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1、University of South China过程控制仪表课程设计设计题目： 精馏塔提馏段温度控制系统 姓 名： 班 级： 自动化073班 学 号： 20074460333 指导教师： 2 0 1 0年 12 月 31日1、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。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
2、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。按提馏段指标的控制方案：当塔釜液为主要产品时，常常按提馏段指标控制。如果是液相进料，也常采用这类方案。这是因为在液位相进料时，进料量的变化，首先影响到塔底产品浓度，塔顶或精馏段塔板上的温度不能很好地反映浓度的变化，所以采用提馏段控制温度比较及时。另外如果对釜底出料的成分要求高于塔顶出料，塔顶或精馏段板上温度不能很好反映组分变化和实际操作回流比大于几倍最小回流比时，可采用提馏段控制。提馏段温度是衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸
3、器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。2、设计方案及仪表选型2.1控制方案的确定 图2-1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。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。从调节阀的做到温度发生变化，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。很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图2-1
4、所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。由于存在这些扰动故考虑串级控制系统。加热蒸汽C1进料再沸器塔底部 图2-1精馏塔提馏段单回路温度控制方案串级控制系统（如图2-2）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。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。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
5、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：改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。 对二次扰动有很强的克服能力。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。 图2-2一般闭环串级控制系统2.2控制系统图、方框图本系统为了较好的达到控制目标，采用如图2-3所示的提馏段温度串级控制系统。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
6、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C1的控制，后者根据温度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的影响是很微小的。加热蒸汽QC2C1进料r再沸器塔底部QrQ 图2-3精馏塔提馏段温度控制串级控制系统图串级控制系统方块图如图2-4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。主调节器副调节器调节阀蒸汽管路系统塔底流量测量温度测量D
7、2D1+rQrQ 图2-4提馏段温度串级控制系统框图主参数：塔底物料温度副参数：加热蒸汽流量Q控制量：蒸汽阀开度一次扰动D1：加热蒸汽压力的波动对的扰动。二次扰动D2：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）2.3控制器选择控制器在自动控制系统中起控制作用。它将来自变送器的测量信号与给定值相减以得到偏差信号，然后对偏差信号按一定的控制规律进行运算，运算结果为控制信号，输出至执行器。2.3.1副控制器的作用方向工艺上要求副调节器为反向作用，确定调节器的作用方向，只要看调节器的输入偏差信号变化方向与工艺要求调节
8、器的输出信号的变化方向是否一致，两者方向一致，则调节器为正向作用，两者方向相反，则调节器为反作用2.3.2主控制器的作用方向主调节器的作用方向，应在副调节器的作用确定以后，再根据工艺要求来确定。因为副调节器直接控制执行器，要保证执行器正确动作。在主调节器输入偏差增大（或减小）时，要求主调节的输出信号增大（或减小），因此主调节的作用为正向作用。2.3.3本精馏塔选择正作用主副调节器。本系统中要用到两个调节器，这两个调节器都选用DDZ型电动调节器，具体型号为DTZ2100主要技术指标：输入信号： 15V，DC输入阻抗影响： 0.1%给定方式： 内外给定由开关选择 外给定时红灯亮外给定信号： 420
9、Ma,DC测量信号及给定信号指标：0100%全刻度 误差1%输出信号： 420mA，DC调节形式： 比例+积分+微分 比例带（P）： 2500% 积分时间（I）： 0.012.5分（1） 0.125分 （10） 微分时间（D）： 断；0.0410分负载阻抗： 250750手动切换特性： 自动手动1手动2供电电压： 24V0.5%，DC消耗功率： 光柱不大于10W 表头不大于5W工作条件： 周围环境温度 5400C空气相对湿度 1075% 无腐蚀气体重量： 约6.5公斤接线端子图（见图2-5）+测量信号 15VDC-+外给定信号420mA-输出420mARL地+-电源24VDC图2-5 DDZ型
10、电动调节器DTZ2100接线端子图2.4执行器选择 执行器在控制系统中的作用是接受来自控制器的控制信号，通过其本身开度的变化，从而达到控制流量的目的。精馏塔的回流控制阀应在故障时全开来保证全回流，所以选择气关阀。本系统采用电/气阀门定位器与气动执行机构配套使用来控制阀门开度。如图2-6所示 图2-6阀门定位器与气动调节机构配套使用原理图实际使用如图2-7所示 图2-7配气动薄膜调节阀的电气阀门定位器 动作原理如图 2-7 所示，它按力矩平衡原理动作的，当电流信号通入到力矩马达 1 的线圈 两端时，它与永久磁钢作用后，主杠杆 2 产生一个向右的力，使主杠杆 2 绕支点 13 转动， 挡板 14
11、靠近喷嘴 15，喷嘴背压经放大器 16 放大后，送入到薄膜室 8 的压力增加，使阀杆 向下移动，并带动反馈杆 9 绕支点 4 转动，反馈凸轮 5 也跟着作顺时针方向转动，通过滚轮 10 使付杠杆 7 绕支点 6 转动，并将反馈弹簧 11 拉伸，弹簧 11 对主杠杆 2 的力矩与电流信号 使力矩马达作用在主杠杆上的力矩相平衡时仪表达到平衡状态。此时，一定的电流信号就对应于一定的阀门位置。弹簧 12 是作调整零位用的。 2.4.1执行机构选择选用反作用方式气动薄膜式执行机构，具体型号为5235LA主要技术参数（见表1） 表1 5235LA技术参数型号执行机构尺寸最大输出力供气压力弹簧范围最大行程/
12、回转角度(直行程式)动作允许环境误差5235LA3504315140300 ，20-100，80-200，120-30040/80mm反(RA)作用标准：-10+70度接线端子图（见图2-8） + I0 -420mA气源PO图2-8 阀门定位器5235LA接线端子图2.4.2调节机构选择 调节阀选用直通单座调节阀，器阀体内只有一个阀芯和一个阀座。其特点是结构简单、泄露量小（甚至可以完全切断）和允许压差小。具体型号为ZXP型气动薄膜单座调节阀。主要技术参数（见表2） 表2 ZXP型调节阀参数公称直径（mm）202532405065阀芯直径(mm)101215202532405065额定流量系数（
13、Kv）直线1.82.84.46.91117.627.54469公称压力Pa(Mpa)1.0、1.6、4.0、6.4信号范围Pr（Kpa）20100、40200泄露量C值的0.01%固有可调比 50 50 5050有效面积(cm2)2804006301000调节阀口径的选择应依据计算得到的流量系数KV来选取。2.4.3电气阀门定位器选择 选用ZPD2000系列电气阀门定位器主要技术参数（见表3）表3 ZPD2111型电气阀门定位器参数表型号输入信号（mA.DC）气源压力（Mpa）输出压力（Mpa）执行机构行程范围（mm）耗气量ZPD21114200.140.020.1气动薄膜式10100450L
14、/h2.5温度变送器的选择2.5.1根据测量精度和测量范围等要求，选用K型镍铬-镍硅热电偶为温度传感器，选择KBW-1121为温度变送器。主要技术指标：1、输入信号：最小量程3mV 最大量程80mV（根据配用热电偶而定）2、输出信号：15V d.c 或420mA d.c3、负载电阻：05004、精度：0.5%（量程范围5mV） 1.0%(5mV量程范围3mV5、工作条件：环境温度：540 相对湿度：10%-75% 供电电源：24V10% 周围空气中不含有腐蚀性气体6、功耗：2w表4 KBW型热电偶变送器型号与规格型号测温元件规格（测温范围）单位 0C名称分度号KBW-1121镍铬镍硅K 080
15、0，0120001300，400700200500，600900500800，50013002.5.2接线图（如图2-7）图2-7KBW-1121接线端子图端子1、2为输入，3、4接补偿电阻，5、6为输出，7、8接24V直流电源。2.6流量变送器选择由于需要检测流量的介质为加热蒸汽，所以可以考虑选用靶式流量变送器DBLB矢量靶式流量变送器，在自动调节系统中，主要用于检测，适用于测量一般液体及气体的流量。将被测量值转换为420mA直流信号输出。2.6.1本系统中流量变送器选择为DBLB1505技术参数：1)输出电流：420mA DC 2)负载电阻：250（接线电阻不大于100） 3)基本误差：吊
16、砝码0.54)水标定：2 5)被测介质温度：70，100（用外部水冷）6)工作条件：7)环境温度：-25+608)相对湿度：95 9)工作振动：频率10 55Hz 10)振幅0.15mm（双向） 11)供电电源：DC 24V5 12)消耗功率：6W； 结构形式：现场安装式 13)仪表管接头螺纹：M181.5 14)本安防爆标志：ibBT4；隔爆标志：Exd /BT4 15)型号与规格（如表2）表5 DBLB型靶式流量变送器型号与规格 型号通径Dmm靶径 dmm靶径比=d/D测量可调范围m3/h额定工作压力MpaDBLB1505150750.5080.01001.6600.40100.01602
17、.6.2接线图（如图2-8） 图2-8 DBLB1505接线端子图3、控制系统仪表配接图及说明（见图纸）温度变送器KBW-1121的脚接K型镍铬镍硅热电偶，脚接Cu电阻作为冷端补偿，脚接24V电源，脚接250电阻并接到主调节器DTZ-2100的脚。靶式流量变送器DBLB-1505接到副调节器的脚。主调节器的输出脚接到副调节器的外给定信号脚。副调节器的输出脚接到电气阀门定位器ZPD2111的电流信号输入脚，电气阀门定位器的气压输出信号接到气动薄膜执行机构5235LA的薄膜气室。4、仪表型号清单（见表6）表6 仪表型号清单编号名称个数型号1热电偶1K型镍铬镍硅2温度变送器1KBW-11213流量变送器1DBLB15054DDZ型电动调节器2DTZ21005气动薄膜式执行机构15235LA6直通单座调节阀1ZXP7电气阀门定位器1ZPD21115、参考文献1.张毅，张宝芬，曹丽，彭黎辉.自动检测技术及仪表控制系统M.北京：化学工业出版社，20092.方崇智译.过程控制系统，化学工业出版社，19822.周泽魁.控制仪表与计算机控制装置M.北京：化学工业出版社，20073.金以慧.过程控制M.北京：清华大学出版社，20104.胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，2009
