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工程导论课程设计报告
精馏塔提馏段温度控制系统

时 间     2023年12月
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  2023 年 12 月

1、应用背景
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，它可以较直接地反映提馏段产品的情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达成规定值。所以，在以塔底采出为重要产品、对塔釜成分规定比对馏出液高时，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、综合性的控制规定，设计了基于串级控制的精馏塔提馏段温度控制系统。
2、工艺规定
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，运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。
影响物料平衡因素涉及进料量和进料成分变化，顶部馏出物及底部出料变化；影响能量平衡因素重要涉及进料温度或热焓变化，再沸器加热量和冷凝器冷却量变化，及塔的环境温度变化。采用串级控制系统能有效地去除蒸汽压强的波动对温度的影响。使用超驰控制系统控制釜液输出端，在塔釜温度较低时，塔底不出料只有当温度达成低线以上，液位控制器取代温度控制器以后，才有出料排出。
影响精馏塔温度不稳定的因素重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，调节反映慢，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，对控制规定又大多较高。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，这需要进一步分析特性，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的是：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的就有了提馏段温度控制系统的产生。
3、控制方案构思与制定
精馏塔的控制目的应是：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，设立必要的控制系统。
（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规定塔顶和塔底产品均保证一定纯度的规定。
（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，并且这两个采出量的变动应当比较缓和，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营，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，事实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。
临界温差限重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。
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图如图1所示

图1 精馏塔提馏段复杂控制系统

4、控制机理说明
影响精馏塔提馏段过程的因素是多方面的，而提馏段是在一定物料平衡和能量平衡的基础上进行操作的，因此，分析精馏塔的物料和能量平衡对制定提馏段控制策略至关重要。
4.1物料平衡关系
对提留段内任一塔板j作物料平衡计算，其组分的物料平衡关系为：

式中，表达各层塔板的上升蒸汽量， 为塔板上气相的轻组分浓度，为提留段内各层踏板的下流液体流量，是从快塔板留下的液相中轻组分浓度，B为塔釜采出量，X为塔釜采出物轻组分的浓度。
4.2 能量平衡关系
在稳态时，进入精馏塔的所有能量必然与离开塔的能量相平衡，表达为：

式中，、、分别表达进料量、塔顶采集量和塔釜采出量，为再沸器加热量，为冷凝器冷却量，、、分别为进料、塔顶和塔釜产品的热焓。从平衡方程并结合精馏塔工艺特点，不难看出影响能量平衡的因素为：进料量、进料浓度、进料温度和进料状态、再沸器的加热量、冷凝器冷却量、回流量。
5、系统硬件组成
检测变送器、温度变送器、流量变送器、液位变送器、执行器、调节器
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1 器件选型
调节器
温度传感器
液位传感器
流量变送器
DTZ-2400 DDZ-Ⅲ型PID调节器
PCT/TT系列温度变送器
YSB型液位变送器
电磁流量计TI 046D

6、系统结构图
串级控制部分的结构框图如图2所示

图2 串级控制部分结构框图
本系统釜底液位和温度的超驰控制系统框图如图3所示：

图3 超驰控制系统框图
7、控制算法选择
1、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。整个系统涉及两个控制回路，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，而不涉及在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即涉及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。
在串级控制回路中，根据安全运营准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应处在关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以。
根据工艺条件拟定副被控对象的特性。阀打开，蒸汽量增长，可拟定。
根据负反馈准则，选反作用控制器，即：。蒸汽量增长，提馏段温度升高，。
根据负反馈准则，选反作用控制器，即。
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，串级控制系统增长副控制回路，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长了一个副回路，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，特别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，主调节器可以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）、可以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相应关系。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相应，从而可以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。
2、釜液输出端的超驰控制系统
控制回路中有选择器的控制系统称为选择性控制系统。选择器实现逻辑运算，分别为高选器和低选器两类。高选器（>）输出是其输入信号中的高信号，低选器（<）输出是其输入信号中的低信号。即
高选器 ， ，···
低选器 ， ，···
选择器将逻辑运算规律引入控制算法，极大丰富自动化内容和范围，成为一类基本控制系统结构。
使用选择性控制系统的目的如下：
生产过程中某一工况参数超过安全软限时，用另一个控制回路替代原有控制回路，使工艺过程能安全运营，这类选择性控制系统称为超驰控制系统。
在本系统中，开车时，塔釜温度较低，应保证塔底不出料。因塔底已有液位，经LT和正作用LC控制器，输出升高，但塔温尚低，因此，低设立值的控制器TC2输出较小，被低选器LY选中，用于控制塔底出料，即关闭采出控制阀。只有当温度达成低线以上，液位控制器取代温度控制器以后，才有出料排出。
（1）.选择器类型的选择
1）选择控制阀。根据安全运营准则，选择控制阀为气开阀，。
2）选择被控对象增益。开车时，塔釜温度较低，为保证塔底不出料，应用温度取代液位控制，此时构成一个单闭环温度控制系统。阀门打开，温度减少，Kp1<0；温度超过下限后，液位控制取代温度控制，此时，阀门打液位下降，所以Kp2,<0；
3）拟定正常控制器和取代控制器的正反作用。根据负反馈原则，可拟定Kc1<0,Kc2<0，温度和液位都选择正作用的控制器。
（2）.控制器控制规律的选择
超驰控制系统规定超过安全软限时能迅速切换到取代控制器。因此取代控制器应选择比例度较小的P或PI控制器。
8、参数调试与动态性能仿真
串级控制系统matlab仿真分析

图4 串行控制系统图

图5 串行控制系统仿真图

图6 串行控制系统图

图7串行控制系统仿真图
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，振荡幅度减少。
液位控制系统仿真分析

图8选择性控制系统图

图9选择性控制系统仿真图

图10 选择性控制系统图

图11 选择性控制系统仿真图
这里Kc=200 ，Ti=1，D=0采用PID控制器，有仿真图可看出随着P的增大，系统稳定性下降，振荡幅度增大。