脱戊烷塔提留段温度自动控制系统设计

目录
1.课程设计目的 (1)
2.课程设计题目和要求 (1)
3.课程设计内容 (1)
3.1工艺流程简介及工艺对自动控制的要求 (1)
3.2控制方案的选择 (2)
3.3各种自动化仪表的选型 (5)
3.4控制系统连接 (10)
3.5控制系统的投运与整定 (11)
4.总结 (12)
参考文献 (13)
附录 (14)
1.课程设计目的
针对脱戊烷塔提留段温度自动控制系统的课题，模拟的进行完整的设计，理论联系实际，运用和巩固在《化工过程控制工程》课程和本专业的其他相关课程所学习的知识，培养独立思考、分析和解决实际问题的能力。

通过本次设计使学生熟悉工程设计的思维方式和步骤，并了解如何进一步根据确定的设计方案合理选择自动化仪表，培养学生查阅资料，独立获取新知识、新信息的能力。

2.课程设计题目和要求
题目：脱戊烷塔提留段温度自动控制系统设计
要求：（1）设计符合要求的合适的控制系统；
（2）画出控制原理图；
（3）选择合适的控制、检测仪表；
（4）进行系统的连接和所选仪表作用方式的正确确定。

3.课程设计内容
3.1工艺流程简介及工艺对自动控制的要求
来自于裂解汽油的C5馏分含有一些非常有用的化工原料，它们是异戊二烯(IS P)环戊二烯(CPD)(通常以二聚体形式存在:即双环戊二烯(DCPD)、戊间二烯(PIP),2甲基一2一丁烯、1一戊烯等。

从这些原料出发可以合成许多高附加值的产品，一些大公司己经从全球性的角度来看待，考虑C5馏分综合利用。

C5馏分的化工利用可以分为燃料和化工两大方面。

化工利用比燃料利用(如裂解C5，一段加氢作调合汽油，C5/C6烷烃异构化后作无铅汽油等)的经济效益更好，是当今C5，利用的重点，也是C5利用的商机所在。

以分离提纯后的C5 各组分为原料，可以生产品种
繁多的石细化学品，特种化学品，精细化学品和医药化学品。

随着新的下游产品不断开拓，C5 烃系列产品的市场会越来越景气。

这无疑将推动碳五馏分的综合利用上一个新的台阶。

目前我国在碳五馏分综合利用方面与美、日相比差距很大，国内大型乙烯装置都使用一部分裂解C5馏分作为裂解炉燃料。

蒸汽裂解装置中产生的裂解气经过分离出来的碳五以后的汽油组分作为脱戊烷塔的进料，利用C5馏分与C5以后等重组分沸点不同，在脱戊烷塔中进行气液分离，使C5组分从C5以后的重组分中分离出来。

温度是影响产品质量的重要因素，因此需要设计控制方案加以控制。

只有在一定的压力下温度才能表征分离的效果因此对压力也需进行自动控制，进料从塔中部（第24块塔盘）进入。

塔顶产品为碳五馏分，送出界区，塔底产品为C6-C8汽油馏分，也送去贮罐。

脱戊烷塔压力0.08MPa(G)，塔底温度111℃，再沸器采用低压蒸汽进行换热。

其工艺流程图如图3-1所示。

图3-1 工艺流程图
3.2控制方案的选择
提馏段温度控制系统采用串级控制方案，该控制系统的被控对象是脱戊烷塔灵敏板的温度。

由于对灵敏板的温度指标要求严格，而其影响干扰又很多，而干扰的存在会直接影响产品的质量，这里的主要干扰是蒸汽流量，它存在容量滞后较大、负荷变化较剧烈、干扰比较频繁的问题。

当工艺对产品质量提出的要求很高时，采用单回路控制的方法就不能满足要求，所以采用串级控制系统。

1)串级控制系统的特点
(1)由于副回路的存在，改善了对象的特性，使系统的工作频率提高了。

(2)具有较强的抗干扰能力；
(3)具有一定的自适应能力。

2)串级控制系统的应用场合
(1)用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰；
(2)用于滞后较大的对象；
(3)用于容量滞后较大的对象；
(4)用于克服对象的非线性。

串级控制系统在精馏塔控制中经常用于质量反馈控制系统。

图3-2所示为脱塔提馏段温度串级控制系统的控制方案图。

图3-2脱戊烷塔提馏段温度控制方案图
从图中可以看出，有两台控制器，用温度控制器TC3285的输出作为流量控制器FC3252的给定值，而用后者的输出去控制控制阀，从而构成串级控制系统。

3)被控变量的选择
被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系到生产的稳定操作，产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。

这里对于以温度为操作指标的生产过程，就选择温度作为被控变量，因为温度具有足够大的灵敏度反映产品质量的变化。

此外，选择温度作为被控变量时，考虑到了工艺的合理性和国内外仪表生产的现状。

当被控变量选定之后，下一步就要考虑选择哪个参数作为操纵变量，去克服干扰对被控变量的影响。

4)操纵变量的选择
设计中选择蒸汽流量作为操纵变量，因为在这里流量是可控的，其通道放大倍数比较大，且大于扰动通道的放大倍数；扰动通道时间常数比较大，而且控制通道时间常数比较小；其通道滞后时间也比较小，所选则的流量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；同时，还考虑到了工艺的合理性。

设计中，控制阀选择风开阀，温度控制器选择正作用，流量控制器选择反作用。

控制器正、反作用的选择原则是：先副后主，使系统成为一个负反馈系统。

当提馏段温度升高时，对于温度控制器来说，它感受到的是正偏差，测量信号增大，由于流量控制器选择反作用，它的输出将增大，又由于控制阀是风开式的，因此控制阀应开大些，通入的流量增加，将提馏段温度降低。

该控制方案的方块图如图3-3所示。

图3-3 脱戊烷塔提馏段温度控制方案方块图
从图中可以看出，该系统的主参数是温度，副参数是蒸汽流量，操纵变量也是蒸汽流量，设定值是外给定的。

一般来说，主控制器的给定值是由工艺规定的，它
是一个定值，因此，主环是一个定值控制系统。

而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。

将流量作为副回路的原因是，当干扰作用于副环时，系统的干扰能力会更强。

这是因为当干扰作用于副环时，在它还没有影响到主变量之前副控制器首先对干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”，合适与否最后视主变量是否受影响来判断，如果主变量还会受影响，那么将再由主控制器进行“细调”。

从而更好地克服各种干扰信号，有效地提高控制产品的质量。

5)采用温度作为间接质量指标
(1)温度点的位置
通常，若希望保持塔顶产品质量符合要求，也就是顶部馏出物为主要产品时，应把间接反映质量的温度检测点放在塔顶，构成所谓精馏段温度控制系统。

同样，为了保证塔底产品符合质量要求，温度检测点则应放在塔底，实施提馏段温度控制系统。

本设计中采用的就是后者。

(2)灵敏板问题
采用塔底温度作为间接质量指标时，实际上把温度检测点放置在塔底是极少数的。

因为在分离比较纯的产品时，邻近塔两端的各板之间温差是很小的，这时塔底的温度出现稍许变化，产品质量就可能超出允许的范围，因而必须要求温度检测装置有很高的精度与灵敏度，才能满足控制系统的要求。

这一点实现起来有较大的难度。

所以，在实际使用中是把温度检测点放在进料板与塔底之间的灵敏板上。

所谓灵敏板，是当塔受到干扰或控制作用时，塔内各板的组分都将发生变化，随之各塔板的温度也将发生变化，当达到新的稳态时，温度变化最大的那块塔板即称为灵敏板。

灵敏板的位置可以通过逐板计算，经比较后得出，但是，由于塔板的效率不易估准，所以还需结合实践结果加以确定。

通常，先根据测算，确定灵敏板的大致位置，然后在它附近设置多个检测点，根据实际运行中的情况，从中选择最佳的测量点作为灵敏板。

3.3各种自动化仪表的选型
在确定控制方案以后，才可以进行确定仪表数量、种类、规格、型号这一步。

仪表选型使方案具体化，它是方案成为现实的第一个重要环节。

3.3.1温度仪表的选择
温度是表征物体冷热程度的物理量，是工业生产和科学实验中最普遍、最重要的热工参数之一。

物体的许多物理现象和化学性质都与温度有关，大多数生产过程均是在一定温度范围内进行的。

因此，温度的测量是保证生产正常进行，确保产品质量和安全生产的关键环节。

温度不能直接进行测量，只能借助于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随冷热程度不同而变化的特性，来进行间接的测量。

1)温度仪表的选用原则
工业检测主要采用热电偶和热电阻作为温度检测元件。

(1)热电偶
热电偶结构类型较多，当前应用最广泛的主要有普通型热电偶及铠装热电偶。

它的测量范围广、结构简单、使用方便，测温准确可靠、便于信号的远传、自动记录和集中控制，因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。

可以用来测量-200～1600℃范围内的温度。

(2)热电阻
工业上广泛应用热电阻温度计测量-200～500℃范围内的温度。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

热电阻温度计的主要特点是性能稳定，测量精确度高，不需冷端温度处理。

此外，热电阻温度计输出的是电信号。

因此，适合信号的远传，多点测量或自动控制。

2)设计中的选择
根据本设计系统的工艺特点，本装置采用的测温元件是上仪集团生产的WREB 型带温度变送器隔爆热电偶。

此热电偶通常和显示仪表、记录仪表、电子计算机等配套使用，输出4-20mA，直接测量生产现场存在碳氯化合物等爆炸物的-200℃-1300℃范围内液体、蒸汽的气体以及固体表面温度。

它的特点是：二线制输出4-20mA，抗干扰能力强；节省补偿导线及安装温度变送器费用；安全可靠，使用寿命长；冷端温度自动补偿，非线性校正电路。

其工作原理是防爆热电偶利用间隙隔爆原理，当腔内发生爆炸时，能通过接合面间隙熄火和冷却，是爆炸后的火焰拳温度
传不到腔外。

从而进行防爆。

热电偶产生的热电势经过温度变送器的电桥产生不平衡信号，经放大后转换成为4-20mA的直流电信号给工作仪表，工作仪表便显示出对应的温度值。

3.3.2流量仪表的选择
流量的检测是化工生产中重要的环节之一。

在化工生产过程中，为了有效地指导生产操作，监视和控制生产，必须经常地检测生产过程各种介质流量，以便为管理和控制生产提供依据。

为了保证生产上所需的能量和原料，知道产品的产量，就必须对能量和物料进行比较准确的计量，这样才能不浪费能量，原料和盲目生产。

1)流量检测仪表的选用原则
流量检测仪表的选择应考虑：被测介质的种类、工作状态、流动状态、最大流量和最小流量、容许的压力损失、精确度等级等要求、价格限制、现场安装和使用条件、具体用途等诸方面。

节流装置包括：节流装置、取压装置、测量所需要的直管段。

具有结构简单，便于制造，工作可靠，使用寿命长，适应性强等特点。

节流装置作用是将被测流体的流量转换成差压信号。

(1)节流件
目前工业上应用最多的标准节流元件是孔板、喷嘴、文丘利管和文丘利喷嘴。

其中，孔板其具有加工简单，节省材料等特点，所以在本次设计中优先选用标准孔板作为节流件。

(2)取压方式
就孔板而言，常用的取压方式有五种：角接取压、法兰取压、径距取压法、理论取压法、管接取压法。

角接取压标准孔板适用于：管道内径为50～500mm；直径比β为0.22～0.8；雷诺数的范围为5×103～107 。

法兰取压标准孔板适用于：管道内径为50～750mm；直径比β为0.10～0.75；雷诺数的范围为8×103～107 。

标准喷嘴适用于：管道内径为50～500mm；直径比β为0.32～0.8；雷诺数的范围为2×103～2×106 。

标准文丘利管适用于：0.30≤β≤0.75；100mm≤D≤800mm。

2)设计中的选择
远传差压/液位变送器用于防止管道中的介质直接进入变送器里，感压膜片与变送器之间靠注满流体的毛细管连接起来。

它用于测量液体、气体或蒸汽的液位、流量和压力，然后将其转变成4～20mA DC信号输出。

所示综上所述设计中的液位流量测量仪表主要采用广州汉川仪器仪表有限公司生产3351DP远传法兰式差压变送器，用以连续测量液位，并把被测参数转换成一定的标准信号，实现对工艺流程的自动检测和控制。

采用的节流装置标准孔板法兰取压用于在一般情况下的流量测量。

3351DP差压变送器带上远传密封装置后，就成为3351DP远传差压变送器，它具有3351DP差压变送器的各种特点，可以用来进行压力、差压、液位的测量。

它可与HART手操器相互通讯，通过它进行设定，监控。

产品特点是：逐台进行模拟“在线运行”考核，保证变送器在极限环境温度、介质温度和工作压力（包括正压或真空）下，稳定而可靠地工作；采用“动态型面”远传膜片结构，超载后膜片不会受损，长期工作后精度不会发生变化；选用全熔焊和刚性密封结构的灌充系统，根除了漏油现象的发生；设计新颖的毛细管结合部件，使毛细管得到可靠的保护，在现场使用不易折断；品种、形式和尺寸多样的远传装置，以及丰富的灌充液种类，可以满足各种不同场合的测量需要；可提供各种特殊需要产品，包括高温、高真空、快响应和不等长毛细管（差值≤4.5米）远传差压变送器。

3.3.3温度、流量调节器的选择
1）温度调节器
采用乐清深度电气有限公司生产的SW-7000型号调节器。

SW-7000双数显调节器是一种经济型的智能调节仪表，仪表采用新颖的专用微电脑单片机，红绿双色双排数码管分别同时显示测量值和设定值。

各种参数能在面板上键入，并根据不同档次和需要可实现二位式，三位式，智能PID、参数自寻优自整定等多种经典及现代控制技术，广泛应用于机械、化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度、流量、压力、液位等的自动控制系统。

2）流量调节器
采用郑州天宏自动化技术有限公司生产的 TH-4107流量积算调节器。

TH-4107流量调节器，采用先进的微处理器进行数据处理，适用于各种液体、一般气体、蒸汽、天然气等的流量检测与积算控制，采用查表法进行密度补偿，能自动对过热蒸汽、饱和蒸汽进行高精度的积算控制。

内置多种流量积算公式，可适应各种流量测量场合。

具有多种信号输入功能,可配接各种压力/差压及频率式流量传感器(如孔板、涡街、涡轮等),且只需通过仪表菜单的简单选定,即可实现上述输入信号之间的轻松切换,提高了仪表的通用性和可靠性。

具有多种补偿方式(如温度补偿、压力补偿、温度补偿+压力补偿等)供选择。

3.3.4控制规律选择
目前工业上常用的调节器主要有四种控制规律：比例控制规律(P)、比例积分控制规律(PI)、比例微分控制规律(PD)和比例积分微分控制规律(PID)。

选择调节器控制规律时，应根据对象特性、负荷变化情况、主要干扰以及对控制质量的要求等不同情况，进行具体分析；同时，还应考虑经济性和系统投运的方便等等。

1)根据对象特性来选择控制规律
(1)当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求不高时，可选用比例控制规律；而当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求无余差时，则应选用比例积分微分控制规律。

(2)当广义控制通道的时间常数大或容量滞后大时，采用微分作用有良好的效果，积分作用可以消除余差。

因此，可选用比例微分作用或比例积分控制规律。

(3)当广义对象控制通道的时间常数较小，而负荷变化很大时，选用微分作用和积分作用都容易引起振荡。

如果时间常数很小时，可采用反微分作用来提高控制质量。

(4)当广义对象控制通道的时间常数或滞后时间很大，负荷变化也很大时，单回路控制系统往往已不能满足要求。

应设计其他控制方案，根据具体的情况选用前馈、串级、采样等复杂控制系统。

2）根据调节器的特性和工艺要求来选择
(1)比例调节器的特点是：输出与偏差成比例，阀门位置与偏差之间有一一对应
关系。

当负荷变化时，克服干扰能力强，过度时间短，过程终了时存在余差，且负荷变化越大余差也越大。

比例调节器适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺上没有提出无差要求的系统。

如中间贮罐的液位，精馏塔塔釜液位以及不太重要的蒸汽压力控制等。

(2)比例积分调节器的特点是：积分作用是调节器的输出与偏差的积分成比例。

因此过度过程结束时无余差。

在比例作用基础上加入积分作用的同时，可以通过加大比例度，使过程的稳定性基本保持不变。

但超调量、振荡周期都相应增大，过渡时间加长，比例积分调节器是使用最多、应用最广的调节器。

他适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺要求无余差的系统。

如流量、压力和要求严格的液位控制等。

(3)比例积分微分调节器的特点是：微分作用使调节器的输出与偏差变化速度成正比例。

它对克服容量滞后有显著效果。

在比例基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。

比例积分微分调节器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统。

如温度控制系统。

对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引入微分作用，否则会导致系统的不稳定。

3.3.4电气转换器
由于控制器输出是4～20mA DC（Ⅲ型）而控制阀只能接受0.02～0.1MPa气压信号，因此，在控制器与控制阀之间设置了一个气压转换器，由它将4～20mA DC 信号转换成0.02～0.1MPa气压信号送往控制阀。

3.4控制系统连接
图3-4 控制系统连接图
3.5串级控制系统的投运与整定
选用不同类型的仪表组成的串级系统，投运方法也有所不同，但是所遵循的原则基本上都是相同的。

其一是投运顺序，一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换。

由于电动Ⅱ型仪表组成的串级控制系统投运比较复杂，所以本系统采用电动Ⅲ型仪表组成，投运就相对简单些，下面结合本文具体实际介绍下电动Ⅲ型仪表。

电动Ⅲ型仪表具有跟踪保持电路，使得在软手动时自动输出跟踪等于手动输出；而在自动时手动输出又跟踪等于自动输出。

因此，无论偏差存在有否，随时都可以将控制器从软手动切入自动而不会造成扰动，反之依然，这称为双向无平衡无扰动切换。

电动Ⅲ型控制器具有这一优越的功能，给手动自动切换工作带来了很大的方便。

由电动Ⅲ型仪表组成的串级控制系统投运工作步骤如下：将主控制器给定值设好，主控制器放内给定，副控制器放外给定，再将主、副控制器正反作用放于正确位置。

在副控制器处于软手动状态下进行遥控，等待主变量慢慢在给定值附近稳定下来。

这时则可以按先副后主的顺序，依次将副控制器和主控制器切入自动，即完成了串级系统的投运工作，而且投运过程是无扰动的。

串级系统的整定方法有逐步逼近法，两步整定法和一步整定法等。

在提留段温度、流量串级控制系统中，将采用一步整定法，先给副环加一次干扰，然后按单回路整定方法克服干扰。

所谓一步整定法，就是根据经验先将副控制器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法，直接整定主控制器参数。

一步整定法的依据是：在串级系统中，一般来说，主变量是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因此，对它要求比较严格。

而副变量的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。

因此，在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。

对于一个具体的串级系统来说，在一定范围内，主、副控制器的放大倍数是可以相互匹配的，只要主、副控制器的放大倍数及Kc1和Kc2的乘积等于Ks（Ks为主变量呈4:1衰减振荡时的控制器比例放大倍数），系统就能产生4:1衰减过程。

虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但可以通过调整主控制器放大倍数来进行补偿，结
果仍然可使主变量呈4:1衰减。

4.总结
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前做过很多的课程设计但这次设计真的让我学会了很多知识。

通过本次设计，使我对控制系统有了更深的理解。

选择一个符合工艺要求的系统对于现在即没有实际经验也没有实践操作能力的我来说，其实真的蛮难的，好再我没有放弃，否则就真的什么也做不出来啦。

说实话有好多的东西，只有我们去努力试着做了，不管结果是不是完美的，在过程中学到的才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。

其实，无论设计是多么复杂抑或简单，有很多的东西，只有我们自己思考并努力做了，才能真正的掌握，明白其中蕴含的道理。

经过一周的化工过程工程控制的课程设计，虽然设计过程比较坎坷，但在老师的帮助下还是比较轻松的完成了我的脱戊烷塔提馏段温度自动控制系统设计。

从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计无论是从文字到图都是自己编辑的，根据要求一步一步完成的，不过高兴之余不得不深思，自己学的毕竟还是不精呀！
参考文献
[1]翁维勤,《过程控制系统及工程》,化学工业出版社，北京，1996年.
[2]陆德民,《自动化控制系统设计手册》,化学工业出版社，北京，2000年.
[3]周春晖,《过程控制工程手册》,化学工业出版社，北京，1993年.
[4]厉玉鸣,《化工仪表及自动化》,化学工业出版社，北京，1988年.
[5]天津大学化工原理教研室，《化工原理》,天津科学技术出版社，天津，1992年.。