炼油厂常压塔温度控制系统的设计过程控制系统与装置课程设计(论文)

1、 过程控制系统与装置 课程设计（论文）题目：炼油厂常压塔温度控制系统的设计课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：测控技术与仪器学 号 学生姓名 专业班级 课程设计（论文）题目炼油厂常压塔温度控制系统的设计课程设计（论文）任务1.技术要求：测量范围：0-100常压塔控制温度：70±0.5，最大偏差：1一线控制温度：60±0.5，最大偏差：1.32.说明书要求：确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号；确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图

2、；编写设计说明书指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目录第1章 炼油厂常压塔温度控制系统设计的方案11.1 概述11.2过程控制系统方案设计的基本要求11.3常压塔温度控制系统的总体设计2第2章 炼油厂常压塔温度控制系统设计内容32.1精馏塔控制系统的组成与结构32.2主要内容与设计步骤52.2.1 被控参数的选择52.2.2温度变送器的选择62.2.3温度调节器的选择62.2.4执行器的选择72.3一线温度控制系统设计72.3.1一线温度控制的主要内容与仪器选择9第3章 课程设计总结11参考文献12第1章 炼油厂常压塔温度控制系统设计的方案1.1 概述过程控制的对象复杂多样，

3、控制方案和系统结构种类较多。除了简单控制系统以外，还有复杂的控制系统，即串级控制系统、前馈控制系统、大滞后过程控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、分程控制系统、阀位控制系统、选择性控制系统、接耦控制系统，还有计算机控制系统。1.2过程控制系统方案设计的基本要求1.技术要求：测量范围：0-100常压塔控制温度：70±0.5，最大偏差：1一线控制温度：60±0.5，最大偏差：1.32.说明书要求：确定控制方案并绘制原理结构图、方框图；选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号；确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；生产过程对过程控制系统的要求是多种多样的，可简要归

4、纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。安全性是指在整个生产过程中，过程控制系统能够确保人员与设备的安全（并兼顾环境卫生、生态平衡等社会安全性要求），是对过程控制系统最重要、最基本的要求。通常采用参数越限报警、事故报警、联锁保护等措施加以保证。稳定性是过程控制系统保证生产过程正常工作的必要条件。稳定性是指在存在一定扰动的情况下，过程控制系统将工艺参数控制在规定的范围内，维持设备和系统长期稳定运行，使生产过程平稳、持续地进行，同时要求系统具有良好的动态响应特性。经济性是指过程控制系统在提高产品质量、产量的同时，节省原材料，降低能源消耗，提高经济效益与社会效益。采用有效的控制手段对生产过程进行优化控制

5、是满足工业生产对经济性要求不断提高的重要途径。1.3常压塔温度控制系统的总体设计我做的课程设计题目是炼油厂常压塔温度控制系统的设计，常压蒸馏预处理后的原油经加热后送入常压蒸馏装置的初馏塔,蒸馏出大部分轻汽油。初馏塔底原油经加热至360370°C，进入常压蒸馏塔（塔板数3648），该塔的塔顶产物为汽油馏分（又称石脑油），与初馏塔顶的轻汽油一起可作为催化重整原料，或作为石油化工原料，或作为汽油调合组分。常压塔侧线出料进入汽提塔，用水蒸气或再沸器加热,蒸发出轻组分，以控制轻组分含量。一线为即航空煤油，二线为轻柴油馏分，三线为重柴油，塔底产物即常压渣油(即重油)。在石化工业中，许多原料中间产

6、品或粗成品往往是右若干成分组成的混合物，需要经过精馏过程进行分离。精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将各组分分离的过程。精馏塔是精馏过程的关键设备，是过程控制的重要控制对象。总体流程图如下： 图1.1炼油厂常压塔总体流程图第2章 炼油厂常压塔温度控制系统设计内容2.1精馏塔控制系统的组成与结构炼油厂常压塔是一种精馏塔，进入常压塔的油品经过精馏被分离成塔顶汽油，塔底重油，一线航空没有，二线轻柴油，三线重柴油，等三个侧线产品。工艺要求塔顶出口温度应保持在70±0.5，一线温度应保持在60±0.5。图2.1所示的串级温度控制系统是常见的精馏段温度控制方案。分析可以看到：在串

7、级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。图2.1精馏段温度控制系统当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度为衡量质量的间接指标，这时可选精馏段某点温度作为被控参数（间接反应塔顶采出液的纯度），以回流量QL作为被控变量做成单回路控制系统，亦可以组成串级控制系统。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。串级控制系统采用两套检测变送

8、器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。系统的框图如下：图2.2精馏段控制的系统框图图中Gc1(S)为主控制器；Gc2(S)为副控制器；Gv(S)为控制器；Go2(S)为回流量QL；Go1(S)精馏塔的塔板温度。精馏段温度控制系统有如下特点：（1）用精馏段的温度作为间接质量指标，能较迅速、直接的反映提馏段产品质量。在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度

9、要求高于对塔低产品成分的要求时，往往采用精馏段温度控制系统方案。（2）当干扰首先进入精馏段时，例如进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶参数的变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。（3）串级控制系统的流量回路岁回流罐液位与压力、精馏塔内压力等于干扰对回流量的影响有较强的抑制，可实现被控参数的高精度控制。为了抑制其他的干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系统。其中进料量、塔压、塔低采出量与塔顶流出液的控制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能保证塔低产品的质量指标稳定在一定范围内。2.2主要内容与设计步骤2.2.1 被

10、控参数的选择在本课设中，精馏塔是利用混合物各组分挥发度不同，将混合物分离成较纯组分产品或中间产品的设备。精馏过程要求产品达到规定的纯度，并希望在额定生产负荷下，尽可能地节省能源。这样，塔顶馏出物(或塔底残液)的浓度应选作被控参数，因为它最直接地反映了产品的质量。但是，目前对成分的测量尚有一定困难，于是一般采用塔顶(或塔底)温度代替浓度作为被控参数。当选取间接参数作为被控参数时，间接参数必须与直接参数有单值函数关系；间接参数要有足够的灵敏度；同时还应考虑到工艺的合理性等。当选择直接参数有困难时(如缺少获取质量信息的仪表)，可以选择间接参数作为被控参数。其主回路是以精馏段的塔板温度为被控参数，以回

11、流量QL作为控制变量，QL同时也是串级控制系统的副参数。通过正确选择控制参数，构成一个控制性能良好的过程控制系统，可有效地克服扰动的影响。根据过程特性选择控制参数的一般原则是： 选择过程控制通道的放大系数要适当大一些；时间常数要适当小一些；纯时延愈小愈好，在有纯时延的情况下，与之比应小一些(小于1)，若其比值过大，则不利于控制。 选择过程扰动通道的放大系数应尽可能小；时间常数要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量时延愈大，则有利于控制。 广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时问常数比其他时间常数大

12、得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。 注意工艺操作的合理性、经济性。2.2.2温度变送器的选择目前在工业领域被广泛采用的是DDZ-型仪表。由于DDZ-型仪表采用了线性集成电路，进一步提高了仪表在长期运行中的稳定性和可靠性，从而扩大了调节器的功能，易于组成各种变型调节器，更好地满足生产过程自动化的需要。它接受来自变送器或转换器的15VDC测量信号作为输入，与15VDC给定信号进行比较，然后对其偏差进行PID运算，输出420mADC标准统一信号，以实现对工艺变量的控制。温度变送器的选择：炼油厂常压塔温度控制系统，要求温度的测量范围在0-100，且控制温度在（70±0.5），最大偏差为

13、1。针对本系统选用了一体化温度变送器热电阻，型号WZCB,测温范围（-50+100），允许偏差±（0.30±0.005）。它的应用很广通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出420mA，直接测量产生现场存在的液体、蒸汽的气体以及固体表面的温度。热电阻产生的热电势经过温度变送器的电桥长生不平衡信号，经过放大后转换成为420mA的只留电信号给工作仪表，工作仪表便显示出所对应的温度值。他的特点：1、二线制输出420mA，抗干扰能力强；2、节省补偿导线及安装温度变送器费用；3、安全可靠，使用寿命长；4、冷端温度自动补偿，非线性校正电路；2.2.3温度调节器的选择本设计选

14、用的DTZ-2100D/2100G全刻度指示调节器是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型品种，具有价格便宜，高性能的温度控制器。另有计时器可选装 端面形式 96x96mm 模拟输入 1个或2个低阶 输入信号类型热电阻， mA级数字输出，无模拟输出，待定数字输出控制最多2个，精度控制在正负0.5，控制回路最多2个。它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。可对温度、压力、流量、液位压等工艺参数进行自动调节。有边框的盘装结构，可密集安装，也可分散安装。测量信号和给定信号由纵形双针动圈式（或双光柱）表头显示，显示醒止、直观。自

15、动/手动切换采用无触点电子开头,操作方便可靠。输入信号为1-5V，给定方式为内给定1-5V，外给定4-20mA（250±0.1%），输出信号为4-20mA。2.2.4执行器的选择执行器的选择：调节阀的流量特性是流过阀门的流体的相对流量与阀门的相对开度间的关系，相对开度是调节阀某一开度行程与全开行程之比。执行器是由执行过程和调节阀组陈的，而执行机构与正反两种作用，调节阀也有正反两种作用，因而组装成的气动调节阀有气关气开两种形式。无压力信号时阀全开，随着压力信号增大，阀门逐渐关小的气动调节阀为气关式；反之，无压力信号时阀全关，随着压力信号增大，阀门逐渐开大的气动调节阀为气开式。 （a）

16、（b）图2.3（a）气关阀（b）气开阀从生产工艺的安全考虑，一旦控制系统发生故障，要保证人身的安全，炼油厂的精馏塔温度控制系统，不可以让精馏塔处于太低的温度，所以执行器应选择气关阀。本系统选用Valtek公司推出的STARPAC型只能调节阀，与上位机的控制系统的连接用420mA模拟信号，采用数字通信方式进行组态、校准、数据检索与故障诊断等信息传输。 2.3一线温度控制系统设计对于炼油厂常压塔温度控制系统中一线温度的检测，可以用简单控制系统实现，生产过程是按质量指标进行控制，按理应该以直接反应产品质量的变量作为被控参数，但有时由于缺乏检测直接反应产品质量参数的有效手段，无所岁产品质量作为直接检测

17、；所以对炼油厂精馏塔出口产品的检测就转化为对一线温度的检测，蒸馏塔的一线出口温度是被控参数，从而间接检测产品质量。温度变送器TT将采集到的出口温度的信号送入温度控制器TC,控制器通过控制调节阀的开度，进而调节了进入精馏塔的冷凝水的量，从而控制了温度，使之保持在被控参数上。根据过程特性选择控制参数的一般原则是： 选择过程控制通道的放大系数要适当大一些；时间常数要适当小一些；纯时延愈小愈好，在有纯时延的情况下，与之比应小一些(小于1)，若其比值过大，则不利于控制。 选择过程扰动通道的放大系数应尽可能小；时间常数要大；扰动引入系统的位置要远离控制过程(即靠近调节阀)；容量时延愈大，则有利于控制。 广

18、义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成，在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时问常数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。 注意工艺操作的合理性、经济性。简单控制系统由四个基本环节做成，被控对象、测量变送装置、控制器、执行器四个部分的传递函数分别为Go(S),Gm(S),Gc(S),Gv(S)。简单控制系统是最基本的控制系统。约占工业控制系统的80%以上。只有在简单控制系统不能满足生产更高要求的情况下，才用复杂控制系统。单回路控制系统是最基本的控制系统，由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足此系统的控制要求。所以本套系统

19、可采用简单的单回路控制。系统的流程图如下： 图2.4一线温度控制系统在熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标之后可以建立被控过程的数学模型，被控过程的虎穴模型是控制系统分析和设计的基础，在控制系统设计中，首先要解决如何用恰当数学模型来描述被控过程的动态特性。控制方案包括控制方式选定和系统组成的结果确定，是过程控制系统设计的关键步骤。控制方案的确定既要依据被控过程的工艺特点、动态特性、技术要求与性能指标，还要考虑控制方案的安全性、经济性和技术实施的可行性、使用与维护的简单性等因素；进行反复比较与综合评价，最终确定合理的控制方案。然后要根据控制方案与过程特性、工艺要求等选择合适的传感器、变送

20、控制器与执行器。 图2.5一线温度控制系统框图2.3.1一线温度控制的主要内容与仪器选择温度变送器的选择：检测仪表种类繁多，针对生产过程中不同的参数、不同的工作条件不同的功能等要求，相应的检测方法及仪表的结构原理不同。在本次课设中选用热电阻测量温度，就是利用热电阻把被测温度转换成电阻信号，在利用电桥转换成电压信号，在放大转换成电流信号输出，并推出指示电路显示温度值。所以检测仪表有一套通用的评价指标。温度变送器的选择同精馏段选用同型号的变送器，选用了一体化温度变送器热电阻，型号WZCB,测温范围（-50+100），允许偏差±（0.30±0.005）。它的应用很广通常和显示仪表

21、、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出420mA，直接测量产生现场存在的液体、蒸汽的气体以及固体表面的温度。热电阻产生的热电势经过温度变送器的电桥长生不平衡信号，经过放大后转换成为420mA的只留电信号给工作仪表，工作仪表便显示出所对应的温度值控制器的选择：由于DDZ-型仪表采用了线性集成电路，进一步提高了仪表在长期运行中的稳定性和可靠性，从而扩大了调节器的功能，易于组成各种变型调节器，更好地满足生产过程自动化的需要的要求。在一线的温度检测与控制系统中还是选用DDZ-型仪表。XM 系列数字式显示调节仪按国家标准生产，采用了新颖，独特的线路设计，独创的结构形式。使其结构和线路非常简单，因此可靠性

22、高，抗震性好，耗电量小，寿命长，使用简单，维修方便。 其特点为：使用了20mm（ 0.8 英寸）或 12.5mm（ 0.5 英寸）数码显示，读数清晰、无视差、精度高、观察方便、测温灵敏、稳定性好、抗震性强、抗干扰性好等优点。适用于工业过程多种参数测量和控制系统，可以与热电阻配合使用，用数字直接显示被测物理量。 主要技术指标 1. 基本误差：± 0.5 FS （ FS 为满量程） 2. 分辨率：± 200 以下为 0.1 ，± 200 ° C 以上为 1 3. 零点漂移：一小时内零点漂移小于基本误差的五分之一 4. 连续运行：仪表 24 小时连续工作后，其

23、误差仍小于基本误差5. 功耗：小于 5W调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影响是很大的。从保征过程控制质量来看，在系统设计中，除了选择调节阀的类型外，还应包括下面内容：在过程控制系统设计中，调节阀、必须很好地选择，在正常工况下要求调节阀开度处于1518之间。因为调节阀口径选得过小，当系统受到较大扰动时，调节阀可能运行在全开时的非线性饱和工作状态，会使系统产生暂时失控；调节阀口径选得过大，系统运行中阀门会经常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座的严重冲蚀，在不平衡力作用下易产生振荡现象，甚至引起调节阀失灵。确定调节阀气开、气关的原则是当调节器输出信号为零(或气源中断)时应使生产处于安全状态。在实际工作中，调节阀流量特性的选用是很重要的。从控制理论来看，为了保证一个过程控制系统在整个工作范围内具有良好的品质，应使系统总的放大倍数尽可能保持不变。通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此，往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。对数(等百分比)流量特性调节阀得到广泛应用的原因就在于此。第3章 课程设计总结经过这几年的大学生活，我们接触并