润滑油白土精制装置控制系统设计论文

润滑油白土精制装置控制系统设计摘要润滑油料经过溶剂精制、溶剂脱蜡或化学药剂精制后，质量已基本达到要求，但其组成中仍残留有少量的溶剂及一些有害物质。这些物质的存在，就会影响油品的颜色、安定性、抗乳化性等性能，为此还必须再经过一次精制，除去有害物质，以改善上述性能，才能得到合格的润滑油。所以润滑油最后一次精制也很重要。在本文中，对润滑油的精制采用的是传统的白土精制方法，运用PLC控制技术对整个系统进行控制，以最低的成本达到更佳的精制效果。润滑油白土精制过程中，需要控制的部分很多，而在本文设计中，主要对三个设备进行了控制方案设计。1.润滑油和白土进料量的比值控制系统设计。这里采用了变比值控制方案，通过变比值控制器来控制润滑油量和白土量的比例。2.白土加热炉的温度控制系统设计。在这个方案设计中，我采用串级PID控制方案，把压力和温度量进行串级，达到更好的控制效果。3.油水分离罐的液位控制设计，设计中采用单闭环控制方案对液位进行控制。本文还对PID控制器进行了控制算法设计。在控制系统选型中选用了三菱FX2N系列PLC控制设备对整个系统进行控制，PLC控制技术能较好的控制系统的安全稳定运行，并且以最合适的成本达到最佳的控制效果。最后对系统中用到的仪表进行了选型并对整个系统做了预算。关键词：润滑油；白土精制；变比值控制；ControlSystemDesignofClayRefiningforLubricatingOilAbstractLubricatingoilwasrefinedbysolvent,solventde-waxingorchemicalrefining,thequalityhasbeenbasicallymeettherequirements,butitscompositionisstillasmallamountofresidualsolventandanumberofharmfulsubstances.Theexistenceofthesesubstanceswillaffecttheoil'scolor,stability,resistancepropertiessuchasemulsification.Thismustalsogothroughapurificationtoremoveharmfulsubstancestoimprovetheperformanceoflubricatingoil.Therefore,thelasttimeoilrefiningarealsoimportant.Inthisarticle,thewayoftherefinedoilisusedintraditionalclayrefiningmethods,usingPLCcontroltechnologytocontrolthewholesysteminordertoachievebetterresultsatthelowestcost.Attheprocessofoilwhichisrefinedbyclay,therearemanypartstocontrol,andinthisdesign,therearethedesignofthreemaindevices.1.LubricatingoilandtheratioofclayFeedratecontrolsystem.Herecontrolschemeisusedbyavariableratiocontrollertocontrolthroughtheoilvolumeandtheratioofclaycontent.2.Clayfurnacetemperaturecontrolsystem.Inthisdesign,IusecascadePIDcontrolscheme,theamountofpressureandtemperaturewerecascadedtoachievebettercontrolresults.3.Oil-waterseparationtankliquidlevelcontroldesign,thedesignofasingleclosed-loopcontrolschemetocontroltheliquidlevel.ThisisalsoacontrolalgorithmPIDcontrollerdesign.SelectionofthecontrolsystemselectedMitsubishiFX2NSeriesPLCcontroldevicetocontrolthewholesystem,PLCcontroltechnologytobettercontrolthesystemsafeandstableoperation,andthemostappropriatecostcontrolstoachievethebestresults.Finally,thesystemusedtoconducttheselectionofinstrumentsandthebudgettodothewholesystem.Keywords:lubricatingoil;whiteclayrefining;variableratiocontrol;目录摘要 IAbstract II第1章前言 11.1润滑油白土精制装置的发展现状 11.2润滑油白土精制装置在运行中存在的问题 11.2.1安全性能差 11.2.2环境污染严重 11.2.3存在的其它主要缺陷 21.3润滑油白土精制装置控制系统的发展概况 2第2章润滑油白土精制装置工艺介绍 32.1润滑油精制装置的研究现状 32.2润滑油白土精制装置概况及生产原理 52.2.1装置概况 52.2.2白土补充精制的原理目的 52.2.3白土性质 52.2.4生产原理 62.2.5操作的主要因素 72.3装置工艺流程简述 11第3章润滑油白土精制装置控制系统设计 123.1润滑油和白土进料量的控制系统设计 123.1.1概述 123.1.2润滑油和白土进料量的变比值控制系统设计 123.2白土加热炉的温度控制系统设计 143.2.1系统设计概述 143.2.2白土加热炉温度控制系统 143.2.3方案设计 143.2.4PID参数模糊自整定设计 153.3油水分离罐的液位控制系统设计 163.3.1液位控制系统设计的概述 163.3.2数字PID控制器的控制算法 173.4PLC技术在控制系统中的应用 183.4.1PLC的硬件组成 183.4.2FX2N系列PLC控制系统 19第4章控制系统的仪表选型及预算 214.1温度测量仪表选型 214.1.1热电偶测温原理 214.1.2系统的温度测量仪表选型 214.2流量测量仪表选型 224.2.1测量白土流量的仪表选型 224.2.2测量润滑油流量的仪表选型 234.3液位测量仪表选型 244.3.1几种液位计的简单介绍 244.3.2系统的液位计具体选型 244.4控制阀的选型 264.4.1控制阀的简介 264.4.2控制阀的选型 264.5仪表清单及预算 274.5.1仪表清单 274.5.2系统预算 28第5章结论 29参考文献 32谢辞 33第1章前言1.1润滑油白土精制装置的发展现状白土精制是润滑油基础油和组分生产的最后一道工序。我国在60年代以前全部采用白土补充精制工艺。自1970年建成了第一套加氢补充精制装置后，各润滑油生产厂陆续用加氢补充精制替代或部分替代白土补充精制。[1]产品质量及精制效果方面，二者各有千秋，特别是某些特种油品的生产仍必须用白土精制方能满足要求。目前我国各润滑油生产厂中，两种工艺仍处于共存状态。[2]在国外，白土补充精制几乎全部被加氢补充精制所取代。如美国，1990年白土补充精制的能力仅占基础油生产能力的2%。1.2润滑油白土精制装置在运行中存在的问题安全性能差1)动厢式板框压滤机存在的安全隐患滤机饱和后的切换为人工手动切换，[3]操作人员稍不经心，很容易造成蒸发塔与蒸发塔底泵的憋压、损坏；无防喷油挡板，当因误操作造成热油自滤室内喷出时易造成人身伤害事故；[4]在2台滤机均不能进料工作时，只能停掉蒸发塔底泵，含有白土介质的管线、设备会出现堵塞现象。2)混合罐存在的安全隐患混合罐属于敞口容器，含水的白土与油接触极易引起冒罐。[5]由于无防冒罐设施，一旦罐内油品因温度高而突沸时，罐顶没有导油通道，油品四浅而出伤人。缺底部的热电偶测温仪安装不当，指示严重偏低，是油罐突沸的潜在隐患。3)水环式真空泵与抽真空循环水泵振动大水环式真空泵与抽真空循环水泵分别处于四层、二层钢制框架平台上，[6]基础不牢，泵体与钢制框架形成共振现象，泵体振动严重超标，威胁泵的安全运行。环境污染严重1)烟气污染自动压滤机吹扫时所产生的烟气从板渣线返回到滤机房，造成严重的空气污染。2)粉尘污染在水环泵运行时，从排气门口携带出大量的白土粉尘与含土液滴，[7]它们在装置上四处飘散，严重污染空气与设备、地面卫生；尽管采用了负压吸入法加白土，由于加土平台高1.3m，加土困难，在倾倒白土时粉尘污染仍相当严重；白土下料系统的螺旋输送密封效果差，存在的其它主要缺陷白土计量系统的防水性能差，阴雨天故障频繁，精度不高，绝对误差达2kg，使白土加入量不够均匀准确；套管压降大，达到6kg/cm2，限制了流通能力，加快了泵体的磨蚀；加热炉风门为百叶窗式，在正常生产时用风量较小，供风量控制困难，烟气氧含量在10％以上，使炉子效率变低等。[8]1.3润滑油白土精制装置控制系统的发展概况润滑油白土精制装置中白土输送采用负压吸入方式。即用真空泵产生负压，将白土从白土仓库直接吸入白土料斗，避免正压操作造成粉尘飞扬，改善了白土加料的工作环境。[9]润滑油原料换热升温至90℃后与白土进行搅拌混合并加热至180—260℃，进入蒸发塔负压蒸发，蒸发塔底油经换热至130将PLC控制技术和自动化控制应用于润滑油精制工业，发挥了PLC控制系统的巨大作用，考虑到国内的许多生产装置都配有PLC控制系统，[11]为了适应大型化的工业模式，发挥PLC控制的良好应用，可以在控制系统常规控制技术的基础上，投入少量的资金及人力，发展先进的过程控制技术，产生较好的收益，现在先进的控制技术已经相当成熟，正在炼油化工各种工业装置上实施，并取得了极大的经济效益，实现了工业运行的安全可靠。第2章润滑油白土精制装置工艺介绍2.1润滑油精制装置的研究现状国外有许多成熟的润滑油无酸再生工艺，其设计比较先进，采用大型化装置。其设备投资高，不适合我国国情。近年来，我国研究了多种无酸精制装置，包括白土高温精制装置、蒸馏-糠醛精制-白土精制装置、减压全蒸馏-溶剂-白土精制装置、沉降-絮凝-白土精制装置及蒸馏-溶剂精制-白土精制装置等。白土高温精制装置在硫酸-白土精制装置中，一般用明火加热，尽管油温为280～320℃，但火焰温度已在1000℃以上，这种明火的高温会引起润滑油的热裂化，导致黏度和闪点的明显降低，故采用300℃作为更生装置中白土精制的温度上限。但此温度又影响了白土吸附的效果，因此硫酸就成为润滑油更生中不可缺少的精制手段。而无酸污染的白土高温精制工艺，采用了管式炉高温全循环精制，废油、白土、蒸汽三相混输，降低了350～400℃时润滑油的过热裂解现象，同时在高温下以适量白土代替硫酸，真正做到了无酸处理。[13]蒸馏-糠醛精制-白土精制装置蒸馏-糠醛精制-白土精制装置的流程主要包括润滑油的预处理、常压蒸馏、减压蒸馏、降膜蒸馏、润滑油馏分油的糠醛精制和白土补充精制。其中，白土补充精制是糠醛精制的辅助手段。它利用活性白土在较高温度下对油品有脱硫、脱色、去味和脱除杂质的作用，来达到精制油品的目的。对370～450℃馏分经糠醛提取后，抽余油再进行白土精制，其色度和酸值降低。装置中有糠醛精制步骤，所用精制装置设计复杂，投资大，操作要求较高，装置原则上要求连续化生产，与我国润滑油再生现状不大适应。除个别厂家外，难于在国内推广。减压全蒸馏-溶剂-白土精制装置该装置有如下特点：减压蒸馏采用管式炉加热采用的立式圆筒管式炉，热效率较高，加热时间短，油品受热均匀。采用减压闪蒸方法制取馏分根据石油蒸馏性质，当获取同样馏出率所需油品加热温度，平衡蒸发（闪蒸）方法低于具有一些塔板数的真沸点蒸馏，又因废油蒸馏制取馏分，对分馏精确度没有严格要求，故新装置采用干式减压闪蒸方法制取馏分润滑油。减压闪蒸塔设备结构简单、制造容易、操作方便。连续和间歇式装置的组合减压全蒸馏过程为连续进行，各段蒸馏操作为阶段式有机组合。溶剂萃取和白土精制为间歇和阶段式操作，并与蒸馏操作相配合。整个装置各步操作可根据需要随时开停，比较灵活、方便。该装置将乙醇作为主精制装置的溶剂，其效果受乙醇性质的制约，乙醇太强的选择性，使得该装置难于在其溶解能力和选择性上找到一个最佳平衡点，而最终的结果是乙醇并未完全起到溶剂精制的作用，只有在后续步骤中加大白土用量来补偿，由此白土用量增大，润滑油收率下降，成本增加。沉降-絮凝-白土精制装置该张志是用絮凝剂将废油中的碳粒、胶质、沥青质和油泥等凝结，再离心分离除去。装置中所用絮凝剂常为几种表面活性剂混合而成。如非离子表面活性剂常温下游很好的分散作用，而在高温下则起絮凝作用；一些阳离子表面活性剂具有电化学效应，可破坏废油中的乳化水，导致油—水分离。因此絮凝剂用于预处理是很有效的，但不能代替精制。一种絮凝剂往往只对一种废油有效，目前尚无通用絮凝剂。当废油变化时，又需作大量的筛选，重新确定絮凝剂的组成和工艺条件等，同时絮凝剂本身的回收处理也比较困难，故此装置难于推广。我国曾有用絮凝分离法再生ND5型内燃机车柴油机油的报道，采用了平均分子量为1.0×105～2.5×105的有机胺类聚合物COA—3为絮凝剂；并加入化学助剂以增强絮凝剂在废油中的扩散性，有利于杂质微粒的凝聚和沉降；同时加入微量的有机金属络合剂，成为供使用的有机高分子絮凝剂。用絮凝分离法再生后的油指标明显优于硫酸—白土法再生油。蒸馏—溶剂精制—白土精制装置蒸馏—溶剂精制—白土精制装置是中国石油化工总公司润滑油科技情报站经过多年的调研和试验，提出的适合我国国情的润滑油精制装置。蒸馏所用设备为釜式蒸馏装置，主精制中仍用糠醛精制，自行设计了特殊的D—型系列静态混合器—萃取罐系统代替萃取塔。溶剂回收也有特点，用两个釜或蒸馏器代替溶剂回收系统。整个装置设计中，采用新技术将大型生产装置小型化，具有投资回收快的特点。2.2润滑油白土精制装置概况及生产原理装置概况本装置由中国石化北京设计院设计，设计加工能力为8万吨/年，于1995年动土兴建，1997年初完成建设，与糠醛装置为联合装置。白土补充精制的原理目的吸附是一种物质的原子或分子依附于另一种物质表面上的现象。在吸附过程中，能将另一种物质吸附于其表面上的物质为吸附剂，被吸附的物质称为吸附质，吸附过程分物理吸附和化学吸附两类。物理吸附是吸附剂和吸附质之间借分子引力的作用形成吸附，化学吸附是吸附剂和吸附质之间形成吸附化学键。[14]吸附有选择性，极性吸附能优先吸附那些有极性基团的物质。白土是一种多孔性物质，它的表面具有很强的吸附性能，能吸附极性物质，如油中的杂质、胶质、环烷酸、硫化物、残余溶剂等，以提高油品的抗氧化安定性、抗乳化性。从而达到改变油品色泽、降低残炭的目的。白土性质白土有天然白土和活性白土两种。天然白土就是风化的岩石，经采掘、破碎、干燥磨细而制得。活性白土是天然白土经预热、粉碎、酸活化，再经水洗、干燥、粉碎等过程而制得。由于活性白土的脱色能力比天然的白土大4-10倍，因而被工业上广泛采用。活性度是判断白土对极性化合物吸附能力的一个重要指标。活性度越大，吸附能力越强，表明白土质量越好，精制能力越强。白土的吸附能力大小，不仅与活性度有关，而且与其表面和孔隙是否清洁和堵塞有关，与化学组成和颗粒大小有关，有时白土的活性很高，但精制效果并不高。游离酸含量是表明白土在用硫酸活化后，碱中和与水洗程度好坏的指标，要求白土中游离酸含量要低。游离酸的含量高，易造成精制油的酸值增高，腐蚀不合格。白土水洗次数越多，白土游离酸含量越低。粒度表明白土的粉碎程度，粒度太大，白土容易沉降到搅拌器的底部，而不能充分发挥作用，随着白土颗粒的减少，油和白土接触表面增大，精制效果越好，但粒度过小时，白土和油混合易粘糊滤布，过滤困难。[15]白土中的水分也会影响其活性，为此，白土干燥温度不能超过400℃，高于400℃时，白土的活性便开始下降。高于800℃表1.1白土质量指标项目指标水分%不大于8游离度%不大于0.2活性度不大于220粒度（通过0.074mm）不大于90生产原理白土精制从工艺上共分混合吸附、过滤、白土输运三大部分，现对各部分生产原理分述如下：为了充分发挥白土的吸附能力，以最小的白土用量达到所需要的精制深度。首先，要使油和白土充分混合形成糊状物。白土和油的混合是在白土混合罐内进行的，糠醛精制油经换热至75℃左右入混合罐内，白土由白土加料器控制按比例均与加入混合罐内，混合罐内液面控制在1.5-2m之间，灌内有搅拌器，使白土、油充分混合，大约45分钟，白土和油即形成糊状物后，由于原料粘度较大，不利于分子扩散，同时，白土中有部分水，这些都影响白土对油中杂质的吸附。因此，白土和油糊状物需送至白土加热炉中加热，使原料油的粘度减少，分子运动加快，排出白土孔隙中活性表面上的空气和水分，从而增加油与白土活性表面接触的机会。白土与油的糊状物被加热至最佳吸附温度后，进入白土蒸发塔，让白土和油有一定接触时间，这样就能促使原料油内的杂质分子较完全的扩散到白土活性表面上，并被吸附在这个表面上。同时，原料中残余溶剂，轻质馏分，水分白土和油混合后，白土充分吸附油中杂质，吸附完杂质的白土需与油分开，这个分离过程是通过过滤完成的。为保证产品质量，油与白土糊状物经两次过滤。一次过滤为粗滤，二次过滤为细滤。均为间歇操作。白土输送部分为正压输送，输送动力为工业风。白土料斗在混合罐正上方，靠自重压通过白土叶轮给料器加入到混合罐中。操作的主要因素原料中含胶质，沥青质多，粘度太大时，影响过滤，容易造成油与白土混合不均，使白土不能很好发挥吸附作用，不能很好地除掉胶质、沥青质。部分胶质、沥青质附着滤纸上，影响油品通过，另一个方面粘度太大时，油品流动时阻力增加，过滤速度慢，如原料馏分太宽或含溶剂量大，会增加白土处理困难。[16]白土用量应该根据白土吸附性能、原料性质以及产品质量的要求而定，确定的方法主要是通过实验。在一定条件下，白土用量越大，产品质量越好，但白土用量的改变与产品质量的变化不成正比关系。当白土用量增加到一定量后，油品质量的提高就不显著了。一般情况下，随白土用量的增加，油品颜色变浅，酸值降低，抗氧化安全性提高，但白土量过大，容易造成混合不均或因过深精制会把油品中天然抗氧剂少量胶质，沥青质去掉，从而引起油品抗氧化安定性降低。此外，白土用量过多还会给操作带来不利影响：使过滤机负荷加大，降低过滤机的过滤速度；增加循环泵的磨损；还会在加热炉管内沉降，堵塞管线，严重时，炉管局部过热，使油品发生裂化分解结焦。所以，必须根据试验及工厂实践经验确定适合的白土用量。一般合适的白土用量为：中性油2%～3%，汽轮机油5%～8%，压缩机油基础油5%～7%，残渣润滑油10%～15%。白土用量对润滑油质量的影响见表1.2、1.3。表1.2白土用量对产品性质的影响编号白土用量/%粘度/mm2·s-1粘度指数比色酸值/mgKOH·g-1抗氧化性50100杜氏透光率酸值沉渣/%原料油产品-1产品-3产品-312319.1819.2219.2019.135.0397.999.335.69090.391.30.050.0250.0230.0092.422.200.550.320.270.044表1.3白土精制条件对大庆500SN氧化安定性的影响编号123编号123精制条件白土用量/%（重）500SN性质颜色（ASTMD1500）32.062.091.5硫含量/10-6碱氮/10-6旋转氧弹/min（加0.8%T501）665128122—5817862012237表1.2为大庆油减二线馏分，接触温度200℃，接触时间30min,不同白土用量的试验情况。从表中数据可以看出，白土用量增加，油品颜色变浅，酸值降低，抗氧化安全性提高。对减二线油白土用量3%为合适。表1.3为白土精制条件对大庆原油的500SN油料—白土用量除影响产品质量外，还会影响精制油的收率。精制油收率在很大程度上由白土用量及废白土中残留油的多少决定，而与反应过程中生成的轻质油量关系不大。一般情况下，轻质油生成量只占精制油的0.5%～1%（重）。废白土中含油量取决于油品粘度。各种不同粘度油品的含油量如下：油品粘度/（mm2/s）废白土含油量/%50℃50℃100℃随着白土用量的增加，废白土损失的油量就增加，精制油的收率降低。白土和油接触精制的温度，对白土精制效果影响较大。为了达到精制的目的，就要使原料油中有害组分尽快地被吸附在白土活性表面上，吸附速度与所精制原料油的粘度有关。原料油粘度越大，则吸附速度就越慢。加热温度越高，油料的粘度越低，吸附速度就越快，精制效果就好。在实际生产过程中，所选择的加热温度，以使油料的粘度尽量低，且不发生热分解为原则。通常情况下，混合物加热到高于油品闪点20℃左右的温度时，白土的吸附能力达到提高，但此时也接近于润滑油的分解温度，这就限制了温度的进一步提高。一般精制温度宜选在180～320℃之间，对轻质油取温度偏低，对重质油取温度偏高。超过以残渣油为例，在接触时间为30min的情况下，不同精制温度和白土用量对产品质量和收率的影响见表1.4。表1.4精制温度和白土用量对产品质量的影响编号精制条件精制油收率/%产品性质白土用量/%接触温度/℃粘度/mm2·s-1粘度比ν50℃/ν残炭/%折射率n20比色50100杜氏透光率原料油12345678—51015201010105—32032032032024028030030010096.59386.68593939296299.78226.15223.59224.35223.33224.56224.26224.57226.4029.7329.3629.1729.2929.2729.2529.2429.2729.387.737.707.667.667.637.637.677.677.710.40.350.330.270.240.370.360.350.36—1.49451.49461.49401.49411.49421.49421.49411.4943—5811124575—45.256.366.372.6135.644.5051.542.9从表1.4的试验结果可以看出，提高白土接触温度与增加白土用量都能使产品残炭降低，颜色变浅。10%白土，240℃，精制产品的残炭0.37%，收率93%，而5%白土，320由于白土夹带有空气，原料油与白土初始混合时也接触空气，为了防止油品发生氧化反应（尤其在白土的作用下），一般在接触加热前要控制初始混合温度在80℃一般是指在高温下白土与油品的接触时间，即白土与油品在蒸发塔内的停留时间。为了使油品与白土能充分接触，必须保证有一定的吸附和扩散时间，靠使之在蒸发塔内停留来实现。一般在蒸发塔内的停留时间为20～40min。时间太短，白土不能充分发挥作用，而过长的接触时间，会增加油品的氧化，影响产品质量。以大庆原油脱蜡润滑油料为例。表1.5列出了典型的工艺条件及精制油收率。表1.5白土精制工艺与精制油收率油品150SN500SN650SN150BS白土加入量/%白土与油混合温度/℃加热炉出口温度/℃蒸发塔真空度/kPa蒸发塔内停留时间/min一次过滤时间/℃二次过滤温度/℃精制油收率/%废白土渣含油/%2.57021073.3～3016011097～9820～253.08023073.5～3016013096～9725～303.08024073.2～3016013096～9725～30108026573.3～3016014089～9225～30除上述几个因素外，固体粉状白土的输送也是影响装置操作的一个重要因素。进装置的白土采用袋装，其成本高，加料劳动强度大，劳动条件差，污染严重。采用散装白土便可消除上述弊端。散装白土由槽车（火车或汽车）卸至地下储罐，再用压缩风送至料斗或计量罐，再进混合罐，尾气经旋风分离、袋式除尘，以消除污染。白土的输送一般有两种方式，一种是压送式，一种是吸入式。前述即为压送式，是用高于大气压力的压缩空气吹动物料进行输送。吸入式是靠低于大气压力的气流来进行输送，为此应转设抽真空系统。压送式应用较广泛。2.3装置工艺流程简述原料油可由装置原料油泵（P-501/1.2）自装置外抽入装置，经E-502加热至75℃左右送至白土混合罐（D-503/1.2）,或由糠醛精制装置油泵（P-405/1.2）直接送至白土混合罐（D-503/1.2）。白土用工业风将汽车罐车内的白土送入装置内白土贮罐，然后再用工业风将贮罐内白土送至白土料斗（D-502/1.2），经叶轮给料器（IT-501/1.2）连续定量加入白土混合罐内，与原料油在罐内搅拌混合，混合均匀的原料与白土经泵（P-502/1.2）送至白土加热炉（F-501）加热至一定温度送入白土蒸发塔。白土与油进行充分接触。（根据原料性质，必要时在塔下部吹入过热蒸汽）。塔顶油汽和水蒸汽，经冷凝冷却器（EW-501）冷至约40℃至真空罐（D-504）然后自流至馏出油水分离罐（D-507/1）进行油、水沉降分离，水自分水罐（P-507/1）底部排出，排至污水管网。馏出油自馏出油罐（D-507/2）用泵（P-506）间断送出装置。蒸发塔底油由泵（P-503/1.2）抽出，经蒸发塔底油—加热炉进料换热器（E-501/1.2）和原料油换热器（E-502）换热后，经冷却器（EW-502）冷至白土输送部分工艺流程图附图1，润滑油白土精制工艺流程图见附图2。第3章润滑油白土精制装置控制系统设计3.1润滑油和白土进料量的控制系统设计概述在现代工业生产过程中，经常需要两种或两种以上的物料按一定比例混合或进行化学反应，一旦比例失调，轻则会造成产品质量不合格，重则会造成生产事故或发生危险。比值控制的目的，就是为了实现使几种物料混合后符合一定比例关系，使生产能安全有效地正常运行。实现使两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统称为比值控制系统。通常以保持两种或两种以上物料的流量为一定比例关系的系统，称为流量比值控制系统。一般情况下，总是把生产中主要物料定为主物料。在有些场合，是将不可控物料定为主物料，用改变可控物料即从物料来实现它们之间的比值关系。比值控制就是要实现副流量Q2与主流量Q1成一定的比值关系，即(3.1)式中，为副流量与主流量的流量比值。润滑油和白土进料量的变比值控制系统设计流量之间实现一定比例的目的仅仅是保证产品质量的一种手段，而定比值控制的各种方案只考虑如何来实现这种比值关系，而没有考虑成比例的两种物料混合或反应后最终质量是否符合工艺要求。由于工业生产过程的干扰因素很多，当系统中存在着除流量干扰以外的其他干扰（如温度、压力、成分以及反应器中触媒老化等）时，原来设定的比值器参数就不能保证产品的最终质量，需要进行重新设置。但是，这种干扰往往是随机的，且干扰幅度各不相同，无法用人工经常去修正比值系数，因此出现了按照某一工艺指标自动修正流量比值的变比值控制系统。在润滑油白土精制装置中，为保证精制效果，白土的进料量会受到生产过程中的温度、流量、液位的影响。所以为了保证产品的质量，我采用变比值控制系统。我把润滑油量作为主物料Q1，白土量为从物料Q2。润滑油和白土进料量变比值控制系统的方框图如图3.1所示：主控制器主控制器比值控制器控制阀流量特性主对象流量变送器开方器除法器开方器流量控制器流量变送器Q1Q2yR——图3.1润滑油和白土进料量变比值控制系统方框图润滑油和白土进料量变比值控制系统流程图如图3.2所示：图3.2润滑油和白土进料量变比值控制系统流程图3.2白土加热炉的温度控制系统设计系统设计概述混合均匀的原料油与白土经泵送至白土加热炉，加热至一定温度送入白土蒸发塔。白土加热炉的温度高低对原料油的性质影响很大，所以要严格控制加热炉的温度。加热炉是一个非线性的、时变的、分布参数复杂的被控对象。白土加热炉温度控制系统白土加热炉是通过压力调节器和温度调节器控制调节阀来控制燃油的流量，从而达到对炉温的控制。在控制系统中，每一个干扰到被控变量之间都是一条干扰通道。对于该加热炉，主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热值的波动、原料流量的调整或波动、原料入口温度的波动等等。如果对每一个主要干扰都用一个控制系统来克服波动，则整个系统的主要目标（原料的出口温度），肯定能被控制得很好。但实际上，有些量的控制很不方便，而且，这样做整个控制工程的投资将是很大的。实践中，人们探索出一种复杂控制系统，不需要增加太多的仪表即可使被控制量达到较高的控制精度。这就是串级控制系统。从前面的分析可知，该系统的主要问题在于传热过程时间常数很大。串级控制的思想是把时间常数较大的被控对象分解为二个时间常数较小的被控对象。在这个控制系统中，选用炉内的温度作为主控变量，燃料油的压力为副控变量。它能提前反映干扰的作用，增加对这个中间变量的有效控制，即根据炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据炉内温度与给定值之差，进一步控制燃料量，可使整个系统的被控制变量得到较精确的控制。方案设计为了既保证白土加热炉内温度的恒定，又要保证燃料油压力不发生大的波动，我们可以把对压力的调节与对温度的控制结合起来，所以我采用压力调节器与温度调节器控制的串级控制系统。控制流程图如图3.3所示。图3.3串级控制系统控制流程图主控调节器和副控调节器的选择：主控调节器的任务是确保被控参数符合生产要求，凡是需要采用串级控制的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被控量有残余偏差。因此主控调节器总是具有积分作用。为了使系统反映灵敏，动作迅速，应加入微分作用。因此主控调节器采用PID控制。副控调节器的任务是以快速动作抑制作用在副控回路内的扰动，而中间测量点并不要求无差，所以一般都采用比例控制，而且放大倍数都选的很大，以增强副控回路的快速性的抗干扰能力。但当副控调节器的比例系数不能太大时，则应加入积分控制，以保证流量或压力偏离给定值不太大，所以副控调节器采用PI控制。PID参数模糊自整定设计模糊控制有三个基本组成部分：模糊化、模糊决策、精确化计算。其工作过程可以简单地描述为：首先将信息模糊化，然后经过模糊推理规则得到模糊控制输出，再将模糊指令进行精确化计算最终输出控制值。我根据生产实际情况，对PID参数进行了模糊自整定设计。为了白土加热炉温度控制系统在不同误差e(t)对PID参数自整定的要求，利用模糊控制规则对PID参数进行了在线修正。参数模糊自整定PID控制器的设计原理如图3.4所示。PID控制器PID控制器被控对象模糊控制器de(t)e(t)ec(t)r(t)——y(t)图3.4PID模糊控制系统原理图3.3油水分离罐的液位控制系统设计液位控制系统设计的概述塔顶油汽和水蒸汽经冷凝冷却器冷至一定温度后送至油水分离罐进行油水分离。下面对分离罐内的液位进行控制，这里采用单回路PID控制方式即可。液位控制系统的方框图如图3.5所示：液位控制器控制阀液位控制器控制阀分离罐液位测量变送器hsp——e(t)h(t)油水分离罐的液位控制系统的控制流程图如图3.6所示：图3.6油水分离罐的液位控制系统控制流程图数字PID控制器的控制算法液位的控制采用数字PID控制器。PID控制是控制系统中技术比较成熟、应用广泛的一种控制方法。数字PID控制器是将模拟控制系统中硬件PID调节功能移植到计算机控制系统中，采用软件实现PID调节功能。其组成示意图如图所示。图中是设定的液位值，是PID控制器第i次的输出值，即被控对象的输入值，是系统的实际输出值，即第i次实际采样的液位值。数字PID控制示意图如图3.7所示：PIDPID数字控制器Wd(t)控制对象wi(t)ei(t)ui(t)yi(t)—图3.7数字PID控制示意图实现数字PID控制的算法是以微分方程形式表示的PID控制规律离散化，变成适合于计算机计算的差分方程。在液位的测量及控制系统中，用微分方程表示的实现PID调节的理想算式为：(3.3)式中，是PID控制器的输入信号，即调节器的控制量称为控制偏差，其大小为设定值与实际输出值之差，即。由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此，上式中的积分项和微分项不能直接使用，必须进行离散化才可以使用。离散化的算式称为位置式算式，第i次PID输出的位置式算式为：(3.4)由位置是算式可推出增量式算式为：(3.5)(3.6)式中，为PID调节器本次输出值；为PID调节器上次输出值；为调节器本次与上次输出值之偏差；为PID调节器本次控制量的增量，即调节器本次控制量与上次控制量之差；为PID调节器本次控制增量与上次控制增量之差；P为比例系数，设定值，需要边运行边调整；为积分系数，需根据实际情况调整设定值；为微分系数，需根据实际情况调整设定值；T为采样周期。3.4PLC技术在控制系统中的应用PLC的硬件组成PLC的硬件主要由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。对于整体式PLC，所有部件都装在同一机壳内。中央处理单元（CPU）同一般的微机一样，CPU是PLC的核心。PLC中所配置的CPU随机型不同而不同，常用有三类：通用微处理器（如Z80、8086、80286等）、单片微处理器（如8031、8096等）和位片式微处理器(如AMD29W等)。小型PLC大多采用8位通用微处理器和单片微处理器；中型PLC大多采用16位通用微处理器或单片微处理器；大型PLC大多采用高速位片式微处理器。2．存储器存储器主要有两种：一种是可读/写操作的随机存储器RAM，另一种是只读存储器ROM、PROM、EPROM和EEPROM。在PLC中，存储器主要用于存放系统程序、用户程序及工作数据。系统程序是由PLC的制造厂家编写的，和PLC的硬件组成有关，完成系统诊断、命令解释、功能子程序调用管理、逻辑运算、通信及各种参数设定等功能，提供PLC运行的平台。系统程序关系到PLC的性能，而且在PLC使用过程中不会变动，所以是由制造厂家直接固化在只读存储器ROM、PROM或EPROM中，用户不能访问和修改。3．输入/输出单元输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。由于外部输入设备和输出设备所需的信号电平是多种多样的，而PLC内部CPU的处理的信息只能是标准电平，所以I/O接口要实现这种转换。I/O接口一般都具有光电隔离和滤波功能，以提高PLC的抗干扰能力。另外，I/O接口上通常还有状态指示，工作状况直观，便于维护。FX2N系列PLC控制系统(1)硬件配置与I/O分配在控制系统中PLC采用日本三菱公司FX2N，其硬件采用模块化设计，配合了多种特殊功能模块及功能扩展模块，可实现模拟量控制、位置控制等功能。该系列PLC可靠性高，抗干扰强、配置灵活、性价比高。本控制系统中PLC我们选择FX2N—48MR—001型，它与外部设备的连接如图3.8、表3.l所示。PLCPLCFX2N—16AD模块DA模块X10X15测量值Y1Y2～Y5Y6～Y9执行信号图3.8PLCI/O接线图表3.1PLCI/O地址分配表IN编号OUT编号系统开X10越限指标Y1系统关X15数据显示Y2～Y5数据显示片选Y6～Y9（2）流程设计根据控制系统的控制要求，系统的控制流程图如下图3.9所示。初始化初始化判断模块是否正常设定SP测量值与SP比较即（SP—PV）控制阀被控对象测量被控变量PVYN图3.9系统控制流程图第4章控制系统的仪表选型及预算4.1温度测量仪表选型热电偶测温原理热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测量范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象称为热电效应，又称塞贝克效应。闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势和接触电势。温差电势是指同一导体的两端因温度不同而产生的电势，不同的导体具有不同的电子密度，所以它们的温差电势也不一样。接触电势是指两种不同的导体相接触时，因各自的电子密度不同而产生电子扩散，当达到动平衡后所形成的电势，接触电势的大小取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。综合两种电势，在闭合回路中产生的总热电势为：(4.1)式中，T，分别为两个接点的温度，T>；称为塞贝克系数，其值随热电极材料和接点温度而定。当维持一定时，等于常数C，则对于确定的热电偶，其热电势只与温度T成单值函数关系。系统的温度测量仪表选型加热炉中的温度测量仪表要求单一化，以方便安装，而且要求测温反应快，能及时反应炉中实时温度。所以我们选择铠装热电偶作为测量仪表。铠装热电偶的应用：通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用。直接测量各种生产过程中的0℃～1300℃范围内液体，蒸汽和气体介质以及固体的铠装热电偶的特点：·热响应时间少，减小动态误差；·可弯曲安装使用；·测量范围大；·机械强度高，耐压性能好。铠装热电偶的工作原理：铠装热电偶的电极由两根不同导体材质组成。当测量端与参比端存在温差时，就会产生热电势，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。4.2流量测量仪表选型测量白土流量的仪表选型由于在系统要测量的物质为固体，所以我们可以选用冲量式流量计进行测量。冲量式流量计由冲量传感器及显示仪表组成。冲量传感器感受被测介质的冲力，经转换放大输出与质量流量成比例的标准信号。自由下落的固体粉末对检测板——冲板产生冲击力，其垂直分力由机械结构克服而不起作用。其水平分力则作用在冲板轴上，并通过机械结构的作用与反馈测量弹簧产生的力相平衡，水平分力大小可表示为：(4.2)式中，为物料流量；为物料自由下落至冲板的高度；为物料与冲板之间的夹角；为冲板安装角度。转换装置检测冲板轴的位移量，经转换放大后输出与流量相对应的信号。冲量式流量计是应用冲量原理，连续测量在线固体物料流的流量仪表，可显示物料流的瞬时流量和累计流量，流量仪还具有以下功能：自动定量给料控制和超流量报警；具有标准电压和电流输出，可实现微机联网自动控制；具有智能化的特点，可用于集中控制；具有数据在线打印功能，串口输出功能（需另配打印仪）；通过电脑进行数据管理（需另配打印仪）(1)仪表特点仪表本身没有易损件，安装方便，维护量小。检测板上粘附物料不会影响仪表零点和精度，不会出现零点漂移现象。占地空间小，落差高度大于0.5米以上既可安装。流量仪具有线性修正能力。(2)主要技术参数介质温度：≤180℃环境温度：-40℃～90℃精度：2‰～1%输出电流：0/4-20mA,RL＜500Ω输出电压：0/2-10V，RL＞10KΩ允许物料粒重和大小：检测板重量的5%或Φ150mm以下继电器输出：Max250V.2A,DC30V.5A测量润滑油流量的仪表选型由于润滑油中含有粘稠性的物质，所以我们可以选择专用于测量石油化工产品的测量仪表。而涡轮流量计是基于力矩平衡原理，属于速度式流量仪表。传感器具有结构简单、轻巧、精度高、复现性好、反应灵敏，安装维护使用方便等特点，广泛用于石油、化工、冶金、供水、造纸等行业，是流量计量和节能的理想仪表。传感器与显示仪表配套使用，适用于测量封闭管道中无纤维、颗粒等杂质的液体。若与具有特殊功能的显示仪表配套，还可以进行定量控制、超量报警等。选用本产品的防爆型(ExmIIT6),可在有爆炸危险的环境中使用，传感器适用于在工作温度下粘度小于5×10-6m涡轮流量计的技术参数：公称通径：4mm～200mm介质温度：-20℃～+120℃环境温度：-20℃～+50℃输出信号：4～20mA电流信号（外接+24VDC）防爆标志：ExdIIBT6外壳防护等级：IP654.3液位测量仪表选型几种液位计的简单介绍直读式液位计是将指示液位用的玻璃管或特制的玻璃板接于被测容器，根据连通管原理，从玻璃管或玻璃板上的刻度读出液位的高度。直读式液位计结构简单、直观，但只能就地读数，不能远传。浮力式液位计是根据液位变化时，漂浮在液体表面的浮子随之同步移动的原理工作的。这一移动距离通过机构传出或变成气信号或电信号，即可测出液位；也可将浮筒的一部分浸入液体中，并使之不能自由漂浮，则其所受的浮力将随液位或相界面位置而变化，测出此浮力变化即可测出液位。如果将浮筒所受浮力变化，经联杆和扭管传到变送器霍耳元件，并变换成相应的电信号输出，那么经过仪表就可显示或调节相界面。电容式液位仪表的工作原理是把液位的变化，变换成相应电容量的变化，然后测量此电容量的变化从而得到液位变化的。电容式液位仪表用于测量导电、非导电液体或固体物料的液位、料位或相界面位置，可供连续测量和定点监控之用。核辐射液位计是通过放射源发出射线，穿过被测物料后由探测器接收。当物位改变时，由于被测物料的吸收剂量改变，而使探测器接受到的辐射强度改变，再转换为电信号的变化，经放大后送给显示仪表连续显示物位。系统的液位计具体选型系统中的液位计主要是测量油水分离罐的液位值，要求在现场指示即可，并无其它的要求，所以我们可以选择浮筒式液位计作为测量仪表。下面我们及对这一仪表进行介绍。ZY-FT浮筒液位计是根据阿基米德定律和磁藕合原理设计而成的液位测量仪表。并具有指针式现场指示功能。可提供上下限位报警信号输出。

仪表可用于敞口或压力容器的液位和界面测量，特别适用于高温，高压的场合。

ZY-FT浮筒式液位计由四个基本部分组成：浮筒、弹簧、磁钢室和指示器。浸在液体中的浮筒受到向下的重力，向上的浮力和弹簧弹力的复合作用。当这三个力达到平衡时，浮筒就静止在某一位置。当液位发生变化时，浮筒所受浮力相应改变，平衡状态被打破，从而引起弹力变化即弹簧的伸缩，以达到新的平衡。弹簧的伸缩使其与刚性连接的磁钢产生位移。这样，通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。限位开关的仪表即可实现液位信号的报警功能。

仪表可用来测量液位、界位和密度，既可输出4-20mA的标准信号，又可以提供与之对应的HART通讯协议输出。方便的手持通讯器可以在仪表输出的任意一点对仪表进行组态调试。仪表采用了大屏幕LCD显示屏，用以显示过程变量和组态的数据。给仪表标定提供了方便。

由于仪表的测量精度高，稳定性能好，调试方便，标定简单，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、食品等行业。主要技术参数：1、精度等级：0.5％、1.0％；2、输入信号：液位、界位或密度的变化；3、输出信号：模拟量：4－20mADC；

数字量：HART1200波特移频键控（FSK）4、负载能力：350Ω（48VDC供电时可为15Ω）；5、测量范围：300、500、800、1200、1600、2500、3000mm（也可根据用户要求制作）；6、介质比重：0.4－1.4（介质比重差＞0.2）；7、工作压力：1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0MPa；

工作温度：DLC3000系列数字式液位控制

-40—+70

浮筒液位传感器及外筒

-110—+4008、供电电源：24VDC；9、功率：0.5W；10、防护等级：IP66；

隔爆型：ExdIICT6；

本质安全型：ExiaIICT611、连接法兰标准：可参照外形图及安装尺寸图用户如需配其它法兰如：GB、SH、HGJ、ANSI等标准请在订货中说明，如有特殊要求可协商解决；4.4控制阀的选型控制阀的简介控制阀又称调节阀，是工业过程控制中的主要执行单元仪