精馏塔温度控制系统设计

辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：精馏塔温度控制系统设计

院（系）：电气工程学院

专业班级：自动化093

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指导教师：（签字）

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院教研室：自动化

注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘要

随着石油化工的迅速发展，精馏操作的应用越来越广，分流物料的组分越来越多，分离的产品纯度越来越高。采用提馏段温度作为间接质量指标，它能够较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地确保塔底产品的质量达到规定值。所以，在以塔底采出为主要产品、对塔釜成分要求比对馏出液高时，常采用提馏段温度控制方案。由于精馏塔操作受物料平衡和能量平衡的制约，鉴于单回路控制系统无法满足精馏塔这一复杂的、综合性的控制要求，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。

精馏塔的大多数前馈信号采用进料量。当进料量来自上一工序时，除了多塔组成的塔系中可采用均匀控制或串级均匀控制外，还有用于克服进料扰动影响的控制方法前馈—反馈控制。

前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。解决前馈不能控制的不可测干扰。

前馈反馈综合控制在结合二者的优点后，可以提高系统响应速度

关键词：提馏段温度前馈-反馈串级控制

目录

第1章绪论........................................................................................... 错误!未定义书签。第2章控制方案................................................................................... 错误!未定义书签。

2.1 概述 ................................................................................................ 错误!未定义书签。

2.2系统组成的总体结构 (2)

第3章系统仪表选择 (7)

3.1 检测变送器的原理 (7)

3.1.1 温度变送器的选择 (7)

3.1.2 流量变送器的选择 (8)

3.1.3 液位变送器的选择 (9)

3.2 执行器的选择 (10)

3.3 调节器的选择 (10)

3.4 调节器与执行器、检测变送器的选型 (11)

第4章系统仿真 (13)

4.1串级控制系统matlab仿真分析 (13)

4.2液位控制系统仿真分析 (14)

第5章课程设计总结 (16)

参考文献 (17)

第一章绪论

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工厂的产品的质量、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。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求又大多较高。这些都给自动控制带来一定的困难。同时各塔工艺结构特点有千差万别，这需要深入分析特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案设计和研究。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。

按提馏段指标的控制方案：当塔釜液为主要产品时，常常按提馏段指标控制。如果是液相进料，也常采用这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量的变化，首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外如果对釜底出料的成分要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。

第2章课程设计的方案

2.1概述

本次设计主要是综合应用所学知识，设计精馏塔提馏段温度控制系统，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，并初步掌握精馏塔提馏段温度控制系统设计的基本方法。

应用场合: 主要使用于精馏塔提馏段温度控制

①对塔底产品成分的要求比对塔顶产品成分的要求严格

②全部为液相进料

③塔顶或精馏段温度不能很好的反应组成的变化，即组成变化时，精馏段塔板温度变化不显著，或进料含比塔顶产品更轻的影响温度和成分关系的轻杂质。

④采用回流控制时，回流量较大，它的微小变化对产品成分影响不显著，而变化较大又会影响精馏塔平稳操作的场合。

系统功能介绍:影响精馏塔温度不稳定的因素主要是来自外界来的干扰（如进料流量，温度及成分等的变化对温度的影响）。一般情况下精馏塔塔釜的温度，我们是通过控制精馏塔釜内灵敏板的温度来控制的。灵敏板是当外界条件或负荷改变时精馏塔内温度变化最灵敏的一块塔板。以往调节只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节，调节反应慢，时间滞后，对精馏操作而言，产品的纯度很难保证。精馏塔是一个多输入多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制要求大多较高。精馏塔的控制最终目标是：在保证产品质量的前提下，使回收率最高，能耗最小，或使总收益最大。在这个情况为了更好实现精馏的目标就有了提馏段温度控制系统的产生。

2.2.系统组成的总体结构

精馏塔的控制目标应是：在保证产品质量合格的前提下，使塔的总收益（利润）最大或成本最小。具体对一个精馏塔来说，需从四个方面考虑，设置必要的控制系统。

（1）产品质量指标控制

塔顶或塔底产品之一合乎规定的分离纯度，另一端产品成分应维持在规定的范围内。在某些特定的条件下也有要求塔顶和塔底产品均保证一定纯度的要求。

（2）产品产量

符合物料平衡原则，塔顶、塔底的平均采出量应等于平均进料量，而且这两个采出量的变动应该比较缓和，以维持塔的正常平稳操作，以及上下工序的协调工作。为此，必须对冷凝液罐（回流罐）和塔釜液位进行控制，使其介于规定的上、下限之间。

（3）能量平衡控制

应使精馏塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。实现较好的经济性。

（4）约束条件控制

①为保证精馏塔正常而安全稳定地运行，必须使某些操作限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件有气相速度限、最小相速度限、操作压力限和临界温差限等。所谓气相速度限，即塔内气相上升速度过高时，雾沫夹带十分严重，实际上液相将从下面塔板倒流到上面塔板，产生泛液，破坏正常操作。

②最小相速度限，精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。当上升蒸汽速度过低时，上升蒸汽不能托起上层的液相，造成漏液，使板效率下降，精馏操作不能正常进行。

③操作压力限，每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限，精馏塔的操作压力过大，影响塔内的气液平衡，超过这个压力，塔的安全就没有保障。

④临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差低于临界温差时，给热系数会急剧下降，传热量会随之下降，将不能保证塔的正常传热的需要。

2.2.1控制方案的选择

由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。

方案一：提馏段前馈—反馈控制

其P&ID图如下图所示：

图2.1提馏段前馈—反馈控制

精馏塔提馏段温度为主被控变量、再沸器蒸汽流量为副被控变量的串级控制系统和进料量为前馈信号组成的相乘型前馈—反馈控制系统。从前馈原理角度看，反馈信号来自提馏段温度，前馈信号来自进料流量，反馈信号和前馈信号进行相乘运算，运算结果作为再沸器加热蒸汽流量控制器的设定。从比值控制原理角度看，进料流量与加热蒸汽量应保持一定比值关系，当提馏段温度有偏差时应调整该比值。

在前馈-反馈控制回路中，根据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处于关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以01>K v 。

根据工艺条件确定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增加，可确定02>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即：02>K C 。蒸汽量增加，提馏段

温度升高，01>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即01>K C 。

副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器的作用方式不变。

前馈-反馈控制部分的结构框图如图下图所示

图2.2 系统结构框图

方案二：如下图所示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。其P&ID图如下图所示

图2.3 精馏塔提馏段复杂控制系统

蒸汽输入端串级控制系统

串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器，对映的主被控变量为提馏段温度，副被控变量为蒸汽流量。

串级控制部分的结构框图如图下图所示

图2.4 串级控制部分结构框图

在串级控制回路中，根据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处于关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以01>K v 。

根据工艺条件确定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增加，可确定02>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即：02>K C 。蒸汽量增加，提馏段

温度升高，01>K P 。

根据负反馈准则，选反作用控制器，即01>K C 。

副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器的作用方式不变。

通过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，是控制系统性能得到改善，表现在下列方面。

1、抗干扰性强。由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。表现更为突出。

2、及时性好。串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。

3、适应能力强。串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

4、能够更精确控制操纵变量的流量。当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号保持严格的对应关系。采用串级控制系统后，引入流量副回路，使流量测量值与主控制器输出一一对应，从而能够更精确控制操纵变量的流量。

通过采用串级控制系统，塔釜温度控制更加平稳，产品纯度很高，随着控制系统软件和硬件的不断发展和完善，计算机集散型控制系统的应用和普及，精馏塔的分离质量将会越来越好，分离精度也将会越来越高。

第3章系统仪表选择

3.1 检测变送器的原理

检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4-20mA,1-5V,0-10mA电流或电压信号，20-100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号为数字信号。图3-1为检测变送环节的工作原理

图3.1 检测变送环节工作原理图

检测元件和变送器的基本要求是准确、迅速和可靠。准确指检测元件和变送器能正确反映被控或被测变量，误差应小；迅速指能及时反映被控或被测变量的变化；可靠是检测元件和变送器的基本要求，它应能在环境工况下长期稳定运行。

3.1.1 温度变送器的选择

一、温度变送器介绍

SBWR系列热电偶温度变送器是DDZ-S系列仪表中的现场安装式温度变送器单元。它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4～20mA的输出信号。

变送器可以安装于热电偶的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测

温仪表可广泛应用于冶金、石油、化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。

二、特点

1．采用硅橡胶密封结构，因此耐震，耐湿，适合在恶劣现场环境中安装使用。

2．现场安装于热电偶的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去昂贵的补偿导线费用，又提高了信号长

距离传送过程中的抗干扰能力。

3．变送器具有输入端开路指示功能，热电偶温度变送器具有冷端温度自动补偿功能。

4．精度高、功耗低、使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。

5．应用面广，既可与热电偶形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装在检测设备中。

6．智能型温度变送器可使用带HART协议的通讯设备、一台PC机，设置变送器的型号、分度号及被测温度的量程范围。

7．数显型温度变送器可按用户实际需要调整变送器显示屏的显示方向。

三、主要技术指标

输入：热电偶 K型、E型、B型、S型、T型、J型、N型

输出：在量程范围内输出4～20mA直流信号。与热电偶输入的毫伏信号成线性；或与温度信号成线性。

隔离温度变送器，输入与输出相隔离，隔离电压为0.5KV增加抗共模干扰能力，更适合计算机联网使用。

基本误差：*±0.5％FS

传送方式：二线制

显示方式：（数显型）LCD四位显示，热电偶开路时显示E……标志且输出大于20mA。

工作电源：变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。

负载：极限负载电阻按下式计算：RL(max)=50(Vmin-12)

（即24V时，负载电阻可在0～600Ω范围内选择用）额定负载250Ω。

正常工作环境：

a）环境温度－250C～800C（常规型）

－250C～700C（数显型）

b）相对湿度5％～95％

c）机械振动f≤50Hz，振幅< 0.15mm

d）周围空气中不含有对铬、镍镀层、有色金属及其它合金起腐蚀作用的介质。

环境温度影响：≤0.05/10C

3.1.2 流量变送器的选择

本系统选择电磁流量计TI046D，法拉第电磁感应定律指出，导体在磁场中运

动时会产生感应电压。在电磁仪表中，流动介质相当于运动的导体。与流速成比例的感应电压用两个测量电极检出并传送到放大器。流体体积根据管道直径进行计算，恒定磁场由交变极性的开关直流电流产生。工作原理如图3.2所示

图3.2 电磁流量计的测量原理

Ue = B • L • v

Q = A • v

Ue =感应电压

B = 磁感应强度（磁场）

L = 电极间距

V = 流速

Q = 体积流量

A =管道截面积

I = 电流强度

该流量计电源为3-30V的直流电，测量范围0.01 … 10 m / s，输出可选择电流输出或脉冲输出。在本系统中选择电流输出，其大小为4 - 20 mA。

3.1.3 液位变送器的选择

本系统选择YSB型液位变送器，YSB型液位变送器分一体式液位变送器和分体式液位变送器，采用24V直流供电，具有4～20mADC两线制或1～5VDC 三线制标准信号输出。它采用先进的压阻式硅传感器，具有体积小，重量轻，安装、调试和使用方便等优点。广泛试用于：油田、煤油厂、化工厂、水处理厂、水库油井、油罐、水箱、水罐、水处理池、供水池、配水池等无腐蚀性、腐蚀性静态、动态液体的液位测量和控制。

压阻式硅传感器，其敏感部件是由沉积硅制成的惠斯登电桥，桥路电阻沉积在基片上，由于二者材料特性相同，所以漂移极小，非常稳定，且使用激光刻蚀的电阻实现0～＋70℃范围内的整体温度补偿功能并进行校准，无需外部电阻。

3.2 执行器的选择

执行器位于控制回路的最终端，因此，又称为最终元件。执行器直接与被控介质接触，在高低温、高压、腐蚀性、粉尘和爆炸性环境运行时，执行器的选择尤为重要。

控制器的动作是由调节器的输出信号通过各种执行机构来实现的，在由电信号作为控制信号的控制系统中，目前广泛使用的是以下三种控制方式：

1．按动力来源分，有气动和电动两大类；

2．按动作极性分，有正作用和反作用两大类；

3．按动作特性分，有比例和积分两大类。

本系统采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。电动调节阀的型号为QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性强、操作方便等优点。电源为单相220V，控制信号为4-20mA或1-5VDC，输出为4-20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

3.3 调节器的选择

调节器是系统的大脑和指挥中心，是整个控制系统的核心所在，输入信号进入调节器，并且按照调节器的控制规律进行计算，即进行大脑的信号处理，运算处理的结果作为输出信号控制执行机构的动作，完成指挥控制系统的任务。

本系统选择DDZ-Ⅲ型PID调节器。DDZ-Ⅲ型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型工业生产的防爆要求。DDZ-Ⅲ型仪表具有以下主要特点：

（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC 4-20mA，控制室联络信号为DC 1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250 。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-Ⅲ型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图如图3.3,主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC 4-20mA或DC 1-5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。

图3.3 DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器的接线端子图

DTZ-2400仪表技术参数:

1、输入信号： 1～5V.DC

2、内给定信号：1～5V.DC

3、外给定信号：4～20mA.DC

4、调节作用：比例+积分+微分；比例带：2～500%；积分时间：0.01～2.5分；微分时间：0.04～10分（可切除）

5、输入、给定指示表：指示范围：0～100%；误差：±1%

6、输出指示表：指示范围：0～100%；误差：±25%

7、输出信号：4～20mA.DC

3.4 调节器与执行器、检测变送器的选型

调节器、执行器、变送器的控制信号均采用国际标准信号制，即4~20mA直流电流和1~5V直流电压。信号电流和电压的转换电阻为250Ω。

表3.4 器件选型

第4章系统仿真4.1串级控制系统matlab仿真分析

图4.1串行控制系统图

图4.2串行控制系统仿真图

图4.3

图4.4

这里Kc=10 ，Ti=1，D=0采用PID控制器，有仿真图可看出随着P的增大，系统稳定性增强，振荡幅度降低。

4.2液位控制系统仿真分析

图4.5 图4.6 图4.7

图4.8

第5章课程设计总结

在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，或者请教本专业的老师，都得到了解决。

在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。