精馏装置DCS控制系统设计计划书

1 精馏装置 制系统设计计划书 一 精馏装置的工作原理 1 精馏装置的概述 （ 1）精馏的简介 精馏塔是化工生产中分离互溶液体混合物的典型分离设备。它是依据精馏原理对液体进行分离，即在一定压力下，利用互溶液体混合物各组分的沸点或饱和蒸汽压不同，使轻组份（即沸点较低或饱和蒸汽压较高的组分）汽化。经多次部分液相汽化和部分气相冷凝，使气相中的轻组分和液相中的重组分浓度逐渐升高，从而实现分离的目的，满足化工连续化生产的需要。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。维持正常的塔釜温度，可以避免轻组分流失，提高物料的回收率，也可减少残余物料的污染作用。 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。 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。因此，熟悉工艺过程和内在特性 十分重要。 2 （ 2） 精馏原理以及工业流程 精馏操作分为连续精馏和间歇精馏，本设计的研究对象是连续精馏的过程。连续精馏的流程装置如下图所示，其操作过程是：原料液经预热加热到一定温度后，进入精馏塔中的进料板，料液在进料板上与自塔上部下降的回流液体汇合后，在逐板下流，最后流入塔底再沸器中，液体在逐板下降的同时，它与上升的蒸汽在每层塔板上相互接触，同时进行部分汽化和部分冷凝的质量和能量的传递过程。操作时，连续从再沸器中取出的部分液体作为塔底产品，部分液体汽化产生上升蒸汽，从塔底回流入塔内出塔顶蒸汽进入冷凝器中被冷凝成液体，并将部分冷凝液用泵送回塔顶作为回 流液体，其余部分经冷却器后被送出作为塔顶产品。 图 二 控制系统设计 制方案类型 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 3 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）物料平衡控制 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。 （ 4）约束条件控制 为保证精馏塔正常而安全地运行，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液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。所谓液泛限也称气相速度限，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。漏液限也称最小气相上升速度限，当气相上升速度小于某一数值时，将产生塔板漏液，板效率会下降。防止液泛和液漏，可通过塔压降或压差来监视气相速度，一般控制气相速度在液泛附近略小于液泛点较好。 压力限是指塔的操作压力限制，一般是最大操作压力限，就是说塔的操作压力不能过大，否则会影响塔内的汽液平衡，严重超限甚至会影响到安全生产。 临界温差限主要是指再沸器两侧的温差限度，当这一温差高于临界温差时，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。 回路控制系 统简介 单回路控制系统的结构和类型 单回路控制系统又称简单控制系统。是指由一个被控对象，一个检测元件及变送器一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。其方框图如图 2回路控制系统结构简单，易于分析设计，投资少，便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此，在生产过程中得到了广泛的应用。 设计一个控制系统，首先应对被控对做全面的了解。除被控对象的动态特性为，对于手工艺过程，设备等也需要比较深入的了解。在此基础上，确定正确的控制方，包括合理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件 及检测位置，选用恰当的执行器，调节器以及调节器的控制规律等。最后将调节器的参数整定到最佳值 4 图 2单回路控制系统的选用原则主要有： 信号最好是能够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要小； 选择与之有单函数关系的见解参数作为被控变量； 须是独立的变量。变量的数目一般可以用物理化学中的相律关系确定； 须考虑工艺和理性，以及目前仪表的现状能否满足要 求。 馏塔精馏段温度控制系统设计方案 当精馏塔顶采出液作为主要产品时，往往按精馏塔精馏段指标进行控制。采用精馏段指标控制的具体场合有：对塔顶产品成分的要求比对塔底产品成分的要求严格；全部为气相进料；塔底或提馏段温度不能很好反映组分的变化，即组分变化时，提馏段塔板温度变化不显著，或进料含有比塔底产品更重的影响温度和成分关系的重杂质。 通常，精馏段的质量指标选取有两类：直接的产品成分信号和间接的温度信号。采用温度作为间接质量指标，对于二元精馏塔，当塔压恒定时，温度 与成分之间有一一对应的关系，因此，常用温度作为被控变量。对于多元精馏塔。由于石油化工过程中精馏产品大多数是碳氢化合物的同系物，在一定塔压下，温度与成分之间仍有较好的对应关系，误差较小。因此，绝大多数精馏塔精馏段质量控制仍采用温度作为间接指标。 馏段温度控制系统温度检测点选择 5 根据温度检测点的位置不同，有塔顶温度控制、灵敏板温度控制和中温控制等类型。 塔顶温度控制方案对温度检测装置提出较高要求，产品中的杂质影响产品的沸点，造成对温度的扰动，因此，该控制方案很少采用，主要用于石油产品按沸点的粗级切割馏分处理。 采用精馏段灵敏板温度作为被控变量，能够快速反映产品成分的变化。该塔板在扰动正反向变化时具有相接近的较大的增益。但是塔板效率不易准确估计，而且灵敏板位置需通过仿真计算或实测确定。 中温通常指加料板稍上或稍下的塔板，或加料板的温度。采用中温作为被控变量，可以兼顾塔顶和塔底成分，及时发现操作线的变化。但因不能及时反映塔顶或塔底产品的成分，因此，不能用于分离要求较高、进料浓度变化较大的应用场合。 综合比较，本系统采用灵敏板温度作为被控变量比较方便和贴近实际生产情况。 三 精馏塔精馏段温度单回路控制系 统设计 精馏塔有多个被控变量和操作变量，合理的将这些变量配对，并依此设计控制系统有利于精馏塔的平稳操作和塔效率的提高。关于精馏塔控制的三条准则 用物料平衡方式；塔两端产品流量较小时，应作为操作变量去控制两端产品质量；如果两端都进行质量控制时，杂质较多的一端采用物料平衡控制，杂质较少的一端采用能量平衡控制。 如下图 2精馏塔精馏段直接物料平衡控制。该方案的被控变量是精馏段的温度，操纵变量为塔顶出液 D，加热气量不变。优点是物料和能量平衡之间的关联较小，内回流受环境温度影响 小，有利于精馏塔的平稳操作，另外，由于操纵变量是 D，所以，若产品不合格则可以马上停止进料。 图 2馏塔精馏单回路控制图 6 四 计算机控制系统基本介绍 算机控制系统的基本组成 计算机控制系统的基本组成如图所示 ： 接数字控制系统 7 件体系结构 控制站卡件位于控制站机笼内，主要由控制卡、数据转发卡和 I/O 卡件组成。卡件按一定的规则组合在一起，完成信号采集、信号处理、信号输出、控制、计算、通信等功能。总体设计思路如图所示： 8 五 统的配置与说明 制系统总控制图 9 总图能够清晰直观的知道各环节的作用目的： 10 11 （ 1）系统硬件：系统机柜尺寸为 2100 800 600 系统机柜容量为 4个电源模块， 4个 I/2个网络交换机。 （ 2）系统机笼：每个 I/O 机笼有 20个槽位， 2个主控卡槽位， 2个数据转发卡槽位， 16个 I/ （ 3）系统的电源：系统供电需要两路交流供电，冗余配电，其中一路为通过 外一路为市电，通常 源模块给 I/O 机笼供电，为 5V,24 (4)系统操作站硬件： ) 6 路电流输入卡； ) 6 路电压输入卡； ) 4 路热电偶信号输入卡； O） 4路模拟信号输出卡； ) 8 路触点型开入卡； O） 8路晶体管接点开出卡。 （ 5）卡件排布规范： 卡件的配置规范 1 所有卡件的备用通道必须组上空位号，空位号的命名原则如下： 模入点采用“ *” ，描述采用“ 备用” 。 模出点采用“ *” ，描述采用“ 备用” 。 开入点采用“ *” ，描述采用“ 备用” 。 开出点采用“ *” ，描述采用“ 备用” 。 “ *” 中第一位为主控卡地址，第二位为数据转发卡地址，第三位为卡件地址，第四位为通道地址，地址为整数。 2 信号点分配到各控制站遵循如下原则： 同一工段的测点尽量分配在同一控制站。 同一控制回路需要使用到的测点必须分配在同一控制站。 同一联锁条件需要使用到的测点必须分配在 同一控制站。 按照标准测点清单进行信号点分配及测点统计。 条件允许下，在同一个控制站中留有几个空余槽位，为设计更改留余量。 3同一控制站测点的分配遵循如下原则： 模入测点按照测点类型顺序排布。按照温度（ 流量（ 分析（ I 信号 号 号 号 的顺序分配信号点，信号点按字母顺序从小到大排列，不同类型信号之间（温度、压力等）空余 23个位置，填上空位号；配电与不配电信号不要设置到不隔离的相邻端口上，最好放置在不同卡件上。 同一类型卡件尽量放置在同一机笼中。 热备用卡件组在同类型卡件的最后 4 操作站配置 工程师站 30，计算机名为“ ； 普通操作站 31、 132、 133 ， 计算机名为“ 、“ 、“ 。 12 1 信号卡件端子统计表 信号类型 点数 备用点数 卡件型号 卡件数目 配套端子板 端子板数目 模 拟 量 信 号 电流信号 7 5 电压信号输入卡 53 1 电阻信号 29 3 模拟量输出信号 8 0 开 关 量 信 号 开关量输入信号 2 6 +2+1 2 系统规模配置表单 主控卡 数据转发卡 型号 量 2 2 配置 (是 )冗余 （）不冗余 （是）冗余 （）不冗余 3 I/O 卡件布置图 1 2 3 4 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 冗余 冗余 X P 2 4 3 X P 2 4 3 X P 2 3 3 X P 2 3 3 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 4 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 X P 3 1 6 2 3 4 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 冗余 冗余 冗余 冗余 X P 2 4 3 X P 2 4 3 X P 2 3 3 X P 2 3 3 X P 3 1 6 X P 3 1 3 X P 3 1 3 X P 0 0 0 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 2 2 X P 3 6 3 X P 3 6 2 X P X P X P X P X P X P 13 4 点配置清单 测点 信号 属性 卡件配置 序号 位号 描述 I/O 类型 量程 单位 地址 卡件 备注 1 2000000 冗 余 2 2000001 2000002 2000003 2000004 2000005 2000100 2000101 2000102 0 2000103 1 2000104 2 2000105 3 2000200 4 2000201 5 2000202 6 2000203 7 2000204 8 2000205 9 2000300 0 2000301 1 2000302 2 2000303 3 2000304 4 2000305 5 2000400 6 2000401 7 02000402 8 02000403 9 02000404 0 02000405 1 02000500 2 02000501 3 02000502 4 02000503 5 3/h 02000504 6 3/h 02000505 7 3/h 02000600 14 38 3/h 02000601 9 3/h 02000602 0 3/h 02000603 1 3/h 02000604 2 3/h 02000605 3 3/h 02000700 4 3/h 02000701 5 3/h 02000702 6 3/h 02000703 7 3/h 02000704 8 3/h 02000705 9 3/h 02000800 0 3/h 02000801 1 3/h 02000802 2 3/h 02000803 3 3/h 02000804 4 02000900 不 冗 余 55 02000901 6 02000902 7 02000903 8 02001000 9 02001001 0 02001002 1 02001003 2 02001100 3 02001101 4 02001102 5 02001103 6 02001200 7 02001201 8 02001202 9 02001203 0 02001300 1 02001301 2 02001302 3 02001303 4 02001400 5 02001401 6 02001402 7 02001403 8 02001500 9 02001501 0 02001502 15 81 02001503 2 02020000 3 02020100 冗 余 84 02020101 5 02020102 6 02020103 7 02020104 8 02020105 9 02020200 0 ；正输出 02020400 冗 余 91 ；正输出 02020401 2 ；反输出 02020402 3 ；正输出 02020403 4 ；反输出 02020600 5 ；正输出 02020601 6 ；反输出 02020602 7 ；正输出 02020603 8 O;触点型 02020800 冗余 99 O;触点型 02020801 00 O;触点型 02020900 冗余 101 O;触点型 02020901 16 系统组态是指在工程师站上为控制系统设定各项软硬件参数的过程。 （ 1） 用于对 （ 2）系统标准画面组态 系统的标准画面组态是指对系统已定义格式的标准操作画面进行组态，包括总貌画面、趋势曲线、控制分组、数据一览 4种操作画面的组态。 17 总貌画面组态 趋势画面组态 分组画面组态 一览画面组态 下面是总貌画面设置截图：（包括：索引画面和数据总貌） 索引画面： 数据总貌： 一览画面设置截图： 18 分组画面设置截图： 19 （ 3） 统能对 精馏装置 进行重要参数的显示； 应用色彩和闪烁变化及声音表示各种报警信息；根据 精馏塔 制造商对控制的要求及各自运行规范， 也可以实现 对 各自的 回路进行自动调节 。 （ 4） 以班报的形式对所有重要参数进行二小时报表自动打印（打印时间间隔可设定自行）。 （ 5） 以趋势图的形式对 ，并可按操作员要求随时打印 。下面是自己做的组态报表图： 20 （ 6）总流程图 （ 7）总设计截图 21 （ 1）根据设计的 件布置图把相应的卡件插入相应的卡槽。 （ 2）设置地址 主控卡拨号开关状态表 注：主控卡是通过拨号开关 中自左至右代表高位到低位， 即 数据转发卡的跳线表 卡件地址 地址跳线状态（ 冗余跳线 （ 3 1 00 N 01 N ：四对跳线 4， 接为 （ 3）设置跳线 件的跳线 卡件型号 卡件地址 卡件跳线及状态 选择端子板 20000 ( ) 单卡 ( )冗余 ( ) ) ) 其它 20009 ( ) 单卡 ( )冗余 负载能力跳线 ( ) ) ) 其它 20201 ( ) 单卡 ( ) 冗 余 配电跳线 ( ) ) ) 其它 20204 ( ) 单卡 ( )冗余 负载能力跳线 ( ) ) 件地址 拨号开关状态（ 2 4 6 8 02 N 3 N 22 ( ) 其它 20206 ( ) 单卡 ( )冗余 负载能力跳线 ( ) ) ) 其它 20208 ( ) ) ) 其它 20209 ( ) ) ) 其它 实验运行软件，运行界面如图所示： 23 如下是 统的实时监控画面的总的管道流程图，操作人员能够直观的看到管道各个监测点的变化情况仿真图如下： 下面这个画面能够实时的显示出现报警的点，方便控制人员查找问题： 24 数据一览： 25 六 精馏装置的控制说明 馏装置的控制 结合控制方案，得到控制系统方块图如图 4 图 4馏塔单回路控制系统方块图 如图示 4控变量为精馏塔灵敏板的温度。操纵变量为塔顶出液量。 测变送器的 传递函数 在过程控制系统中，检测变送环节对于信息的获取和传送非常重要。在工程上为了提高控制精度，被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。检测变送环节对被控参数作正确测量，并将它转换成标准统一信号输出到调节器或指示记录仪。对于检测变送环节作线性处理后，通常可用一阶加时延特性来描述其传递函数 ,但是考虑到模拟仿真时实现起来的可行性和复杂性，将检测变送器近似成比例环节，精馏塔精馏段单回路控制系统选用的 放大系数假定为 1。则检测变送器的传递函数 GA(s)=1。 行器的传递函数 精馏塔精馏段前馈 动执行机构由膜片，推杆和平衡弹簧等组成，气动薄膜执行机构的静态特性为静态平衡时输入信号 之间的关系即 :L,说明气动执行机构是一个比例环节，放大系数 A,查得 A 和 K 的规格表，取 A 为 280K=14N/以得到放大系数 A=14280=20， Go(s)=20。 26 图 在简化的控制系统方块图中，很容易就能得到： Go(s)= Gv(s) Gc(s)= 2013 2S =1340S , Gc(s)=34 1S . 另外，调节器由于采用 传递函数的确定在后面的反馈调节器参数整定进行。 七 设计时需注意的问题 （ 1） 热电偶选择：因为 精馏塔 温度测量环境的特殊性：流化状态的物料冲刷力强，燃烧产生的流化物氧化腐蚀性强， 因此必须要求热电偶具有耐磨、耐高温、耐冲刷、耐腐蚀的特点。同时热电偶露出炉强的长度也不能太长，一般为 100 150右。本工程采用带不锈钢护套的耐磨热电偶。 （ 2） 电缆形式的选择：能否良好接地和信号屏蔽是 规范要求