精馏塔提馏段的温度控制设计

成绩过程控制仪表课程设计设计题目精馏塔提馏段的温度控制系统学生姓名XX专业班级自动化XXXX班学号XXXXXXXXXXX指导老师XXX2019年XX月XX日《过程控制仪表》课程设计评分标准表姓名：XX学号：XXXXXXXXX设计报告（40分）分析过程/仪表选型合理较合理不合理报告格式规范较规范不规范学习态度好较好差设计仿真（20分）仿真模型合理较合理不合理参数设置/调整合理基本合理有缺陷仿真结果及分析全部完成部分完成失败设计图纸（20分）仪表及选型良合格不合格图纸规范良合格不合格答辩情况（20分）合格基本合格不合格总评1设计报告得分：分；2设计仿真得分：分；3图纸绘制得分：分；4答辩情况得分：分；总分：分。老师签名：2019年12月31日课程设计的最终成绩采取“优秀”、“良好”、“中等”、“及格”和“不及格”五级记分。100-90分（优秀）、89-80（良好）、79-70（中等）、69-60（及格）、低于60（不及格）《过程控制仪表课程设计》任务书课程设计的内容和要求：题目：精馏塔提馏段的温度控制系统一、设计任务、内容（1）熟悉控制系统的工艺流程；（2）选择控制系统各环节仪表，仪表选型及参数的确定，包括检测元件、变送器、调节器、执行器、显示仪表等部分；（3）明确各部分的作用及数学模型，仿真分析系统的控制效果；（4）仪表控制系统及各单元仪表简介；（5）给出仪表系统设计方案，画出各仪表间的配接图。二、设计要求（1）编写过程控制仪表设计说明书。内容包括：控制系统的简单介绍，工艺流程分析；各环节仪表的选型、仪表的工作原理及性能指标；控制系统的仿真分析（Matlab/Simulink）;仪表间的配接说明。（2）绘制工艺流程原理框图。（3）给出系统仪表型号清单。（4）绘制仪表盘电气接线图，端子接线图。三、时间进度安排：2019.11.4.~11.10.布置设计任务，查阅资料2019.11.11~11.17.确定设计方案2019.11.18~12.1.仪表选型、参数计算及仿真2019.12.2.~12.15.绘制仪表盘接线图、撰写设计说明书1目录1.设计任务与要求.......................................................................................................11.1设计任务.........................................................................................................11.2设计要求.........................................................................................................12.系统简介...................................................................................................................13.设计方案及仪表选型...............................................................................................23.1控制方案的确定..............................................................................................23.2系统原理及方框图..........................................................................................33.3仪表选型..........................................................................................................44.系统仿真分析.........................................................................................................105.控制系统仪表配接图及说明.................................................................................136.仪表型号清单.........................................................................................................137.总结.........................................................................................................................14参考文献.....................................................................................................................1411.设计任务与要求1.1设计任务过程控制仪表课程设计，是《自动化仪表与装置》课程中的后续课程，实践教学环节，也是一次全面的专业知识的运用和实践。⑴巩固和深化所学课程的知识：通过课程设计，要求学生初步学会运用本门课程和其它相关课程的基本知识和方法，来解决工程实际中的具体的设计问题，检验学生对本门课程及相关课程内容的掌握的程度，以进一步巩固和深化所学课程的知识。⑵培养学生的设计、实践能力：通过课程设计，从方案选择、设计计算到绘制图纸、编写设计说明书，可以培养学生对工程设计的独立工作能力，树立正确的设计思想，掌握自动控制系统中各环节使用仪表的基本方法和步骤，为以后从事工程设计打下良好的基础。⑶使学生能熟悉和运用设计资料，学会查阅相关文献，如有关国家标准、手册、图册等，以完成作为工程技术人员在工程设计方面所必须的基本训练。1.2设计要求（1）编写过程控制仪表设计说明书。内容包括：控制系统的简单介绍，工艺流程分析；各环节仪表的选型、仪表的工作原理及性能指标；控制系统的仿真分析；仪表间的配接说明。（2）绘制工艺流程原理框图。（3）给出系统仪表型号清单。（4）绘制仪表盘电气接线图，端子接线图。2.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，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。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，其自动控制系统的核心在于品质指标的设定、被控变量和操作变量的选择。在精馏塔的控制系统设计中，应选取馏出产品的质量指标、蒸馏产品的产量指标和蒸馏过程2的能耗指标作为主要控制目标，同时还要考虑其他约束条件。精馏塔是一个典型的多变量控制对象，其调节参数的多种组合可构成多种调节回路，也就有许多调节方案。在设计精馏塔控制系统时应该以产品质量为核心指标，参数的选择和调节应围绕产品质量和安全生产为前提。本文设计的按提馏段指标的精馏塔控制方案，以提馏段温度作为馏出产品质量的间接控制指标，以调节再沸器加热量和冷凝器冷却介质作为主要控制手段。3.设计方案及仪表选型3.1控制方案的确定该方案以精馏塔塔板提馏段温度为被控变量，以加热蒸汽量为操纵变量，构成主闭环控制系统。提馏段温控采用提馏段温度参数作为间接质量指标，由于提馏段温度对馏出产品质量影响权重较大，且提馏段温度和产品质量指标间的容量滞后很小，因而能够较快速地反映提馏段产品情况，具有响应快速、控制及时的特点，其动态过程也能比较快地收敛，液相进料量或进料成分的变化很快影响塔底的成分。提馏段温控的另一个特点是在保持塔底产品质量的前提下，塔顶馏出产品质量也能得到保证，因而这种控制策略在蒸馏塔控制系统中得到了广泛应用。图3.1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。从调节阀动作到温度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3.1所示的简单单回路温度控制系统，控制品质一般不能满足生产需要。3图3.1单回路温度控制本系统为了较好的达到控制目标采，用如图3.2所示的提馏段温串级控制系统，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。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。3.2系统原理及方框图温度串级控制系统。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3.2为系统原理图。4图3.2串级温度控制串级控制系统方框图如图3.3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。给定温度设定值，将温度传感器的值与设定值相比较，把偏差值送入主PID调节器，流量测量的值反馈到副PID调节器，只要主副PID参数设置的合理，就能够使系统达到稳定。图3.3串级控制系统方框图3.3仪表选型3.3.1检测元件本系统检测元件选择铠装热电偶，铠装热电偶具有热响应时间小，可弯曲安装使用，测量范围大，机械强度高，耐压性能好等特点，图3.4为实物图。铠装热电偶主要技术参数：1)精度等级：I级或II级主调节器副调节器调节阀蒸汽管路系统塔底θ流量测量温度测量D2D1—++θrQrQ—52)公称直径：Φ13)弯曲直径：R≥5D4）公称压力：常压测量500℃以上的高温，它可以直接测量各种生产过程中从0℃~800℃范围内的液体、蒸汽和其气体介质以及固体表面的温度，铠装热电偶响应时间T=0.5（秒）。图3.4铠装电偶实物图3.3.2变送器本系统的变送器用于温度的变送和流量的变送，其中的温度变送器，较为常用的有模拟式温度变送器，一体化温度变送器以及智能式温度变送器三种。本系统采用智能式温度变送器中的OHR-M2型热