《过程控制仪表课程设计-精馏塔提馏段温度控制系统》
University of South China
过程控制仪表课程设计
设计题目：精馏塔提馏段温度控制系统姓名：
班级：自动化073班
学号：20074460333
指导教师：
2 0 1 0年12 月31日
1、系统简介
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。
2、设计方案及仪表选型
2.1控制方案的确定
图2-1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θ。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θ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θ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θ。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。
图2-1精馏塔提馏段单回路温度控制方案
串级控制系统（如图2-2）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----双闭环或称双环。
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。
加热 蒸汽
图2-2一般闭环串级控制系统 2.2控制系统图、方框图
本系统为了较好的达到控制目标，采用如图2-3所示的提馏段温度串级控制系统。副调节器QC2根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的给定值则受主调节器θC1的控制，后者根据温度θ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θ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θ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θ的影响是很微小的。
图2-3精馏塔提馏段温度控制串级控制系统图
加热
蒸汽
串级控制系统方块图如图2-4所示，它有俩个闭环系统：副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。
图2-4提馏段温度串级控制系统框图
主参数：塔底物料温度θ
副参数：加热蒸汽流量Q
控制量：蒸汽阀开度
一次扰动D1：加热蒸汽压力的波动对θ的扰动。
二次扰动D2：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）2.3控制器选择
控制器在自动控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。
2.3.1副控制器的作用方向
工艺上要求副调节器为反向作用，确定调节器的作用方向，只要看调节器的输入偏差信号变化方向与工艺要求调节器的输出信号的变化方向是否一致，两者方向一致，则调节器为正向作用，两者方向相反，则调节器为反作用
2.3.2主控制器的作用方向
主调节器的作用方向，应在副调节器的作用确定以后，再根据工艺要求来确定。因为副调节器直接控制执行器，要保证执行器正确动作。在主调节器输入偏差增大（或减小）时，要求主调节的输出信号增大（或减小），因此主调节
的作用为正向作用。
2.3.3本精馏塔选择正作用主副调节器。
本系统中要用到两个调节器，这两个调节器都选用DDZ—Ⅲ型电动调节器，具体型号为DTZ—2100
主要技术指标：
①输入信号：1~5V，DC
②输入阻抗影响：﹤0.1%
③给定方式：内外给定由开关选择
外给定时红灯亮
④外给定信号：4~20Ma,DC
⑤测量信号及给定信号指标：0~100%全刻度误差≤±1%
⑥输出信号：4~20mA，DC
⑦调节形式：比例+积分+微分
比例带（P）：2~500%
积分时间（I）：0.01~2.5分（×1）
0.1~25分（×10）
微分时间（D）：断；0.04~10分
⑧负载阻抗：250Ω~750Ω
⑨手动切换特性：自动?手动1?手动2
⑩供电电压：24V±0.5%，DC
○11消耗功率：光柱不大于10W
表头不大于5W
○12工作条件：周围环境温度5~400C
空气相对湿度10~75%
无腐蚀气体
○13重量：约6.5公斤
○14接线端子图（见图2-5）
图2-5 DDZ—Ⅲ型电动调节器DTZ—2100接线端子图
2.4执行器选择
执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。
精馏塔的回流控制阀应在故障时全开来保证全回流，所以选择气关阀。
本系统采用电/气阀门定位器与气动执行机构配套使用来控制阀门开度。
如图2-6所示
图2-6阀门定位器与气动调节机构配套使用原理图
实际使用如图2-7所示
图2-7配气动薄膜调节阀的电气阀门定位器
动作原理如图2-7所示，它按力矩平衡原理动作的，当电流信号通入到力矩马达1的线圈两端时，它与永久磁钢作用后，主杠杆2产生一个向右的力，使主杠杆2绕支点13转动，挡板14靠近喷嘴15，喷嘴背压经放大器16放大后，送入到薄膜室8的压力增加，使阀杆向下移动，并带动反馈杆9绕支点4转动，反馈凸轮5也跟着作顺时针方向转动，通过滚轮10使付杠杆7绕支点6转动，并将反馈弹簧11拉伸，弹簧11对主杠杆2的力矩与电流信号
使力矩马达作用在主杠杆上的力矩相平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的电流信号就对应于一定的阀门位置。弹簧12是作调整零位用的。
2.4.1执行机构选择
选用反作用方式气动薄膜式执行机构，具体型号为5235LA
主要技术参数（见表1）
表1 5235LA技术参数
接线端子图（见图2-8）
+ I0-
图2-8 阀门定位器5235LA接线端子图
2.4.2调节机构选择
调节阀选用直通单座调节阀，器阀体内只有一个阀芯和一个阀座。其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。具体型号为ZXP型气动薄膜单座调节阀。
主要技术参数（见表2）
表2 ZXP型调节阀参数
调节阀口径的选择应依据计算得到的流量系数K V来选取。
2.4.3电—气阀门定位器选择
选用ZPD—2000系列电—气阀门定位器
主要技术参数（见表3）
表3 ZPD2111型电—气阀门定位器参数表
2.5温度变送器的选择
2.5.1根据测量精度和测量范围等要求，选用K型镍铬-镍硅热电偶为温度传感
器，选择K B W-1121为温度变送器。
主要技术指标：
1、输入信号：最小量程≥3mV
最大量程<80mV（根据配用热电偶而定）
2、输出信号：1～5V d.c 或4～20mA d.c
3、负载电阻：0～500Ω
4、精度：±0.5%（量程范围≥5mV）
±1.0%(5mV量程范围≥3mV
5、工作条件：环境温度：5～40℃
相对湿度：10%-75%
供电电源：24V±10%
周围空气中不含有腐蚀性气体
6、功耗：2w
表4 KBW型热电偶变送器型号与规格
型号测温元件规格（测温范围）
单位0C
名称分度号
KBW-1121 镍铬—镍硅K 0～800℃，0～1200℃
0～1300℃，400～700℃
200～500℃，600～900℃
500～800℃，500～1300℃2.5.2接线图（如图2-7）
图2-7KBW-1121接线端子图
端子1、2为输入，3、4接补偿电阻，5、6为输出，7、8接24V直流电源。
2.6流量变送器选择
由于需要检测流量的介质为加热蒸汽，所以可以考虑选用靶式流量变送器DBLB矢量靶式流量变送器，在自动调节系统中，主要用于检测，适用于测量一般液体及气体的流量。将被测量值转换为4～20mA直流信号输出。
2.6.1本系统中流量变送器选择为DBLB—1505
技术参数：
1)输出电流：4～20mA DC
2)负载电阻：250Ω（接线电阻不大于100Ω）
3)基本误差：吊砝码±0.5％
4)水标定：±2％
5)被测介质温度：≤70℃，≤100℃（用外部水冷）
6)工作条件：
7)环境温度：-25℃～+60℃
8)相对湿度：≤95％
9)工作振动：频率≤10 ～ 55Hz
10)振幅≤0.15mm（双向）
11)供电电源：DC 24V±5％
12)消耗功率：≤6W；结构形式：现场安装式
13)仪表管接头螺纹：M18×1.5
14)本安防爆标志：ibⅡBT4；隔爆标志：Exd Ⅰ/ⅡBT4
15)型号与规格（如表2）
表5 DBLB型靶式流量变送器型号与规格
2.6.2接线图（如图2-8）
图2-8 DBLB—1505接线端子图
3、控制系统仪表配接图及说明（见图纸）
温度变送器KBW-1121的①②脚接K型镍铬—镍硅热电偶，③④脚接Cu电阻作为冷端补偿，⑦⑧脚接24V电源，⑤⑥脚接250Ω电阻并接到主调节器DTZ-2100的①②脚。靶式流量变送器DBLB-1505○+○-接到副调节器的①②脚。主调节器的○13○14输出脚接到副调节器的外给定信号⑦⑧脚。副调节器的输出脚○13○14接到电—气阀门定位器ZPD2111的电流信号输入脚，电—气阀门定位器的气压输出信号接到气动薄膜执行机构5235LA的薄膜气室。
4、仪表型号清单（见表6）
表6 仪表型号清单
编号名称个数型号
1 热电偶 1 K型镍铬—镍硅
2 温度变送器 1 KBW-1121
3 流量变送器 1 DBLB—1505
2 DTZ—2100
4 DDZ—Ⅲ型电动
调节器
1 5235LA
5 气动薄膜式执行
机构
6 直通单座调节阀 1 ZXP
1 ZPD2111
7 电—气阀门定位
器
5、参考文献
[1].张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统[M].北京：
化学工业出版社，2009
[2].方崇智译.过程控制系统，化学工业出版社，1982
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[3].金以慧.过程控制[M].北京：清华大学出版社，2010
[4].胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2009