基于DCS的二元精馏过程控制系统设计.docx
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基于DCS的二元精馏过程控制系统设计
摘要
精馏是一种利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法,是工业上应用最广的液体混合物分离操作,广泛用于石油、化工、轻工、食品、冶金等部门。
精馏的目的是利用混合液中各组分具有不同的挥发度,将各组分分离并达到规定的纯度要求。
本文主要围绕精馏过程的DCS控制系统设计,选取了丁醇塔为研究对象,在分析其工艺流程和系统构成的基础上,结合实际系统,进行了以下研究:
1、分析了精馏过程的影响因素和扰动变量,并结合实际情况,详细设计了精馏过程的控制方案,包括串级控制、分程控制等。
2、利用浙大中控JX-300X.DCS软硬件资源,根据装置的I/O点统计和功能需求,进行集散系统的选型和控制系统设计,并阐述了集散控制系统的控制站组态、操作站组态等。
3、针对系统控制功能实现的技术方法进行了分析,证明了DCS系统在精馏过程中控制的有效性。
针对精馏塔塔釜温度控制,提出了改进控制方案,即Smith预估补偿控制。
本文设计的精馏过程DCS控制系统是一种新型有效的系统,达到了设计要求。
关键词:
精馏塔,集散控制系统,串级控制,Smith预估补偿控制
Abstract
Distillationisamethodthatmakesliquidmixtureobtaintheseparationofhighpuritybyreturning,isthemostwidelyusedseparationofliquidmixtureoperationinindustry,widelyusedinpetroleum,chemicalindustry,lightindustry,food,metallurgyandothersectors.Thepurposeofdistillationistomakethecomponentsseparateandachievetherequiredpurityrequirements,usetheirdifferentvolatility.
Inthispaper,IfocusedonthedistillationprocesscontrolledbyDCS,selectedbutylalcoholtowerastheobjectofresearching.Basedontheanalysisofitsprocess,systemstructureandtheactualcontrolsystem,Iconductedthefollowingstudies:
1,Ianalyzedtheimpactoffactorsanddisturbancevariablesindistillationprocess,andbasedontheactualsituation,designedthedistillationprocesscontrolsystem,includingcascadecontrol,splitcontrolandsoon.
2,IusedSUPCONJX-300X.DCShardwareandsoftwareresources,basedonthedeviceI/Opointstatisticsandfunctionalrequirements,selectedthedistributionsystem,designedthecontrolsystem,thendescribedtheconfigurationofdistributedcontrolsystem,controlstation,operatorstationconfigurationandsoon.
3,Basedonthemethodsofimplementingsystemcontrolfunctions,IdemonstratedtheeffectivenessofDCSsystemtocontrolthedistillationprocess.Focusedonthetemperaturecontrolofdistillationreactor,Iproposedanimprovingcontrolscheme,whichisSmithPredictorcontrol.
ThedistillationprocessDCScontrolsystemIdesignedisaneweffectivesystem,thedesignrequirementswereachieved.
Keywords:
distillationcolumn;distributedcontrolsystem;cascadecontrol;SmithPredictorControl
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第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
丁辛醇是随着石油化工、聚氯乙烯材料工业以及羰基合成工业技术的发展而迅速发展起来的。
近年,随着下游市场需求的快速增长及羰基醇新建装置的增多,我国异丁醇的生产能力不断增加。
在国际丁/辛醇市场火爆的情况下,国内羰基醇生产装置通过优化,或调节装置正异构比的方法,均力争多产正丁醛,而异丁醇生产原料异丁醛的产量较少,同时国内新戊二醇的生产又占用了一定比例的异丁醛原料,因此异丁醇原料处于严重供不应求状态。
随着我国化工行业的快速发展,国内原料供应难以自给自足的矛盾日益明显。
可见,丁醇塔控制系统的处理能力和安全稳定性对石油化工的有着重大而深远的意义。
在这里,采用DCS系统实现丁醇塔精馏系统的控制,有利于提高丁醇塔的产品质量和产量。
随着现代化工的飞速发展,生产规模的不断扩大,工艺过程越趋复杂,对工艺流程前后工序相互关联紧密,充分利用能源等提出的要求,DCS控制系统已发展为过程控制的主流。
它在工业过程控制领域发挥了越来越重要的作用,广泛应用于各种行业的生产过程中。
生产设备自动化程度的提高,有利于降低工厂成本、促进生产线的柔性化和集成化,有利于提高产品的产量、质量以及产品的竞争力。
从某种意义上说,DCS控制技术为我们创造了不可忽视的经济效益和社会效益。
DCS的实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型技术,它是由计算机技术,信号处理技术,测量控制技术,通信网络技术,人机接口技术相互渗透发展而产生的,既不同于分散的仪表控制系统,又不同集中式的计算机控制系统,它吸收了两者的优点,是在它们基础上发展起来的一门系统工程技术,有很强的生命力和优越性。
DCS应用是为了优化操作,提高操作水平和自动化程度,它跟常规仪表相比有以下的好处:
(1)系统操作方便,人机联系好,便于集中管理;
(2)系统扩展灵活;
(3)系统安全可靠;
(4)系统优越。
1.2本课题的主要研究内容
本课题的主要内容是熟悉二元精馏的工艺流程,了解二元精馏塔的特性和结构及其工艺计算,结合以前所学的知识,认真学习测控仪表教材,了解二元精馏系统流程仪表的位号和特点,仔细研究二元精馏的工艺流程图,熟悉二元精馏的工艺流程,依此设计相应的一套相对完整的控制方案,使系统能对二元精馏的工艺过程进行有效的监控。
学习并设计DCS系统,使系统具有工艺流程显示画面,报表,报警,参数修改、调节等功能。
本系统应操作简单,便于工作人员操作,功能齐全,使上述功能完整的应用于现场,使之能对二元精馏系统各变量进行有效实时监控。
设计的二元精馏系统应稳定改善产品质量,提高产量,优化操作,降低能耗,使系统更加平稳有效的运行。
第2章精馏过程的控制分析
2.1精馏过程的工艺流程简介
本设计以C12深加工装置中丁醇分馏段为背景,C12经脱焦加氢生成醇类再经过丁醇塔分馏得到正—异丁醇。
本流程是利用精馏方法,在丁醇塔中将丁醇从塔釜混合物中分离出来。
精馏是将液体混合物部分气化,利用其中各组分相对挥发度的不同,通过液相和气相间的质量传递来实现对混合物分离。
本装置中将丁醇塔釜混合物部分气化,由于丁醇的沸点较高,,又C5C6等中间馏分与C4的沸点相近,不易挥发,故采用负压精馏,泡点进料与蒸汽加热。
经气化的蒸汽冷凝,可得到丁醇组成高于原料的混合物,经过多次气化冷凝,即可达到分离混合物中丁醇的目的。
原料为117.5℃丁醇塔的釜液(主要有C4、C5、C6、C7、C8、重组分等),由丁醇塔的第16块板进料(全塔共32块板),进料量由流量控制器控制。
灵敏板温度由温度调节器通过调节再沸器加热蒸汽的流量来控制提馏段灵敏板温度,从而控制丁醇的分离质量。
丁醇塔塔釜液(主要为C5以上馏分)一部分作为产品采出,一部分经再沸器部分汽化为蒸汽从塔釜上升。
塔釜的液位和塔釜产品采出量由液位和流量组成的串级控制器控制。
再沸器采用蒸汽加热。
塔釜液位由液位控制器调节釜部采出量控制。
塔顶的上升蒸汽(C4馏分和少量C5馏分)经塔顶冷凝器全部冷凝成液体,该冷凝液靠液位差流入回流罐。
塔顶压力采用分程控制:
在正常的压力波动下,通过调节塔顶冷凝器的冷却水量来调节压力,当压力超高时,压力报警系统发出报警信号,流量控制器调节塔顶至回流罐的排气量来控制塔顶压力调节气相出料。
操作压力,高压控制器将调节回流罐的气相排放量,来控制塔内压力稳定。
冷凝器以冷却水为载热体。
回流罐液位由液位控制器调节塔顶产品采出量来维持恒定。
回流罐中的液体一部分作为塔顶产品送下一工序,另一部分液体由回流泵送回塔顶作为回流,回流量由流量控制器控制。
2.2精馏过程的控制需求分析
精馏塔的控制是从物料平衡、热量平衡、相平衡及精馏塔的性能等几个方面考虑的,通过控制系统建立并调节塔的操作条件,使精馏塔满足分离要求。
精馏塔控制的典型参数中,有六个流量参数:
进料量、塔顶和塔釜产品流量、冷凝量、蒸发量和回流量。
此外,还有压力、塔釜液位、回流罐液位、塔顶产品组成和塔釜产品组成等参数。
压力和液位控制是为建立塔稳定操作提供条件。
液位恒定阻止了液位积累,压力恒定阻止了气体积累。
对于一个连续系统,若不阻止积累就不可能取得稳态操作,也就不可能稳定。
压力是精馏塔操作的主要控制参数,压力除影响气体积累外,还影响冷凝、蒸发、温度、组成、相对挥发度等塔内发生的几乎所有过程。
产品组成控制可以直接使用产品组成测定值,也可以采用代表产品组成的物性,如密度、蒸汽压,最常用的是采用灵敏点温度。
1.压力控制
精馏塔对压力的平衡要求很严格。
一旦压力大幅度波动,塔釜液位、回流液位紧跟着波动,进而影响到物料平衡、热量平衡、相平衡三大平衡,从而使整个操作系统处于不平稳状态,影响到产品质量及产量。
例如从提高产品质量来说,压力越高,沸点越接近,气液两相越难分离,显然降低压力可以提高产品质量。
但降低操作压力是以增加冷却介质的用量或降低冷却介质温度为前提的,因此降低操作压力是有限度的。
由此可见,压力控制对精馏塔的操纵有主导作用。
一般情况下,冷却介质、加热介质的温度、压力、流量都会影响到压力的平稳,因此可以根据控制要求选择其中之一作为操纵变量来控制精馏塔的操作压力。
2.液位控制
(1)塔釜液位控制:
塔釜液位既不能空也不能满,塔釜液位满,容易淹住返塔口,照成热虹吸效果差,影响重沸器换热效果。
塔釜液位空,易造成再沸器内液体液化气蒸干,蒸干后,再有液化气下到再沸器,马上急剧汽化,冲塔造成整个塔的操作全部混乱。
塔釜液化气主要受塔釜产品产出量、塔压力、塔釜温度等影响,可根据造成塔釜液位变化的原因进行调节。
一般塔釜液位用塔釜产品采出量进行控制。
(2)回流罐液位控制:
回流罐液位既不能满更不能空。
回流罐空,造成回流泵抽空停泵,则全塔停工。
回流罐满,造成塔内气相介质无法冷却,使得塔内压力急剧上升,易造成安全阀起跳或全塔操作混乱。
影响回流罐液位的因素有塔顶产品产出量、压力、釜温、顶温、回流量等。
一般回流罐液位用釜温或塔顶产品产出量进行控制。
3.流量控制
精馏塔操作控制中有六个流量参数:
进料量、塔顶和塔釜采品流量、冷凝量、蒸发量和回流量。
而流量的波动又会影响到压力的平稳,所以精馏塔的流量控制是必不可少的。
但是,并不是说所有的流量都要控制,不同的控制方案选择的控制流量参数也不同,精馏塔的控制一般包括物料平衡控制方案和热量平衡控制方案,可以根据所选择的控制方案来选择需要控制的流量参数。
4.温度控制
温度控制是最常用的产品组成控制手段。
温度控制的前提是控制温度能正确反应其组成的变化。
若温度控制不能与组成很好关联,或对组成变化反应不灵敏,则温度控制将失去作用,因此,一般采用提馏段灵敏板温度作为主参数,以实现对塔的间接分离质量控制。
根据这些控制需求,我们将详细的设计合理的控制方案。
第3章精馏过程的控制方案设计
在精馏塔结构一定时,可通过增加回流比来达到产品要求,但是很少采用这种方法控制。
而通过改变物料平衡分配控制,较改变回流比控制灵敏几倍,因此,在这里对于精馏系统采用物料平衡控制。
物料平衡控制方案是精馏塔最常用的控制方案。
此控制方案通过调节进出塔的物料流量控制产品组成、回流量或加热量作为自由变量。
对于物料平衡控制,进料和两个产品流量只能固定一个作为自由流。
那是因为若进料和其中一个产品固定,则另一产品必然是它们之差,否则将产生积累,这样就变成了产品组成控制。
下面,我们将联系上一章阐述的控制需求,采用物料平衡控制,设计控制方案。
3.1精馏塔塔顶压力控制方案设计
压力点取在丁醇塔塔顶出口管线上。
该丁醇塔采用热旁路控制压力,为了扩大调节阀的可调范围,并满足工艺操作的特殊要求,采用了分程控制,分程控制就是用一个调节器同时控制两个或两个以上执行机构的控制系统。
两个调节阀分别为热旁路调节阀和回流罐上的不凝气放空阀。
两个调节阀工作区间输出为:
当调节器输出信号是0%~50%时,PV-1-1由全开到全关,这时PV-1-2全开;当调节器输出信号是50%~100%时PV-1-1全关,PV-1-2由全关到全开(阀PV-1-1和PV-1-2的位置如图3-2所示)。
分程控制的方框图如图3-1所示:
考虑调节阀的分程区间信号对分程控制系统的影响。
分程控制系统的改造有两种方法可供选择:
①取消分程控制:
在回流罐上增设压力变送器口,并增设调节器,用于直接控制调节阀PV-101-2。
②改变调节器输出信号的区域:
即调节器输出信号的0到45%用于调节热旁路调节阀PV-101-1,PV-101-2在此区域关闭;调节器输出信号的55%到100%用于调节PV-101-2,PV-101-1在此区域关闭;中间的信号区域45%到55%对PV-101-1、PV-101-2均不起作用(阀PV-1-1和PV-1-2的位置如图3-2所示)。
方法②改造工作简单、投资少,因此,在实际生产中得到广泛应用。
塔顶压力控制方案如图3-2所示:
图3-2塔顶压力控制方案示意图
3.2精馏塔塔釜和回流罐液位控制方案设计
(1)塔釜液位控制方案:
丁醇塔塔釜液位控制回路是单回路,由精馏塔塔釜的产品采出量来控制,保持恒定。
被控变量为精馏塔塔釜液位,操纵变量为精馏塔塔釜产品采出量。
当塔釜液位变化时,液位传感器测量到液位值并将其变送到控制器,与设定值比较。
控制器根据差值发出控制信号,控制阀的开度,改变塔釜采出量,以此维持塔釜液位在设定数值。
由于塔釜液位的变化不快,采用单回路控制滞后不大,完全可以达到控制要求。
其控制方案示意图由图3-3所示。
(2)回流罐液位控制方案:
本文采用单回路控制,由塔顶采出量来控制回流罐液位。
当回流罐液位变化时,液位传感器测量到液位值并将其变送到控制器,与设定值比较。
控制器根据差值发出控制信号,控制阀的开度,改变塔顶采出量,以此维持回流罐液位在设定数值。
回流罐液位控制方案如图3-3所示。
图3-3塔釜和回流罐液位控制方案示意图
3.3精馏塔塔釜温度控制方案设计
精馏塔温度控制选取塔釜灵敏板温度作为被控变量,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。
如果只是采用灵敏板温度调节器单一回路调节,凋节反应慢,时间滞后,对精馏操作而言,产品的纯度很难保证。
本文设计了两种串级控制方案(控制方案a和b)来调节精馏塔塔釜温度。
a.采用灵敏板温度作为主参数,以再沸器加热蒸汽的流量作为副参数,这样就组成了一个由灵敏板温度和再沸器加热蒸汽流量组成的串级调节系统,以实现对精馏塔的塔釜温度的控制。
其示意图如图3-4所示:
图3-4温度控制方案a示意图
b.采用灵敏板温度作为主参数,以精馏塔塔顶产品采出量作为副参数,这样就组成了一个由灵敏板温度和塔顶产品采出量组成的串级调节系统,以实现对精馏塔的塔釜温度的控制。
其示意图如图3-5所示:
图3-5温度控制方案b示意图
两种控制方案的比较:
方案a更直接地控制塔釜产品组成,因而当塔釜产品组成要求严格时,采用此方案较为有力。
同样,方案b更直接地控制塔顶产品组成,因而当塔顶产品组成要求严格时,采用方案b较为有力。
3.4精馏塔流量控制方案设计
进料量和回流量都采用单回路的流量控制。
再沸器加热蒸汽流量,由灵敏板温度调节和蒸汽流量调节构成串级调节系统。
主参数为塔釜温度,副参数是蒸汽流量。
当塔釜温度变化时,温度传感器测量到温度值并将其变送到主调节器,与温度设定值比较。
主调节器根据差值输出一个信号作为副调节器的给定值,并与蒸汽流量传感器测量变送的流量值比较,副调节器根据其差值输出信号,控制阀的开度,以控制蒸汽流量。
精馏塔流量控制方案示意图如图3-6所示:
图3-6流量控制方案示意图
3.5精馏过程总体控制方案设计
由于3.1-3.4节已经全面细致的分析了针对塔压力、进料流量、回流罐液位、回流罐流量、灵敏板温度、塔釜液位等参数的控制方案,综合上文所述并根据物料平衡提出以下两种控制方案。
(1)图3-7为精馏控制系统的控制方案a,是根据物料平衡设计的精馏过程的其中一个控制方案。
图3-7精馏过程的控制方案a
(2)图3-8为精馏控制系统的控制方案b,是根据物料平衡设计的精馏过程的另一个控制方案。
图3-8精馏过程的控制方案b
(3)两种控制方案的比较
塔顶和塔釜产品流量差异较大,控制流量大的产品,易引起流量小的产品波动;相反,控制流量小的产品,则流量量大的产品变化慢、滞后。
对于塔的控制最不希望出现波动,因此,将两个产品中的较小流量的产品作为被控的主要对象。
方案a适合于塔釜产品流量小的场合,方案b适合于塔顶产品流量小的场合。
方案a适合于温度灵敏点在进料以下的场合,方案b适合于温度灵敏点在进料以上的场合。
方案b特别适合于冷却介质波动及由于环境温度变化、保温不好造成回流温度变化而引起波动的场合。
例如,由于降雨引起的回流温度突然降低,加热量不变,冷回流使上升气体在塔上部部分冷凝,上升气量减小,回流罐液位下降,液面控制将减小回流,但塔内内回流保持不变。
相反,若采用方案a相同的变化也使回流罐液位下降,回流罐液位下降减小了采出,回流量持不变,等量低温的回流进入塔内,塔的内回流增大,直至灵敏点变化引起调节。
方案b至少引起塔顶部波动,而方案a引起整个塔的波动。
塔顶采出量小于回流量宜采用方案b,回流量小于塔顶采出量宜采用方案a。
采用这两种控制方案塔釜液面波动易引起塔釜产品流量波动,采用方案a为使塔顶流量波动小,设计需加大液体在回流罐的停留时间。
第4章精馏过程的控制系统设计
笔者针对精馏过程设计了具体的控制方案,并给予了充分的论述,下面将详细阐述二元精馏过程的DCS系统设计,包括DCS仪表、执行器的选型,DCS控制系统结构的设计及DCS在二元精馏过程中的实现等内容。
4.1DCS系统选型
70年代,大规模集成电路问世,微处理器(MICROPROCESSOR-μP)的诞生,控制技术、显示技术、计算机技术、通信技术(即所谓4C技术)等的进一步发展,人们为了继承常规模拟仪表和计算机控制系统的优点,进一步提高控制系统安全性和可靠性,降低成本,开发研制以微处理器为基础的新型控制系统—分散控制系统(DistributedControlSystem—DCS)。
分散型综合控制系统,又称为集散控制系统,它综合了计算机技术、控制技属、通信技术和图形显示等技术,使控制系统结构进入了一个新阶段。
DCS系统以其构成灵活、模块化结构、安全、可靠、危险分散、功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的主流系统。
集散控制系统的产品众多,但从系统的结构分析,都是由三部分组成,即分散过程控制装置部分、操作管理装置部分、以及通信系统部分组成。
三部分关系如图4-1所示。
常规模拟仪表组成的过程控制系统与集中式计算机过程控制系统都有其固有的局限性。
而DCS系统在工业控制上具有上述两种系统所无法比拟的优越性。
(1)控制功能完善。
集散控制系统的控制单元具有连续、离散、批量控制等高级功能,可以完成从简单的单回路控制到复杂的多变量模型优化控制及逻辑控制;可实现监控、显示、打印、报警、历史数据存贮等日常全部操作。
(2)系统扩展灵活。
集散系统多采用模块式结构,可以灵活地组建单回路、多回路、大、中、小等各类系统。
由于系统采用局域网络,系统的扩展变得异常方便,局域网节点可以灵活地接入各种单元或其它网络。
(3)完善的人一机联系和集中监控功能。
CRT屏幕可将整个工厂的生产状况,单元的数据及时、准确地展现在操作者面前;同时,CRT操作站还能够适应现代管理中对画面和报表的各种要求,从而实现真正的集中操作和管理。
(4)安全可靠性高。
由于采用了多微机分散控制结构,危险分散,系统中关键设备采用双重或多重冗余,设有自动备用系统和完善的自诊断功能;现场信号的采集采用分布式,采集的信号经智能前端处理成数据信号,抗干扰的能力增强。
(5)安装调试简单。
集散系统各单元安装在标准机框内,模件之间采用多芯电缆,标准化接插件相连;现场与控制室之间只需1-2根屏蔽电缆进行数据通讯,布线量大大减少。
系统采用专用软件调试,安装调试时间仅为常规仪表的一半。
(6)具有良好的性能价格比。
鉴于上述优良的性能及布线、安装、调试费用等的大幅度下降,DCS系统规模越大,平均每个回路的投资越省。
浙江浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统JX-300X,大限度地满足应用需要的原则,应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术以及现场总线技术,采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法,全面提高了JX-300的功能和性能,使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和PLC连锁逻辑控制功能,能适应更广泛更复杂的应用要求,成为一个全数字化、结构灵活、功能完善的新型开放式集散控制系统。
JX-300X的基本组成包括工程师站(ES)、操作站(OS)、控制站(CS)和通讯网络SCnetII。
通过在JX-300X的通讯网络上挂接总线变换单元(BCU)可实现与JX-100、JX-200、JX-300系统的互联;在通讯网络上挂接通信接口单元(CIU)可实现JX-300X与PLC等数字设备的连接;通过多功能计算站(MFS)和相应的应用软件Advantrol-PIMS可实现与企业管理计算机网的信息交换,实现企业网络环境下的实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、
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