产品产量和能量消耗92.4 精馏塔装置的工艺流程11第三章 精馏塔控制方案设计133.1 精馏塔控制方案133.1.1提馏段参数控制133.1.2精馏段参数控制143.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制163.2 乙烯精馏塔装置的控制方案193.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护233.3.1工艺因数影响233.3.2故障分析及系统维护24第四章 DCS系统选型254.1 DCS系统概述254.
11、2 DCS系统的结构与特点264.2.1 DCS系统的基本组成264.2.2 DCS系统的特点274.2.3 DCS系统的传输媒介284.2.4 DCS通讯网络294.2.5 JX-300XP系统简介314.2.6测控仪表选型38第五章 控制系统在DCS中的实现415.1控制站及操作站组态435.1.1控制站组态435.1.2操作站组态44第六章 控制系统的设计476.2塔釜液位控制系统的设计626.2塔釜温度控制系统的设计646.3冷却水流量控制系统的设计686.3.1涡流流量计的工作原理686.4回流比自动控制系统的设计696.4.1比值系统组成原理696.4.2工作原理706.5 精馏塔
12、的监控测试点的确定726.6其他控制量的控制趋势图746.6.1系统总貌图746.6.2塔釜压力趋势图756.6.3塔节温度趋势图766.6.4进料温度趋势图77第七章 结论78参考文献80谢 辞82附录1 精馏塔控制的硬件部件及其名称清单83附录2 精馏塔控制的相对应的I/O接口84附录3 精馏塔的配置和硬件清单86附录4 精馏塔控制的所需仪表87第一章 绪 论1.1 精馏塔控制的研究背景及意义精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量的消耗,因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视 1。精馏塔是一个多输入和多输出的对象,它由很多
13、级塔板组成,内在机理复杂,对控制作用响应缓慢,参数间相互关联严重,而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别,这就更需要深入分析工艺特性,进行自动控制方案的设计和研究。精馏过程是一个复杂的传质传热过程,表现为:“过程变量多,被控变量多,可操纵的变量也多;过程动态和机理复杂” 。作为化工生产中应用最广的分离过程,精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。但在实际生产中,为了保证产品合格,精馏装置操作往往偏于保守,操作方法以及操作参数设置往往欠合理,过分离普遍存在 。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离,而是被冷却水或分离组分带走。因此,精馏过程的节能
14、潜力很大,收效也极为明显。1.2 精馏塔控制的研究现状精馏是化工中首选的分离过程,虽然有许多优点,但是能耗特别大,为节能,国内外已研制出一些节能型耦合精馏塔:像反应与精馏耦合的塔。 精馏与其他分离过程耦合的塔(吸附-精馏耦合、结晶-精馏耦合等);精馏一精馏耦合的塔:热耦精馏塔;内部热耦合精馏塔;分隔壁精馏塔(Dividing wall column)简称DWC。精馏塔也是一种最常见且消耗能量最大的操作单元。其具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统,动态特性分析复杂并困难,难以进行变量配对,约束条件复杂等特点,使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的焦点。精馏塔的发展大致经历了下述过程2。1.在
15、80年代以前,主要是常规仪表和计算机数字控制(DDC),控制算法以各种单一量的PID控制、比值、分程和前馈控制等为主。2.在80至90年代,大型生产装置则采用集散型控制系统(DCS)。在硬件上将回路分散化,数据显示、监督等功能集中化,硬件可靠性大大提高,效果甚好,但在控制算法上无显著改进。3.到90年代以后,开始出现在DCS的基础上实现优化操作和高级过程控制。在硬件上采用上位计算机和下位DCS相结合。在控制算法上,在原PID控制的基础上,出现智能控制、过程控制等一些先进控制方法。使得化工生产中产品质量得到了很大的提高。4.近10年来,有关精留塔控制的研究文献大量涌现,其不同时期研究热点大致趋势
16、是:(1)开发和应用线性多变量控制技术,自适应、自校正控制,预测推理控制和鲁棒控制算法, 进行精馏塔预测控制系统和鲁棒控制系统设计。(2)考虑精馏塔节能, 应用先进控制策略控制精馏塔。近几年来, 对塔两端组份控制及控制系统结构分析综合成为首要研究热点。1.3精馏塔控制存在的问题及最新发展目前,大多数石化生产装置都采用了DCS进行控制,产生了较好的效益,但总的说来,DCS的应用水平不高,其技术优势还远没有完全发挥出来。据专家们估计,当前我国企业对DCS的应用能力普遍不及它的30。这说明在DCS的应用上还存在着很大的不足。主要是DCS仍然是一门新型的控制系统,使用时要考虑它的通融性、方便性、系统配
17、件性等。它技术更新快,应用时要考虑控制系统在技术上是否成熟,是否已有在多个行业、多个用户中成功的使用先例。并且存在一个使用成熟技术与使用先进技术的矛盾。一般而言,新技术诞生时间短,实际应用中的考验少,而成熟技术用起来非常放心,但技术先进性上肯定差一些。此外,DCS提供了强大的运算和控制功能,如TDC3000系统提供了流量累积、温压补偿等十几种算法功能,以及PID控制、比率控制等十几种控制功能。根据工艺要求所提供的控制方案,在保证生产安全的前提下,通过对乙烯精馏塔精馏段温度控制,对比控制方案的优缺点,以达到最优控制,使所研究的问题符合要求,通过上位机软件的设计,完成对乙烯装置的系统主态、历史趋势
18、和实时报警等功能的研究,使整个过程更加直观。第二章 精馏塔控制的原理和工艺要求2.1 精馏塔分馏原理以A、B两种液体混合物的分馏为例,在压力一定的情况下,A、B二种组分混合溶液汽液相温度-浓度曲线如图2.1所示。纯A的沸点是100,纯B的沸点是135.两组分的混合比变化时,混合溶液的沸点也将随之变化,如图中液相曲线所示,图中还标出了温度变化时,汽相组分的变化曲线3。设原溶液中A占20%,B占80%,把A、B混合液加热到124.5时,液体沸腾。这时,于液相共存的气相成分比是A占45.8%,B占54.2%,将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中,A为45.8%,B为54.2%;如果在使冷凝后的液体
19、沸腾,其沸点为114.5.这时气态成分比又变成A占73.5%,B占26.5%,这样反复的进行上诉操作,不断的蒸发和冷凝,最终就可以将A分离出来。图2.1 A,B二组分混合物温度-浓度曲线2.2 精馏塔的控制要求及主要扰动2.2.1 精馏塔的控制要求为了保证精馏生产过程安全,高效地连续进行,精馏塔自动控制系统应当满足以下几方面的要求:(1)保证产品质量 对于正常工作的精馏塔,应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度;另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此,应以塔顶或塔底一种产品的纯度作为质量参数进行控制,这样的控制系统称为质量控制系统。质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。由
20、于目前还不能生产出测量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表,所以在大多数情况下,精馏塔自动控制系统是通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量检测,即用温度控制系统代替质量控制系统。(2)保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行,应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰,同时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力控制、进料量的均匀控制等,使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔的物料平衡,还要控制塔顶和塔底产品采出量,使二者之和等于进料量,两个采出量变化要缓慢,以保证精馏塔的平稳运行;精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳
21、运行所必须的。(3)满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行,必须满足一些参数的极限值所规定的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制,流速过高易产生液泛,流速过低会降低塔板效率,尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制,通过测量和控制塔底于塔顶间的差压,间接实现塔内气体流速的检测和控制。精馏塔本身还有最高压力限制,当塔内压力超过其耐压极限时,容器的安全就没有保障。(4)节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗。另外,塔和附属设备及管道也要散失一部分能量。精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中,质量指标、产品回收
22、率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件,在优先保证质量指标的前提下,应使产品产量高一些,能量消耗尽可能低一些。2.2.2 精馏塔的干扰因数特性图2.2表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔中段某一塔板进入塔内,这块塔板就称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段,进料板以上部分称精馏段,进料板以下部分称提馏段。在精馏塔运行过程中,影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种4。 图2.2 精馏塔物料流程图1.进料流量F的波动进料量F的波动通常是难免的,如果精馏塔位于整个生产过程的起点,则以采用定值控制。但是精馏塔进料量F往往是由上一道生产工序所决定,如果一定要使精馏塔进料量F恒定,就必
23、须设置中间储槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽,采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量,使精馏塔的进料流量F比较平稳,避免F的剧烈变化。2.进料成分ZF的变化进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决定的,对图1.2所示的精馏塔来讲,它是不可控的扰动因数。3.进料温度TF和进料热焓值QF的变化进料温度和状态对塔的操作影响很大,一般情况下进料温度是比较稳定的,如果进料温TF度变化较大,为了维持塔内的热量平衡和稳定运行,在单相进料时采用进料温度控制可克服这种干扰,然而在多相进料时,进料温度恒定并不能保证其热焓值QF稳定。当进料是气液两相混合状态时,只有当气液两相比例恒定时
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