脱丙烷塔控制系统设计

《过程控制工程》课程设计报告

题目：脱丙烷塔控制系统设计

学院：计算机与电子信息学院

班级：电气08-3 __________ 姓名：______________________

学号：__________________________

指导教师：____________________

起止日期：2012年01月04日?2012年01月12日

摘要

脱丙烷塔的主要任务是利用混合液中各组分挥发度的不同分离丙烷和丁二烯组分，并达到规定的纯度要求。塔顶轻组分主要是丙烷，塔低重组分主要是丁二烯。其中丙烷占10, 丁二烯占89，其它杂质占1。

为了满足脱丙烷塔的自动控制的质量指标、物料指标、能量平衡及约束条件等要求。设计包括提馏段的温度与蒸汽流量的串级控制；塔顶鸭梨为被控变量，气态丙烯与去尾气管线组成分层控制；进料流量的简单均匀控制；回流罐的液位与回流管的回流量组成串级均匀控制；回流量的定制控制；以及进料、回流、塔顶、塔釜的温度检测，塔压检测，回流量的流量检测等。

关键字：串级控制，被控变量，分层控制，均匀控制，定值控制, 检测。

第一章主要故意流程和环境特征概论 (4)

第二章控制原理分析 (5)

1、................................................. 提馏段的温度与蒸汽流量组成串级控制. (5)

2、................................................. 分程控制7

3、................................................. 单回路均匀控制回路.. (7)

4、................................................. 液位报警系统8

5、................................................. 温度检测系统8

第三章节流装置的设计计算 (10)

第四章调节阀口径计算 (15)

第一章主要工艺流程和环境特征概况

脱丙烷塔的主要任务是切割G和C4混合馏分，塔顶轻关键组分是丙烷，塔釜重关键是丁二烯。主要工艺流程如图所示：第一脱乙烷塔塔釜来的釜液和第二蒸出塔的釜液混合后进入脱丙烷塔，进料为气液混合状态，液化率为0.28。进料温度为32C，塔顶温度为8.9 C, 塔釜温度为72C。塔内操作压力为0.75MPa（绝压）。采用的回流比约为

1.13。冷凝器由0C丙烯蒸发制冷，再沸器加热用的0.15 MPa（绝压）减压蒸汽由来自裂解炉的0.6 MPa（绝压）低压蒸汽与冷凝水混合制得的。和其他精馏塔一样，脱丙烷塔也是一个高阶对象，具有对象通道多、内在机理复杂、变量间相互关联、动态响应慢、控制要求高等特点。脱丙烷塔的自动控制应满足质量指标、物料指标、能量平衡及约束条件等要求。

脱丙烷塔所处的环境为甲级防爆区域，工艺介质为多种烃类混合物，沸点低、易挥发、易燃、易爆，生产装置处于露天，低压、低温。主导风向由西向东。

仪表选型说明

所选仪表应具有本质安全防爆性能等特点，电动皿型仪表在安全性、可靠性等方面已能满足要求。电动仪表信号传送快且距离远，易与计算机配合使用，除控制阀外，最好全部选用电动皿型仪表。采用安全栅，可构成本质安全防爆系统。

第二章控制原理分析

1、提馏段的温度与蒸汽流量组成串级控制

下图是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度B。保持恒定。为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀的做到温度B发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对B 的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度B。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图2-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。由于存在这些扰动故考虑串级控制系统。

串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环。

串级控制系统在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相

同，就其主回路（外环）来看是一个定值控制系统，而副回路（内环）则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其

原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统有如下几点的改善：

①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。

②对二次扰动有很强的克服能力。

③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

综上所述，根据系统工艺要求，决定在系统设计中采用闭环串级控制方式。

采用如图所示的提馏段温度串级控制系统。副调节器QC2艮据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。但副调节器QC2勺给定值则受主调节器B C1的控制，后者根据温度B改变蒸汽流量给定值Qr, 从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度B满足要

求。用这个方法以非常有效地克服蒸汽压力波动对于温度B的影

响，因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化所引起的流量波动在2至3s以内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度B的影响是很微小的。

2、分程控制

一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节阀，若一只调节器去

控制两个以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。

图表示了分程控制系统的简图。图中表示一台调节器去操纵两只调节阀，实施（动作过程）是借助调节阀上的阀门定位器对信号的转换功能。例如图中的A B两阀，要求A阀在调节器输出信号压力为0.02?0.06MPe变化时，作阀得全行程动作，则要求附在A阀上的阀门定位器，对输入信号0.02?0.06MPa时，相应输出为0.02?O.IMPa, 而B 阀上的阀门定位器，应调整成在输入信号为0.06?0.1 MPa寸，相应输出为0.02?0.1MPa。按照这些条件，当调节器（包括电/气转换器）输出信号小于0.06MPa时A阀动作，B阀不动；当输出信号大于0.06MPa 时，而B阀动作，A阀已动至极限；由此实现分程控制过程。

分程控制可以应用于调节塔顶压力中，以塔顶压力为被控变量，气态丙烯与去尾气管线组成的分程控制。

要保证反应的顺利进行，塔顶的压力恒定也是一个重要的参数。影响此压力的是再沸器的气态丙烯流量以及回流罐的压力。为了扩大控制阀的可调范围，改善控制系统的品质，满足工艺要求，以塔顶压力恒定为主要控制目的，当操纵变量气态丙烯流量的改变不足于控制塔顶压力时，调节去尾气管线上的流量，以达到控制塔顶压力。

3、单回路均匀控制回路

均匀控制是指一种控制方案所起的作用而言，因为就方案的结构

看，有时像一个简单液位（或压力）定值控制系统，有时又像一个液位与流量（或压力与流量）的串级控制系统。

根据工艺要求，塔的进料为单管传输，流量较平稳，回路扰动不大，控制要求不咼。为了保证液位稳定在一定的的范围内，从而保证生产的正常进行，可采用均匀控制的方案。从经济和控制效果的角度综合考虑进料回路可选用简单均匀控制方案。

4、液位报警系统

采用ON\OF输出方式用电极点做液位检测，在液体中给予一定的电视，当导线触到水时电势发生改变。并且采用单片机进行报警控制。

如图,采用继电器和发光二极管进行液位报警指示

5、温度检测系统

根据要求，我们需要对进料温度、回流物温度、塔顶、塔底的温

度进去检测。所以我们需要设计一多点温度检测系统以达到多点的温度检测要求。如图，由一台上位机，和下位机多点温度数据采集，组成两级分布式多点温度测量的巡回检测系统。通过上位机控制下位机进行现场温度采集。温度值既可以送回主控机进行数据处理，由显示器显示，也可以由下位机单独工作，实时显示当前各点的温度值，对各点进行控制。

1

下恃机

'■ ■)

—显小总山

第三章节流装置的设计计算

本课程设计要求标准节流装置设计计算需编制计算机程序实现，程序设计流程框图如下图所示

标准节流装置设计计算原始数据

项目数据备注

位号FE21502

用途200-RG2305

介质名称压缩富气

介质状态气体

取大量12000m3/h

正常量2200m3/h

最小量1200m3/h

操作温度40 r

操作压力 1.5MPa

量程比10:1

1.辅助计算

①计算流量标尺

因被测介质为液体，应求出质量流量。

根据流量标尺取标准流量为6000Kg/h，即为1.6666Kg/s。

②计算差压上限

C 2丨

q m 4 ld \2 P i

再根据公式 1 4计算P

其中C=0.6, 1=1, =0.5,d= D20x , q m代17.5000Kg/s ,全部代入得

P =135078.47 巳

因国产差变的系列值为1.0 , 1.6 , 2.5 , 4.0 , 6.0 x 10n，取

P =160000.00 P

③求雷诺数

4gm

ReD=D

4*16.455

= 3.141592654 * 0.100446 * 0.001139

= 183127.498360

④求A2

Re°

A2=厂 2 P i

0.001139* 183127.498360

= 0.100446* .2*135078.47* 677

=0.153548

2.计算初值

①求 1

设：C0=C =0.6060, 0=1

A2

令X1=C0 0=0.2533795413

20.25

X：

又1= 1 X12

=0.4955983337

②求1

因被测介质为液体，所以 1 1

③求C1

C1 =0.5959+0.0312 B 12.1 —0.1840 B 18+0.0029 B 12.5

(106/ReD) 0.75

故C1 =0.5959+0.0312 X ( 0.4955983337 ) 2.1 —0.1840 X

(0.4955983337 ) 8+0.0029 X ( 0.4955983337 ) 2.5 X

(106/183127.498360 ) 0.75

=0.6041653582

因此

1

= A 2 X

1C 1 1

=0.0004648607

④ 精确度判断

所以E

l

A

=0.0030274617

3. 进行迭代计算，设定第二个假定值 X2

A

2

X2= C i i

=0.2541489676

2

0.25

X 2

= 1 X ；

=0.4963047208

2

=1

=0.6041854730

=-0.0000051122

C 2=0.5959+0.0312

2.1 2

—

8 2

+0.0029

尸 106

/R eD

0.75

因此

A ? X 2 C 2

所以

E 2 0.0000332936

4.进行迭代计算，设定第三个假定值

X 3，利用快速收敛弦截法

公式（n=3起用）

X 3

X 2

X 2 X 1

2

2

1

=0.2541405981

=0.0000000001

由于

E

3

=0.0000000005

精确度达到要求

第四章调节阀口径计算

1、 调节阀的选型

在选择调节阀的结构形式时，主要是根据现场被控工艺介质的特 点、工艺生产条件和控制要求等，结合调节阀本身的流量特性和结构 特点来选择。如用于大口径、大流量、低压差或浓浊浆状及悬浮颗粒 物的介质调节时，可选用气动薄膜调节蝶阀；当要求直角连接，介质 为高粘度、含悬浮物和颗粒状介质的调节时，可选用流路简单、阻力 小、易于冲洗的气动薄膜角型调节阀；当调节脱盐水介质时，由于脱 盐水介质中含有低浓度的酸或碱，它们对衬橡胶的蝶阀、隔膜阀有较 大的腐蚀性，因此可选用水处理专用球阀，以延长使用寿命；当要求 阀在小开度时工作，就不应选用双座阀，因双座阀有两个阀芯，其下 阀芯处于流闭状态，稳定性差，易引起阀的振荡。

此外，选用调节阀时，还应考虑调节阀的阀芯型式。阀芯是调节 阀最关键的零件，有直行程阀芯和角行程阀芯两大类。 直行程调节阀 阀芯是垂直节流的，而介质是水平流进流出的，阀腔内流道必然转弯 倒拐，使阀的流路形状如倒“ S ”型，因而存在许多死区，为介质的 沉淀

C s

Xs 1 X 32

0.25

=0.4962970445

0.5959 0.0312 3

8 25 6 0.75

0.1840 3 0.0029 3 10 /R eD

=0 6041852546

因此

3 A 2

X

3C

3 3

所以 E 3

0.0000000005

提供了空间，易造成堵塞。角行程调节阀的阀芯是水平节流的，与介质的进出方向一致，因此易把不干净介质带走，而且流路简单，介质沉淀空间少，故其防堵性能好。

再次，还应考虑调节阀上阀盖的形式和所用的填料。当介质温度为-20~200C时，应选用普通型阀盖；当温度高于200 C时，应选用散热型阀盖；当温度低于-20 C时，应选用长颈型阀盖；在有剧毒、易挥发、易渗透等重要介质的场合，应选用波纹管密封型阀盖。上阀盖填料室中的填料有聚四氟乙烯或石墨填料，前者摩擦系数小，可减少回差，且密封性好；后者使用寿命长，但密封性差。

2、调节阀口径计算

从调节阀的Kv计算到阀的口径确定，一般需经以下步骤：

①计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的QmaX和Qmin.

②阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S（阻力系数），再确定计算压差。

③计算Kv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得Kvmax和Kvmin.

④选用Kv。根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取＞Kvmax且与其最接近的一级C.

⑤调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度〉90% 最小计算流量时的开度玄10%

⑥调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比玄10。

⑦阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C确定。

3、计算数据

调节阀口径计算数据

项目数据备注

位号FE21105

操作压力 1.0 MPa

安装位置200-LS2119

最大流量6000 kg /h

介质原料油雾化蒸汽操作密度 4.21kg/m3

公称直径（DN）200

动力粘度0.01805 MPa.s

工作温度250 r

等熵指数 1.32 cp/cv

计算过程：

（1）计算K v

疋一0。％