蒸馏塔串级控制
精馏塔精馏段温度串级系统
目录1 绪论 (2)1.1精馏原理 (2)1.2 串级控制 (3)2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 (3)2.1变量的选择 (3)2.2 工艺描述 (4)2.3 精馏塔精馏段控制的原理 (4)3仪表的选型 (6)液位调节器选型 (7)4 精馏塔精馏段温度串级控制的研究 (10)4.1精馏塔温度串级过程中的主要假设: (11)4.2模型的建立 (12)5仿真 (14)6 结束语 (20)6.1设计思想 (16)6.2 系统分析 (17)7 参考文献 (18)1 绪论精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。
精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。
一般精馏装置组成，如图1所示。
由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备[1]图 1 简单精馏控制示意图进料流量F 从精馏塔中段某一塔板上进入塔内，这块塔板称为进料板。
进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。
溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。
实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。
多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。
1.1精馏原理在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。
例如对于A、B 两种混合物的分馏，纯A 的沸点是140℃，纯B 的沸点是175℃。
如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图2中的液相曲线所示。
图 2设原溶液中A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。
这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。
过程控制课程设计精馏塔串级调试.doc
精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统设计三、系统器件选择（包括器件参数）温度传感器选择：热点偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（MV ）信号，配以测量毫伏的只是仪表或变送器可以实现温度的测量只是活温度信号的转换。
具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500度以上的高温，可以在1600度高温下长期使用。
铂铑10-铂热点偶传感器测温范围在0—1600度，WRP 型铂铑10-铂热电阻性能可靠、耐高温、抗氧化，可长期工作在0-1600度环境下。
四、硬件设计方案副参数：蒸汽流量 主参数：塔釜温度当仅有作用流量对象的二次干扰D2加入时，Y2上升，由于Y2变化需要经过一段时间才会引起Y1的变化，故认为Y1暂时不变，则Z1也暂时不变，因R1是给定值，所以E1，R1也不变，从而有：D2上升，Y2上升，Z2上升，E2=R2-Z2下降，阀门开度下降，Y2下降，可见一旦有二次干扰，副回路即对副参数变量进行调节，使其回到受干扰前的数值上，但初始时Y2的上升经一段时间后会影响Y1 的上升，则有：主、副调节器正反作用方式确定：由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入精馏塔，确保设备安全，调节阀的Kv ﹥0。
主调节器作用方式确定：蒸汽流量增加，塔釜温度升高，主被控过程Ko1﹥0。
为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积须为正，则↓↓→↓→↓→↓→-=↑→↑→↑→→12221111122)(Y Y E R Z R E Z Y Y D副调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。
又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器Kc>0，副调节器作用方式为反作用方式。
控制系统硬件接线图五、控制算法选择在精馏塔温度串级控制系统中，我们以塔釜温度为主要被控参数，塔釜温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为精馏塔串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。
精馏塔的控制
精馏塔的控制12.1 概述•精馏是石油、化工等众多生产过程中广泛应用的一种传质过程，通过精馏过程，使混合物料中的各组分分离，分别达到规定的纯度。
•分离的机理是利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同），使液相中的轻组分（低沸点）和汽相中的重组分（高沸点）相互转移，从而实现分离。
•精馏装置由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。
精馏塔的特点精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，内在机理较复杂，动态响应迟缓、变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。
而且从能耗的角度，精馏塔是三传一反典型单元操作中能耗最大的设备。
一、精馏塔的基本关系（1）物料平衡关系总物料平衡： F=D+B (12-1) 轻组分平衡：F z f =D x D +B x B (12-2) 联立（12-1）、（12-2）可得：（2）能量平衡关系 在建立能量平衡关系时，首先要了解分离度的概念。
所谓分离度s 可用下式表示：DB D f D BB f D x x x z F D x x z D Fx --=+-=)((12-3))1()1(D B B Dx x x x s --=(12-5)可见，随着s 的增大，x D 也增大，x B 而减小，说明塔系统的分离效果增大。
影响分离度s 的因素很多，如平均相对挥发度、理论塔板数、塔板效率、进料组分、进料板位置，以及塔内上升蒸汽量V 和进料F 的比值等。
对于一个既定的塔来说：式（12-6）的函数关系也可用一近似式表示： 或可表示为：式中β为塔的特性因子由上式可以看到，随着V /F 的增加，s 值提高，也就是x D 增加，x B 下降，分离效果提高了。
由于V 是由再沸器施加热量来提高的，所以该式实际是表示塔的能量对产品成分的影响，故称为能量平衡关系式。
由上分析可见，V /F 的增加，塔的分离效果提高，能耗也将增加。
串级控制系统课件
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
水塔温度串级控制系统
水塔温度串级控制系统摘要本次设计采用串级控制系统对水塔温度进行控制。
过程控制系统由过程检测、变送和控制仪表、执行装置等组成，通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测、变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。
串级控制系统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。
此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
串级控制系统工程应用场合如下：（1）应用于容量滞后较大的过程。
（2）应用于纯时延较大的过程。
（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。
（4）应用于参数互相关联的过程。
（5）应用于非线性过程。
正因为串级控制系统具有上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制。
系统设计方案概述图1.2 水塔温度串级控制系统原理图水塔温度控制系统硬件设计系统对象特性设计水塔温度串级控制系统选择水塔温度为主被控对象，副被控对象为上水流量。
当水塔温度变化的时候，通过控制上水流量改变水塔温度，并最终使其恒定。
主被控对象：水塔温度=副被控对象：上水流量=传感器模块的选择方案一：采用极为普遍的晶体管3DG6作为温度传感器，廉价的电压/频率转换器（V/F）LM331与AT89S52单片机组成的温度测量仪。
但该方案抗干扰性差，数据处理复杂，数据存放空间大，受市场限制。
3DG6温度采集电路方案二：采用热电阻传感器，铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器，由于其测量准确度高、测量范围大、稳定性好等特点，被广泛用于中温（-200℃～+650℃）范围的温度测量中。
PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50℃～+600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。
由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性较正。
校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。
化工仪表及自动化第8章 第一节 串级控制系统
第一节 串级控制系统
小结
由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干 扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控 制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油 出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。
15
第一节 串级控制系统
2.干扰作用于主对象
F1 变 化 → θ1 ↑ →T1C 输 出 ↓→T2C 设 定 值 ↓ → T2C输出↓ → 恢复给定值 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象， 由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达 到稳定主变量的目的。
例如图8-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中 的副回路。
气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀， “正”方向。 燃料量加大时，炉膛温度θ2（副变量）增加，副对象 “正”方向。 为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反” 方向。
35
第一节 串级控制系统
如图8-5所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。
串级 控制 系统
均匀 控制 系统
比值 分程 控制 控制 系统 系统
前馈 取代 控制 控制 系统 系统
三冲量 控制系
统
4
第一节 串级控制系统
一、概述 当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考
虑采用串级控制系统。 举例 说明串级控制系统的结构及其工作原理
控制好温度
➢ 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； ➢ 可保证后面精馏分离的质量。
21
第一节 串级控制系统
四、串级控制系统中副回路的确定 副回路的确定 根据生产工艺的具体情况，选择一
个合适的副变量，从而构成一个以 副变量为被控变量的副回路。
确定的原则
1.主、副变量间应有一定的内在联系
原油蒸馏操作与控制--资料汇总
原油蒸馏装置操作与控制资料汇总一.原油蒸馏装置操作与控制生产工序和工艺原理常减压装置是炼油企业的基本装置，是原油加工的第一道工序，在炼油中起着非常重要的作用。
它的工艺过程是采用加热和蒸馏的方法反复地通过冷凝与汽化将原油分割成不同沸点范围的油品或半成品，将原油分离的过程。
主要分离产物有：重整原料、汽油组分、航空煤油、柴油、二次加工的原料（润滑油、催化裂化原料等）及渣油（重整及焦化、沥青原料）。
在常压塔中，对原油进行精馏，使气液两相充分实现热交换和质量交换。
在提供塔顶回流和塔底吹气的条件下，从塔顶分馏出沸点较低的产品汽油，从塔底分馏出沸点较高的重油，塔中间抽出得到侧线产品，即煤油、柴油、重柴、蜡油等。
常压蒸馏后剩下的重油组分分子量较大，在高温下易分解。
为了将常压重油重的各种高沸点的润滑油组分分离出来，采用减压塔减压蒸馏。
使加热后的常压重油在负压条件下进行分馏，从而使高沸点的组分在相应的温度下依次馏出，作为润滑油料。
常减压装置的减压蒸馏常采用粗转油线、大塔径、高效规整填料（GEMPAK）等多种技术措施。
实现减压操作低炉温、高真空、窄馏分、浅颜色，提高润滑油料的品质。
图1 常减压装置工艺流程图装置主要有以下几部分组成⏹电脱盐系统⏹初馏和常压系统⏹航煤脱硫醇系统⏹减压分馏系统⏹水除氧及蒸汽发生系统⏹加热炉烟气余热回收系统。
二.原油蒸馏操作与控制现场工况异常处理1 正常操作法初馏塔底液面调节控制目标：50%控制范围：±20%控制方式：正常操作时，初馏塔底液面LIC－105与原油控制阀FIC－102进行串级控制，当LIC－105低于设定时，FIC－102开大，当LIC－105高于设定时，FIC－102关小，从而实现初馏塔底液面的控制。
异常处理2 初馏塔塔顶压力调节控制目标：≤0.08MPa控制方式：正常操作时，初馏塔塔压通过塔顶风机运转数量调节，压力升高，增加风机的运转数量，压力下降，减少风机运转的数量，从而实现初馏塔塔压的控制。
「精馏塔常用的一些控制方案」
精馏塔常用的一些控制方案塔的作用是在同一个设备中进行质量和热量的交换，是石油化工装置非常重要的设备。
塔的型式有板式塔(泡罩塔、浮阀塔、栅板塔等)、填料塔（高效填料、常规填料、散装填料、规整填料等）、空塔。
塔由筒体和内件组成。
蒸馏塔由精馏段和提馏段组成，进料口以上是精馏段，进料口以下是提馏段。
精馏塔的控制方案主要从塔压、釜温、顶温、塔釜液面四个方面来说明：1．精馏操作中塔压的控制调节方法塔的压力是精馏塔主要的控制指标之一。
任何一个精馏塔的操作，都应当把塔压控制在规定的指标内,以相应地调节其它参数。
塔压波动过大，就会破坏全塔的物料平衡和气液平衡,使产品达不到所要求的质量。
所以,许多精馏塔都有其具体的措施,确保塔压稳定在适宜范周内。
对于加压塔的塔压,主要有以下三种调节方法（1)塔顶冷凝器为分凝器时,塔压一般是靠气相采出量来调节的，如图６－1所示。
在其它条件不变的情况下，气相采出量增大,塔压下降,气相采出量减小,塔压上升。
(2)塔顶冷凝器为全凝器时，塔压多是靠冷剂量的大小来调节,即相当于调节回流液温度，如图6-２所示。
在其它条件不变的前提下，加大冷剂量,则回流液的温度降低,塔压降低，若减少冷剂量,回流液温度上升，塔压上升。
（3)热旁通(浸没式)法调节塔压。
对于常压塔的压力控制，主要有以下三种方法（1)对塔顶压力在稳定性要求不高的情况下,无需安装压力控制系统，应当在精馏设备（冷凝器或回流罐）上设置一个通大气的管道，以保证塔内压力接近于大气压。
(2）对塔顶压力的稳定性要求较高或被分离的物料不能和空气接触时，塔顶压力的控制可采用加压塔塔压的控制方法,如图6-1、图6-2。
(3）用调节塔釜加热蒸汽量的方法来调节塔釜的气相压力,如图6－6所示。
2.精馏操作中塔釜温的控制调节方法釜温是由釜压和物料组成决定的。
精馏过程中，只有保持规定的釜温,才能确保产品质量。
因此釜温是精馏操作中重要的控制指标之一。
当釜温变化时,通常是用改变蒸发釜的加热蒸汽量,将釜温调节至正常,见图6-７a、图6－7ｂ。
精馏塔精馏段温度串级系统方案
目录1 绪论 (2)1.1精馏原理 (2)1.2 串级控制 (3)2 精馏塔精馏段温度串级系统的原理与结构 (3)2.1变量的选择 (3)2.2 工艺描述 (3)2.3 精馏塔精馏段控制的原理 (4)3仪表的选型 (5)液位调节器选型 (7)4 精馏塔精馏段温度串级控制的研究 (10)4.1精馏塔温度串级过程中的主要假设: (11)4.2模型的建立 (12)5仿真 (13)6 结束语 (19)6.1设计思想 (15)6.2 系统分析 (16)7 参考文献 (17)1 绪论精馏是石油化工、炼油生产过程中的一个十分重要的环节，其目的是将混合物中各组分分离出来，达到规定的纯度。
精馏过程的实质就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，利用混合液中各组分具有不同的挥发度，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相，从而实现液体混合物的分离。
一般精馏装置组成，如图1所示。
由精馏塔、再沸器、冷凝器、回流罐等设备[1]图 1 简单精馏控制示意图进料流量F 从精馏塔中段某一塔板上进入塔，这块塔板称为进料板。
进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称为精馏段，进料板以下部分称为提馏段。
溶液中组分的数目可以是两个或两个以上。
实际工业生产中，只有两个组分的溶液不多，大量需要分离的溶液往往是多组分溶液。
多组分溶液的精馏在基本原理方面和两组分溶液的精馏是一样的。
1.1精馏原理在恒定压力下，单组分液体在沸腾时虽然继续加热，其温度却保持不变，即单组分液体的沸点是恒定的。
对于两组分的理想溶液来说，在恒定压力下，其沸点却是可变的。
例如对于A、B 两种混合物的分馏，纯A 的沸点是140℃，纯B 的沸点是175℃。
如果两组分的混合比发生变化，混合溶液的沸点也随之发生变化，如图2中的液相曲线所示。
图 2设原溶液中A 占20%，B 占80%，此混合液的沸点是164.5℃，加热使混合液体沸腾。
这时，与液相共存的气相组分比是A 占45.8%，B 占54.2%。
串级调节对精馏塔塔釜温度的控制
串 级 调 节 对 精 馏 塔 塔 釜 温 度 的 控 制
吉林 石化 公 司 丙烯腈厂 赵 晓 芹
［ 摘 要］ 精馏塔的 温度是控制精馏操作分 离质量和效率 的重要 参数 。对于化工生产 中对 分离质量要求很高的精馏操作 来说 ， 控制
精 馏 塔 温度 的稳 定就 显得 至 关重 要 。本 文 论 述 了应 用 串级 控 制 系统取 代 单 回路 对精 馏 塔 塔 釜 温度 的控 制 的意 义 。 ［ 关键词 ］ 精馏塔 温度 串级调 节
科技信息．
工 程 技 术
题。 这要求在设计之初 ， 就要考虑到养护的问题 ， 并使之简单化 ， 以容 可 易 的实行 。例如收费站的设立 ， 一定要考 虑其 可行性 ， 在设计的时候不 能随意的设置 ， 等公路建成后 ， 却发现设计是 不合理 的 ， 具体实施起来 ， 寸步难行 ， 这就大大地阻碍 了公路养护的实行 。 ２公路 的设计和建设 ， ． 要考虑到当地的实际情 况以及公路建成后的 使用情况 。 如果当地经济发达 ， 这就要考虑养护 的执行性 ， 经济发达 ， 那 么车流量 就大 ， 同样 的养护起来 就困难 ， 养护频 率也会加大 ， 以设计 所 之初 ，一定要考虑实际情况 以及这些实际情 况给公路 养护带来 的实施 的负担。不能一味的按“ 规律” 办事 ， 使设计和建设千篇 一律 ， 不按实际 办事 ， 必然使公路 的设计 和建设 的效率大 打折扣 。 总的来说 ， 公路的设 计和建设要考虑 的因素很 多 ， 中公路的养护 其 这个因素 ， 是其中主要去考虑的 因素 。不管是公路 的养护 ， 还是公路的 设计和建设 ， 都离不开路 ， 它们是相 依相存的 ， 总要 在另一方看 到另一
方的影子。
１ ． 公路的 日常养护给公路 的设计和建设带来实际经验的可操作性 。 设计是图纸上理论层 面， 而建设 又是基于设计 的 ， 那么它们都缺乏实际 的经验的指导。如果光纸上谈兵 ， 是不会有什 么进步的 ， 而公路 的 日常 养护却给这些 理论层面 的东西带来可 喜的可操作 性 。我们可 以在公路
过程控制课程设计——精馏塔的均匀控制系统设计
- --目录1 精馏塔控制系统介绍 (1)1.1精馏塔原理 (1)1.2控制要求及干扰因素 (1)2 设计任务及要求 (2)3 均匀控制系统 (2)3.1均匀控制概念 (2)3.2均匀控制系统特点 (4)4设计方案选择 (5)4.1方案一简单均匀控制 (5)4.2方案二串级均匀控制 (5)5 系统各器件选型 (7)5.1检测转换元件的选择、性能参数 (7)5.2调节阀气开气关式选择 (9)6.系统仿真与分析 (11)7.小结与体会 (12)参考文献 (13)精馏塔的均匀控制系统设计1 精馏塔控制系统介绍1.1 精馏塔原理精馏塔是进行精馏的一种塔式汽液接触装置，又称为蒸馏塔。
有板式塔与填料塔两种主要类型。
根据操作方式又可分为连续精馏塔与间歇精馏塔。
蒸汽由塔底进入，与下降液进行逆流接触，两相接触中，下降液中的易挥发(低沸点)组分不断地向蒸汽中转移，蒸汽中的难挥发(高沸点)组分不断地向下降液中转移，蒸汽愈接近塔顶，其易挥发组分浓度愈高，而下降液愈接近塔底，其难挥发组分则愈富集，达到组分分离的目的。
由塔顶上升的蒸汽进入冷凝器，冷凝的液体的一部分作为回流液返回塔顶进入精馏塔中，其余的部分则作为馏出液取出。
塔底流出的液体，其中的一部分送入再沸器，热蒸发后，蒸汽返回塔中，另一部分液体则作为釜残液取出。
蒸馏的基本原理是将液体混合物部分气化,利用其中各组份挥发度不同（相对挥发度）的特性，实现分离目的的单元操作。
蒸馏按照其操作方法可分为：简单蒸馏、闪蒸、精馏和特殊精馏等。
1.2 控制要求及干扰因素为了保证精馏生产工序安全、高效持续进行,改造生产工艺提出如下控制要求:(1) 保证产品质量。
以塔顶产品的纯度作为质量参数进行控制,构建质量控制系统。
(2) 保证平稳生产。
首先要使精馏塔的进料参数保持稳定;其次为了维持塔的物料平衡,要控制塔顶和塔底产品采出量,使其和等于进料量;再次塔内的储液量应保持在限定的范围内;最后要控制塔内压力稳定。
常用串级和分程控制(的介绍)
PC
TC
串级控制系统的实施
副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
串级控制系统的实施
例2
精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
（3）安全生产的防护措施
放空 B
A
氮
PC
B
A
图7-6 油品储罐氮封分程控制
加氮阀A、放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
知识回顾 Knowledge Review
50%
0% 4
A 气开 B 气关
100% 50%
A 气关
B 气开
0%
12
20
4
12
20
分程控制系统 概述
一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀A、B A阀控制信号:0.02~0.06Mpa B阀控制信号:0.06~0.1Mpa
控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa 以上，只有阀B动作
结果：温度控制不稳定
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温 度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小） →流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减 小。
精馏塔操作与控制
精馏塔操作与控制1 概述石油化工生产常需将液体混合物分离以达到提纯或回收有用组分的目的。
分离互溶液体混合物有许多种方法，精馏是广泛应用的一种方法。
精馏过程是由精馏装置来实现的，精馏装置一般是由精馏塔、再沸器(重沸器)、冷凝冷却器、回流罐及回流泵等组成。
如图1所示。
图1 精馏装置结构示意图实际生产过程中，精馏操作可分为间歇精馏和连续精馏两种。
石油化工等大型生产过程主要采用的是连续精馏。
精馏塔是一个多输入多输出的多变量过程，其内在机理复杂，动态响应迟缓，变量之间相互关联，不同的塔工艺结构差别很大，而工艺对控制提出的要求又较高，所以确定精馏塔的控制方案是一个极为重要的课题。
1.1 精馏塔两个基本平衡关系式影响精馏操作的因素很多，这些影响因素都是通过物料平衡和能量平衡的形式来影响精馏操作的。
然而，一个塔的物料平衡与能量平衡之间又是相互影响的。
现以二元精馏过程为例，说明精馏塔的这两个基本关系。
1.1.1 物料平衡关系一个精馏塔，进料和出料应保持平衡，即总物料量及任一组分的量应符合物料平衡关系。
对图1所示精馏塔而言，其物料平衡关系如下。
就总物料平衡关系而言，平均进料量应等于塔顶和塔底的平均采出量，即F=D+B (1)对轻组分而言，进料中的轻组分量应等于塔顶和塔底轻组分量之和，即Fzf=DxD+BxB (2)由式(1)和式(2)可得xD=F/D(zf-xB)+xB (3)或D/F=(zf-xB)/(xD-xB) (4)式中 F—进料流量;D—塔顶采出量;B—塔底采出量;zf—进料轻组分含量;xD—塔顶采出轻组分含量;xB—塔底采出轻组分含量。
同样方法也可以求得B/F=(xD-zf)/(xD-xB) (5)从上述关系可以看出，当D/F增加时，塔顶、塔底采出液中轻组分含量将会减少，即xD及xB将下降。
而当B/F增加时，塔顶、塔底采出液中轻组分含量将会增大，即xD及xB将上升。
然而，在D/F(或B/F)一定，和zf也一定的条件下，却不能完全确定xD和xB，而只能确定xD和xB之间的一个比例关系。
精馏塔温度流量串
串级控制系统的构建
• 主、副回路的选择： 副回路的选择：
• 主、副回路的选择本质是主、副变量的选择。而主回路的选择可以完 全套用简单控制系统被控变量的选择原则。 • 副回路为关键，副变量一确定副回路则确定了。其选择原则： • (1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。 • (2) 将更多的扰动包括在副回路中。 • (3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。 • (4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 • (5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。 •
• • • •
②控制过程分析： 控制过程分析： 扰动出现在副回路（蒸汽的流量） 扰动进入主回路（进料温度） 扰动同时进入主、副回路（蒸汽的流量、进料温 度） • 综上所述，串级控制系统有很强的克服扰动的能 力，特别是对进入副坏的扰动，控制力度将更快 更大。 • 同时副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具 有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一 步提高
• ③串级控制系统的特点： 串级控制系统的特点： • 主回路为定值控制系统，而副回路是随动控制系 统。 • 结构上是主、副调节器串联，主调节器的输出作 为副调节器的外设定，形成主、副两个回路，系 统通过副调节器操纵执行器。 • 抗干扰能力强，对进入副回路扰动的控制力更强， 控制精度高，控制滞后大，特别适用于滞后大的 对象，如温度等系统。
• 蒸汽流量计的安装： 蒸汽流量计的安装：
• • • • • • • • • • • • • • • • • 一、对直管段的要求： 对直管段的要求： 1、 流量计必须水平安装在管道上（管道倾斜在50以内），安装时流量计轴线应与管 道轴线同心，流向要一致。 2、 流量计上游管道长度应有不小于10D的等径直管段，如果安装场所充许建议上游 直管段为20D、下游为5D。 对配管的要求： 二、对配管的要求： 流量计安装点的上下游配管的内径与流量计内径相同。 对旁通管的要求： 三、 对旁通管的要求： 为了保证流量计检修时不影响介质的正常使用，在流量计的前后管道上应安装切断阀 （截止阀），同时应设置旁通管道。流量控制阀要安装在流量计的下游，流量计使用 时上游所装的截止阀必须全开，避免上游部分的流体产生不稳流现象。 对外部环境的要求： 四、对外部环境的要求： 流量计最好安装在室内，必须要安装在室外时，一定要采用防晒、防雨.防雷措施，以 免影响使用寿命。 安装场所： 五、安装场所： 流量计应安装在便于维修，无强电磁干扰与热辐射的场所 对安装焊接的要求： 六、对安装焊接的要求： 1、用户另配一对标准法兰焊在前后管道上。不允许带流量计焊接！ 2、安装流量计前应清理管道内杂物：碎片、焊渣、石块、粉尘等推荐在上游安装5微 米筛孔的过滤器用于阻挡液滴和沙粒。最好用等径的管道（或旁通管）代替流量计进 行吹扫管道。以确保在使用过程中流量计不受损坏。 3、安装流量计时，法兰间的密封垫片不能凹入管道内，以防止干扰正常的流量测量。 流量计接地的要求： 七、流量计接地的要求： 流量计应可靠接地，不能与强电系统地线共用。
过程控制串级控制 期中 ppt
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串级控制系统------蒸馏塔的设计
杜新龙 10级自动化2班 20101523201
蒸馏塔控制
当控制要求较高时，在如下情况下，单回路 不能满足要求。 *过程可控程度较差，如对象有大滞后。 *对象有较明显的时变性或非线性特性。 *扰动剧烈，而且幅度大。 *控制性能要求较高。 *过程参数之间存在严重关联。
抗干扰比较
二次扰动
一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
主对象
y1
ym2 ym1
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
串级控制系统方框图 串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一 个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的 双闭环定值系统.
控制器选择
串级系统副回干扰 • （2） 使副环包含更多的干扰
• （3） 应使非线性环节尽量包含在副环中 • （4）当对象具有较大的纯滞后时，应使副 环尽量少包含或不包含纯滞后
• 5）考虑主、副对象时间常数的匹配，防止 “共振”发生
• （6） 考虑方案的经济性、工艺的合理性
• 串级控制系统的工作过程 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器 进行工作。根据扰动施加点的位置不同， 分种情况进行分析： * 1）扰动作用于副回路 * 2）扰动作用于主过程 * 3）扰动同时作用于副回路和主过程
（2）主、副控制器正反作用的选择
• 选择顺序：先副后主 • 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 • 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” • 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 • 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 • 主控制器、主对象，以及副回路。 • 副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。
蒸馏塔自动控制
蒸馏是化工生产过程中将混合流体分离的常用技术。
对蒸馏塔的控制通常采用递阶方式，可分为三层。
最低层为对液面、输入馈流、焓和压力等参数的控制。
第二层为对输出蒸馏产物组分的控制。
第三层为优化，例如求出运行的最优稳态。
在蒸馏过程中需要补充组分分离减熵所消耗的能量。
化工厂耗能较大，其中约40％的能量消耗在蒸馏塔上。
（图1）简介英文：automatic control of distillation column 同时，为保证蒸馏产物的质量须使蒸馏塔回流，而盲目回流又可能使产物的纯度过高，这是造成浪费能源的主要因素。
另一方面，蒸馏塔的动态特性复杂，且具有非线性，对输出组分又难以实现精确快速测量。
因此对蒸馏塔组分的测控问题一直是自动控制领域中的重要研究课题。
70年代以来，随着能源的不断紧张，人们更加重视这方面的研究，已经将适应控制系统应用于蒸馏塔的输出组分控制。
蒸馏塔是稀有金属钛等材料及其合金材料制造的化工设备具有强度高、韧性大、耐高温、耐腐蚀、比重轻等特性；因此被广泛应用与化工、石油化工、冶金、轻工、纺织、制碱、制药、农药、电镀、电子等领域。
编辑本段干扰蒸馏塔运行中最主要的干扰是由输入馈流引起的，包括馈流的组分、流速、焓等参数变化所引起的干扰。
在多级控制中还要考虑加热蒸气的压力和冷却水流引起的干扰。
若馈流速度取决于馈送设备、而且是不可控的，则可将它的测量值用于前馈控制（见复合控制系统），以控制输出流量和塔内流量，使它们与输入馈流成比例。
由于塔身竖立于地面，还需要考虑气候变化的影响。
编辑本段测量对产物组分的直接测量通常采用气体色谱仪，也可采用质谱仪等其他分析仪表。
这类仪表需要一段处理时间才能得出测量值，结果给控制回路带来显著的死区时间，同时成本也较高。
因此，还需要利用对其他参数的测量来间接推断产物组分。
常用间接测量方法包括测量温度、红外吸收、折射率和电导率等参数。
通常采用直接测量和间接测量相结合的方式。
直接测量仪表装在输出管道上，用于精确测量流速较慢的产物流的组分。
7.串级控制系统
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7.3 串级控制系统设计
（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择： 当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、 副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控 制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。 管式加热炉串级控制系统。 主变量θ1或副变量θ2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的 燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为 “反”作用方向。
（1）对主变量控制质量要求高 主变量宜采用PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用， 使系统构成负反馈 2.控制器正反作用的选择 采用 PID规律。 副变量一般采用P规律就可以了。
（2）对副变量控制要求也较高
3.防积分饱和措施
主、副变量均采用PI控制规律。
（3）对主变量控制要求不高，甚至允许小波动
2
第7章 串级控制系统
复杂控制系统
工艺对产品质量提出高要求
甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃； 石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%。
被控过程滞后较大 负荷和干扰变化剧烈而频繁 物料配比问题 前后生产工序协调问题
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第7章 串级控制系统
单回路控制系统
结构简单，应用广泛，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的
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7.4 串级控制系统设计举例
3.串级控制方案
反应气体
T 1T T 2T T 1C
T 2C
醋酸和乙炔 混合器
合成反应器 换热器
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• 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。 • 温度变送器的选择 • 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。
• 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4～20mA直 流信号输出。
精馏塔釜温度与蒸汽流量串级 控制系统
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，而以改变再沸器加热量作为控手段的方案，就是提馏段温控。
本系统为了较好的达到控制目标， 采用如图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。
控制规律选择
在这个系统中，对主变量（温度） 的控制要求不高，但是，系统要求 副变量（蒸汽流量）能够快速、准确地 跟随主控制器的输出而变化。故主 控制器可以选择P作用，而副控制 器应选择PI作用。
• 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 机构仿真参数
• • • • • • • • • • • • 主控制器传递函数 副控制器传递函数 设定标准值为1300 干扰40%即为520，在850s左右扰动信号 单回路中：控制器选择PI控制 参数的整定：P为0.45 I为1/120 串级中：主控制器选择PID控制，副控制器选择P作用 参数的整定：主控制器P为2.1 I为1/28 D为1/75 副控制器P为0.2 一次干扰：单回路调节时间大约500s，串级回路大约250s 二次干扰：单回路调节时间大约700s，串级回路大约300s 一次和二次干扰：单回路调节时间大约600s，串级回路大约280s
控制方案的确定
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。 从调节阀的做到温度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2-1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。
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08自动化4班第二小组
ppt制作： 孙伟聪 matlab仿真：黄鹏焕 技术指导：许龙飞 黄思铭 黄裕光 简转发 演讲：孙伟聪 如有任何答疑，敬请咨询黄鹏焕 联系方式：615506 他将热诚问您解答
进 料 Qr θC 1 Q C2 加 热 蒸 汽 Q
θr θ
塔底部
再沸器
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， 串级控制系统方块图如图 所示，它有俩个闭环系统：副环是流量自稳定系统，主 所示 环是温度控制系统。 环是温度控制系统。 主参数：塔底物料温度θ 主参数：塔底物料温度θ 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θ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
工作过程
• • • • • • 参照前述ppt： 主参数：塔底物料温度θ 副参数：加热蒸汽流量Q 控制量：蒸汽阀开度 副回路扰动D1：加热蒸汽压力的波动对θ的扰动。 主回路扰动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
进料 Qr θr θ θC 1
加热 蒸汽
Q
QC 2
塔底部
再沸器
控制器选择
• 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 • 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。
进料 θ θC 1 加热 蒸汽 塔底部 再沸器
• 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。