毕业设计（论文）精馏塔监控系统设计.doc

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1、精馏塔监控系统设计摘 要自动化技术已成为国家工业生产力水平的一个重要标志，本文阐述了基于实时网络控制自动化技术的发展，从精馏塔控制方案入手，介绍与精馏塔相关的工艺设备、工艺流程、控制过程及DCS控制系统常识，讲述了精馏塔控制系统所涉及到的检测仪表及DCS控制装置的基础知识。重点说明控制系统的组态、功能和控制策略，并以精馏塔工业为为例分析了自动化技术在国内重要工业领域的应用状况，阐明了自动化技术在工业发展中的重要作用。精馏塔控制系统采用DCS控制系统进行自动控制，不仅能为操作人员提供可靠的数据信息，而且还能提供主要监测点的动态画面，它还具有可靠的多级报警系统，可提示故障点和维修措施，同时，计算机

2、系统还能从宏观的角度调节精馏塔过程控制，使整个精馏塔系统从整体上协调运行，实现生产过程自动化。由于DCS组态控制灵活、接口功能丰富、参数设置方便，操作界面直观，将在乙烯精馏装置中得到广泛应用。实践表明，本系统运行可靠稳定，操作方便，正确调整有关参数，就能达到较好的控制效果，具有推广价值。关键词：自动化；精馏塔系统；DCS控制系统；计算机控制系统Monitoring and Controlling System Design of Distillation AbstractThe automated technology has become the national industry prod

3、uctive forces level an important symbol. The article introduced the industrial automation technology development based on the real-time network control automation technologys design, started from the Distillation control scheme , introduced process equipment, production process, control process and

4、DCS control system knowledge about the distillation column ，and the distillation control column system involved in instrumentation and DCS controls the basics. The composition and functions and control strategy of control system are particular described, and has analyzed the automated technology tak

5、e the batch distillation and distillation industry as the example in the domestic essential industry dominos application condition, has expounded the automated technology in the industrial development influential role. Using DCS control system in batch distillation system, it not only provide reliab

6、le data for the operator ,but also provide dynamic images of the main detecting point, and it also has a reliable multi-level alarm system to hint the failure point and maintenance measures. At the same time, the computer system can also adjust process control of batch distillation from macro angle

7、so that the whole batch distillation system harmoniously runs as a whole to achieve production process automation.The advantages such as flexible control of DCS, multiple functions, the convenient key technical parameters setting and the open-and-shut interface of the operating system etc. Will fina

8、lly make it applied extensively in the rectification device. Practice shows that the system is reliable and stable in operation and is convenient to be operated. This system can be effectively controlled if related parameters are correctly adjusted, which is of great popularization value.Keywords: a

9、utomation; batch distillation system; DCS; computer control system目录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 精馏塔控制的研究背景及意义11.2 精馏塔控制发展概况11.3精馏塔控制存在的问题及最新发展2第二章 精馏塔控制的原理和工艺要求42.1 精馏塔分馏原理42.2 精馏塔的控制要求及主要扰动52.2.1 精馏塔的控制要求52.2.2 精馏塔的干扰因数特性62.3 精馏塔的控制目标92.3.1 质量指标92.3.2 产品产量和能量消耗102.4 精馏塔装置的工艺流程12第三章 精馏塔控制方案设计133.1 精馏塔

10、控制方案133.1.1提馏段参数控制143.1.2精馏段参数控制153.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制173.2 乙烯精馏塔装置的控制方案203.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护243.3.1工艺因数影响243.3.2故障分析及系统维护253.4 仪表选型26第四章 上位机管理软件设计294.1 组太简介294.2 乙烯精馏塔工艺流程画面304.3历史趋势444.3.1创建历史趋势444.3.2历史趋势显示464.4 报警46第五章 结论48参考文献49谢 辞50第一章 绪 论1.1 精馏塔控制的研究背景及意义精馏操作是炼油、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产品质

11、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 1。精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高。这些都给自动控制的实施带来一定困难。同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，进行自动控制方案的设计和研究。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；过程动态和机理复杂” 。作为化工生产中应用最广的分离过程，精馏也是耗能较大的一种化工单元操作。但在实际生产中，为了保证产品合格，精馏装置操作往往偏于保守，操作方法以及操作参数设置往

12、往欠合理，过分离普遍存在 。精馏过程消耗的能量绝大部分并非用于组分分离，而是被冷却水或分离组分带走。因此，精馏过程的节能潜力很大，收效也极为明显。1.2 精馏塔控制的研究现状精馏是化工中首选的分离过程，虽然有许多优点，但是能耗特别大，为节能，国内外已研制出一些节能型耦合精馏塔：像反应与精馏耦合的塔。 精馏与其他分离过程耦合的塔(吸附-精馏耦合、结晶-精馏耦合等)；精馏一精馏耦合的塔：热耦精馏塔；内部热耦合精馏塔；分隔壁精馏塔(Dividing wall column)简称DWC。精馏塔也是一种最常见且消耗能量最大的操作单元。其具有较长死时延滞、相互关联的多变量系统，动态特性分析复杂并困难，难以

13、进行变量配对，约束条件复杂等特点，使其成为过程控制界多年来理论研究和实践的焦点。精馏塔的发展大致经历了下述过程2。1.在80年代以前，主要是常规仪表和计算机数字控制(DDC)，控制算法以各种单一量的PID控制、比值、分程和前馈控制等为主。2.在80至90年代，大型生产装置则采用集散型控制系统(DCS)。在硬件上将回路分散化，数据显示、监督等功能集中化，硬件可靠性大大提高，效果甚好，但在控制算法上无显著改进。3.到90年代以后，开始出现在DCS的基础上实现优化操作和高级过程控制。在硬件上采用上位计算机和下位DCS相结合。在控制算法上，在原PID控制的基础上，出现智能控制、过程控制等一些先进控制方

14、法。使得化工生产中产品质量得到了很大的提高。4.近10年来，有关精留塔控制的研究文献大量涌现，其不同时期研究热点大致趋势是：(1)开发和应用线性多变量控制技术，自适应、自校正控制，预测推理控制和鲁棒控制算法， 进行精馏塔预测控制系统和鲁棒控制系统设计。(2)考虑精馏塔节能， 应用先进控制策略控制精馏塔。近几年来， 对塔两端组份控制及控制系统结构分析综合成为首要研究热点。1.3精馏塔控制存在的问题及最新发展目前，大多数石化生产装置都采用了DCS进行控制，产生了较好的效益，但总的说来，DCS的应用水平不高，其技术优势还远没有完全发挥出来。据专家们估计，当前我国企业对DCS的应用能力普遍不及它的30

15、。这说明在DCS的应用上还存在着很大的不足。主要是DCS仍然是一门新型的控制系统，使用时要考虑它的通融性、方便性、系统配件性等。它技术更新快，应用时要考虑控制系统在技术上是否成熟，是否已有在多个行业、多个用户中成功的使用先例。并且存在一个使用成熟技术与使用先进技术的矛盾。一般而言，新技术诞生时间短，实际应用中的考验少，而成熟技术用起来非常放心，但技术先进性上肯定差一些。此外，DCS提供了强大的运算和控制功能，如TDC3000系统提供了流量累积、温压补偿等十几种算法功能，以及PID控制、比率控制等十几种控制功能。根据工艺要求所提供的控制方案，在保证生产安全的前提下，通过对乙烯精馏塔精馏段温度控制

16、，对比控制方案的优缺点，以达到最优控制，使所研究的问题符合要求，通过上位机软件的设计，完成对乙烯装置的系统主态、历史趋势和实时报警等功能的研究，使整个过程更加直观。第二章 精馏塔控制的原理和工艺要求2.1 精馏塔分馏原理以A、B两种液体混合物的分馏为例，在压力一定的情况下，A、B二种组分混合溶液汽液相温度-浓度曲线如图2.1所示。纯A的沸点是100，纯B的沸点是135.两组分的混合比变化时，混合溶液的沸点也将随之变化，如图中液相曲线所示，图中还标出了温度变化时，汽相组分的变化曲线3。设原溶液中A占20%，B占80%，把A、B混合液加热到124.5时，液体沸腾。这时，于液相共存的气相成分比是A占

17、45.8%，B占54.2%，将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A为45.8%，B为54.2%；如果在使冷凝后的液体沸腾，其沸点为114.5.这时气态成分比又变成A占73.5%，B占26.5%，这样反复的进行上诉操作，不断的蒸发和冷凝，最终就可以将A分离出来。图2.1 A,B二组分混合物温度-浓度曲线2.2 精馏塔的控制要求及主要扰动2.2.1 精馏塔的控制要求为了保证精馏生产过程安全，高效地连续进行，精馏塔自动控制系统应当满足以下几方面的要求：(1)保证产品质量 对于正常工作的精馏塔，应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度；另一端产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应以塔顶或

18、塔底一种产品的纯度作为质量参数进行控制，这样的控制系统称为质量控制系统。质量控制需要能直接测出测出产品成分的分析仪表。由于目前还不能生产出测量滞后小、精度等级高、能在线检测的分析仪表，所以在大多数情况下，精馏塔自动控制系统是通过温度控制来间接实现生产过程的产品质量检测，即用温度控制系统代替质量控制系统。(2)保证平稳生产 为了保证精馏塔的平稳运行，应设法预先克服原料进塔之前的主要可控干扰，同时尽可能减缓不可控的扰动。可通过进料的温度控制、加热剂和冷凝剂的压力控制、进料量的均匀控制等，使精馏塔的进料参数保持稳定或避免其剧烈波动。为了维持塔的物料平衡，还要控制塔顶和塔底产品采出量，使二者之和等于进

19、料量，两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔的平稳运行；精馏塔内的储液量应保持在限定的范围内。控制塔内压力稳定也是精馏塔平稳运行所必须的。(3)满足约束条件 为了保证精馏产品质量和生产过程的正常运行，必须满足一些参数的极限值所规定的约束条件。例如对塔内气体流速的上下限限制，流速过高易产生液泛，流速过低会降低塔板效率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔的流速必须严格控制，通过测量和控制塔底于塔顶间的差压，间接实现塔内气体流速的检测和控制。精馏塔本身还有最高压力限制，当塔内压力超过其耐压极限时，容器的安全就没有保障。(4)节能要求和经济性 精馏过程消耗的能量主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却能量的消耗

20、。另外，塔和附属设备及管道也要散失一部分能量。精馏塔的操作情况必须从整个经济收益来衡量。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量高一些，能量消耗尽可能低一些。2.2.2 精馏塔的干扰因数特性图2.2表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔中段某一塔板进入塔内，这块塔板就称为进料板。进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称精馏段，进料板以下部分称提馏段。在精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生产的主要干扰有以下几种4。 图2.2 精馏塔物料流程图1.进料流量F的波动进料量F的波动通常是难免的，如果精馏塔位于整

21、个生产过程的起点，则以采用定值控制。但是精馏塔进料量F往往是由上一道生产工序所决定，如果一定要使精馏塔进料量F恒定，就必须设置中间储槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减少或取消中间储槽，采取在上一道工序设置液位均匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量F比较平稳，避免F的剧烈变化。2.进料成分ZF的变化进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决定的，对图1.2所示的精馏塔来讲，它是不可控的扰动因数。3.进料温度TF和进料热焓值QF的变化进料温度和状态对塔的操作影响很大，一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料温TF度变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服

22、这种干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保证其热焓值QF稳定。当进料是气液两相混合状态时，只有当气液两相比例恒定时，恒温进料的热焓值才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓值恒定，必要时可通过热焓控制来维持进料热能恒定。4.再沸器加热剂输入热量变化当加热剂是蒸气时，通过再沸器输入精馏塔的热量扰动往往是由蒸气压力变化所引起的，这一扰动可通过在蒸气总管设置压力控制来加以克服，或者通过温度串级控制系统的副回路予以克服。5.冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或温度变化引起的，吸收热量的变化会影响到精馏塔顶回流量或回流温度，进而引起精馏塔输出热量的变化。冷却剂的温度一

23、般变化较小，而流量的变化大多是由压力波动引起的，可采用与克服加热剂压力变化类似的方法进行控制。6.环境温度的变化环境温度一般变化较小。冷凝器采用风冷方式时，天气聚变及昼夜温差对精馏塔的运行影响较大，会使回流量或回流温度发生变化，对于这种干扰可采用内回流控制的方法予以克服。内回流是指精馏塔精馏段上一层塔盘向下一层塔盘流下的液体量。内回流控制，是指在精馏过程中，控制内回流为恒定量或按某一规律变化。通过以上几点分析可以看出，进料流量和进料成分扰动是精馏塔运行中的主要干扰，一般是不可控的。其他干扰比较小，可以采用辅助控制系统预先加以克服和抑制，各种精馏塔的工作情况不尽相同，需要根据实际情况具体分析。2

24、.3 精馏塔的控制目标2.3.1 质量指标精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，因此产品的质量指标必须符合规定的要求。也就是说，塔顶或塔底产品之一应该保证达到规定的程度，而另一产品也应保证在规定的范围内5。在二元组分精馏中，情况比较简单，质量指标就是使塔顶产品中轻组分纯度符合技术要求或塔底产品中重组分纯度符合技术要求。在多元组分精馏中，情况较复杂，一般仅控制关键组分。所谓关键组分，是指对产品质量影响较大的组分。从踏顶分离出挥发度较大的关键组分称为轻关键组分，从塔底分离出挥发度较小的关键组分称为重关键组分。以石油裂解气分离中的脱乙烷塔为例，他的目的是把来自脱甲烷塔底部分产品作为进料加以分离

25、，将乙烷和更轻的组分从底部分离出来，比乙烷重的组分从塔底分离出来，这时，显然乙烷是轻关键组分，丙烯则是重关键组分。因此，对多元组分的分离可简化为对二元关键组分的分离，这就大大的简化精馏操作。在精馏操作中，产品质量应该控制到刚好能满足规定上的要求，即处于“卡边”生产。超过规定的产品是一种浪费，因此它的售价不会太高，只会增加能耗、降低产量而已。2.3.2 产品产量和能量消耗精馏塔的其他两个重要控制目标是产品的产量和能量消耗。精馏塔的任务，不仅要保证产品质量，还要有一定产量。另外，分离混合液也需要消耗一定的能量，这主要是再沸器的加热量和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔的附属设备及管线也要散失一定的热量和

26、冷量。从定性的分析可知，要使分离所得的产品纯度越高，产品产量越大，则所消耗的能量越多产品的产量通常用该产品的回收率来表示。回收率的定义是进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量。数学上组分i的回收率定义为：Ri=P/Fzi式中，P为产品产量；F为进料流量；Zi为进料组分i的浓度。产品回收率、产品纯度及能量消耗三者之间的定量关系可以用图2.3中的曲线来说明。这是对于某一精馏塔按分离50%两组合分混合液作出的曲线图，纵坐标是回收率，横坐标是产品纯度（按纯度的对数值刻度），图中的曲线是表示每单位进料所消耗能量的等值线（用塔内上升蒸气量V与进料量F之比V/F来表示）。曲线表明，在一定的能耗V/F情

27、况下，随着产品纯度的提高，会使产品的回收率迅速下降。纯度越高，这个倾向越明显。图2.3 产品纯度、产品回收率和能量消耗的关系此外，从图2.3可知，在一定的产品纯度要求下，随着V/F从小到大逐步增加，刚开始可以显著提高产品的回收率。然而，当V/F增加到一定程度以后，再进一步增加V/F所得到的效果就不显著了。例如，由图1.3可以看出，在98%的纯度下，当V/F从2增至4时，产品回收率从14%增到88%，增加了74%；当V/F再从4增加到6时，则产品回收率仅从88%增加到96.5%，只增加了8.5%。以上讨论说明，在精馏操作中主要产品的质量指标，刚好达到质量规格的情况是期望的，低于要求的纯度将使产品

28、不合格，而超过纯度要求会降低产量。然而，在一定的纯度要求下，提高产品的回收率，必然要增加能量消耗。可是单位产量的能耗最低并不等于单位产量的成本最低，因为决定成本的不仅是能耗，还有原料的成本。右此可见，在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，在控制过程中应使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。至于在质量指标一定的前提下，使单位产品产量的能量消耗最低消耗或单位产品量的成本最低以及使综合经济效益最大等，均是属于不同目标函数的最优控制问题。2.4 精馏塔装置的工艺流程使分馏产品满足质量要求是精馏塔控制系统的最终目的。控制系

29、统通过对生产过程工艺参数的检测和控制，克服扰动对生产过程的影响，保证生产安全、持续地进行6。图2.4为精馏塔装置的工艺流程。图2.4精馏塔工艺流程第三章 精馏塔控制方案设计3.1 精馏塔控制方案不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对控制的要求个不相同，因而精馏塔控制方案较多。下面对常见的几种方案进行分析。3.1.1提馏段参数控制当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为被控参数，以再沸器加热蒸气流量为控制变量。另外，液相进料时也常采用这类方案，这是因为在液相进料时，进料量F的变化首先影响到塔底产品浓度，而塔顶或精馏塔板上的温度不能及时地反映这种

30、变化。图3.1为提馏段温度控制方案，其主要控制系统是以提馏段塔板温度为被控参数，以加热蒸气流量为控制变量。为了抑制其他干扰对被控参数的影响，还没有五个辅助控制系统：对塔顶馏出液QD和塔底采出量QW，案物料平衡关系分别设有回流量和塔底液位控制系统；为保持进料量F稳定，F进行定植控制，如不可控，可在上道工序采用均匀控制以维持F平衡变化；为维持塔内压力恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制变量一般为冷凝器的冷却剂流量；塔顶回流量QL采用定植控制，而且回流量应足够大，以便当精馏塔的负荷最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内7。采用提馏段温度控制系统时，在回流量足够大的情况下，塔顶产品的质量也可以

31、保持在规定的纯度范围内，因此，即使塔顶产品质量要求比塔底严格，仍然采用提馏段温度控制系统。图3.1 精馏塔提馏段温度控制方案提馏段温度控制系统具有如下特点：1） 以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出液为主要产品，对塔底产品成分的要求高于对塔顶馏出液成分的要求时，往往采用提馏段温度控制系统方案。2） 当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，动态响应过程也比较迅速。3.1.2精馏段参数控制当以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的温度作为衡量质量的间接指标，这时可选精馏某点温度

32、作为被控参数（间接塔顶采出液的纯度），以回流量QL作为控制变量组成单回路控制系统，也可组成串级控制系统。串级控制系统虽较复杂，但可迅速而有效地克服进入副环的扰动，并可降低对调节阀特性的要求，有较高的精度。精馏段温度控制方案可保证塔顶产品的纯度，当干扰不很大时，塔底产品的纯度变化范围也不大8。图3.2所示串级温度控制系统是常见的精馏段温度控制方案，其中回路是以精馏段塔板温度为被控参数，以回流量QL作为控制变量，QL同时也是串级控制系统的副参数。为了抑制其他干扰对被控参数的影响，除了主系统外，还设有五个辅助控制系统。其中，进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热

33、量应足够大，且维持一定，可以使精馏塔在最大负荷时，仍能保证塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。图3.2 精馏塔精馏段温度控制方案精馏段温度控制系统有如下特点：1） 用精馏段温度作为间接质量指标，能较迅速、直接地反映提馏产品品质。在以塔顶采出物为主要产品，对塔顶产品成分的纯度要求高于对塔底产品成分的要求时，往往采用精馏段温度控制系统方案9。2）当干扰首先进入精馏段时，例如在汽车相进料时，进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化，故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。3）串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的抑制。可实现被控参数的高精度控制。

34、以精馏段温度作为衡量质量指标的间接被控参数，当分离的产品纯度较高时，塔底温度变化很小。为了及时、精确地检测和控制产品质量，要求温度检测仪表有很高的测量精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。所谓灵敏板，是指出现扰动时温度变化最大的那块塔板。以灵敏板温度作为被控参数有利于提高控制精度。3.1.3精馏塔的温差控制及双温差控制前面讨论的两种控制系统方案都是以温度作为被控参数这在一般的精馏塔中是可行的。但在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸点差别又不大、塔内压力存在波动时，以某一点温度作为被控参数的控制方案不能满足精馏工艺的精

35、度要求。这时常用温差控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标的间接参数，以提高控制质量，满足工艺要求10。只有当压力完全恒定时，温度与成分之间才具有单值（严格来说，只是对二元组分）对应关系。在压力波动时，用温度作为被控参数就不能很好地代表产品的成分。为了消除压力波动的影响，可以检测塔顶（或塔底）附近的一块塔板的温度，再检测灵敏板的温度。由于压力波动对每块塔板的温度影响是基本相同的，只要将上述两温度相减，压力的影响就消除了，这就是采用温差来衡量质量指标的依据。当选择温差信号时，如果塔顶（塔底）采出量为主要产品，可将一个检测点放在塔顶或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的塔板称为参照板；另

36、一个检测点放在灵敏板附近，即浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两点的温度差T作为被控参数。这时塔顶（塔底）温度实际上起参比作用，压力变化对两点温度都有相同影响，相减之后其压力波动的影响就基本抵消。温差控制虽可以克服由于塔内压力波动对塔顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题，就是当负荷变化时，上升蒸气流量发生变化，引起塔板间的压降变化。随着负荷增大，塔板间的压降增大引起的温差也将增大，温差和组分之间的对应关系就要变化。在这种情况下，可以采用如图3.3所示的双温差控制系统，实现对高纯度精馏产品的质量控制。下面分析双温差控制系统的工作原理。图3.3 精馏塔双温差控制方案在进料组分基本稳定的情况

37、下，负荷变化引起的塔内上升蒸气流量变化会使塔板之间压降变化，而灵敏板于参照板之间压降变化由会引起参照板温度与灵敏板温度之间温差变化。如果控制系统能够使两个参照板与两个灵敏板之间的温差相等，就能够消除负荷扰动的影响，达到质量控制的目的，这就是双温差控制的依据11。双温差控制也称温差差值控制。由图3.3可以看出，双温差控制就是分别在精馏段和提馏上选择温差信号，然后将两个温差信号相减作为调节器测量信号（即控制系统的被控参数）。从前面的分析可知由压降引起的温差变化，不仅出现在精馏段（顶部），也出现在提馏段（底部），这种因负荷变化在精馏段合格提馏段引起的温差变化相减后就可相互抵消。3.2 乙烯精馏塔装置

38、的控制方案乙烯精馏过程是传质、传热的复杂过程，各变量之间互相关联、耦合，系统存在时滞性、非线性等特性，因此是一个工艺机理复杂，控制难度较大的过程。随着计算机控制在化学工业中的普及和控制理论的发展，人们已不满足单纯从生产过程的工艺改进和生产设备规模扩大上获取经济效益，而是对乙烯生产装置实行优化操作，发挥现有装置的内在潜力，以低能耗、低成本获得较高的经济效益。乙烯精馏塔是将来自脱乙烷塔顶，并经过乙炔加氢反应后的原料气(内含C2 H4、C2H6、H2、O2、CO、C2H2、C3H6 )在塔内经气液分离，最后在塔顶得到含量为99.95 %的乙烯产品，塔底乙烯含量不超过05%的乙烷产品。乙烯精馏塔工艺流

39、程图如图3.4所示，进料流量为20 th左右，进料组分中含乙烯(C2 H4)80%左右，乙烷18%左右，其余还有少量的H2、CO2、CO、C3H、CH4、C2H2等气体，自塔板泡点进入塔内，经气液交换分离后自塔顶出来的是含少量杂质的乙烯气体，经-40的丙烯冷媒冷凝后作为回流，不凝气体部分定量返回到压缩工段，回流液从第一块塔板返回塔内。成品乙烯从塔板侧线出料，其乙烯纯度要求大于9995%，大部分液体继续流向塔釜，经再沸器的丙烯加热成为蒸汽上升，与下降的液体接触分离，升至塔顶，如此反复。以乙烷为主的产品经塔釜排出，作为下一工段原料，要求乙烯含量小于05%。该塔的能耗系统由塔釜再沸器、塔顶冷凝器三部

40、分组成12。 图3.4 乙烯精馏塔工艺流程该系统投运后使出料流量马上趋于平稳，且平均产量增加，产品乙烯中的浓度大约在0.04%左右，即乙烯浓度接近指标9995 ，塔底组分合格，达到很好地降低能耗、提高产量的目的。乙烯精馏塔共有127层双溢流形式的浮阀塔盘,乙烯精馏塔有2个底部再沸器,2个侧线再沸器;1个用于回收不凝气中乙烯的冷凝器和2个塔顶冷凝器,从乙烯精馏塔塔顶出来的气体经冷凝器冷凝后,液相作为回流,少量不凝气返回裂解气压缩机。液态乙烯产品从乙烯精馏塔第9块塔板抽出,从乙烯精馏塔底部抽出乙烷。产品质量控制采用灵敏板控制方式,第115块塔板的在线分析控制器通过与塔底再沸器(EA403A/B)的

41、丙烯冷剂的流量控制器构成串级控制来实现产品的质量控制;为了防止乙烯产品的过量采出,塔顶回流量与侧线产品采出量采用比值控制(比例一般设为41);回流罐液位与回流量构成串级控制;PIC-403控制进入回流冷凝器的冷剂量,PIC-404控制回流罐不凝气体的放空;侧线再沸器(EA603)的流量控制与再沸器的液位控制器进行低选,来控制进入换热器壳层的乙烯流量13。乙烯精馏塔的操作和控制水平直接关系到乙烯产品的质量、收率和能量消耗。通常要求在保证塔顶乙烯产品控制在规定纯度的前提下,提高乙烯产量、降低塔底乙烯损耗和能耗。常规控制难以达到上述目的,因此,必须采取先进控制。乙烯精馏塔是精细分离塔，对产品质量要求

42、严格，产品不合格将造成很大的经济损失。由于分离过程通道很长，对进料扰动及调节器输出存在很大的纯滞后与很长的响应时间，这就给控制带 来很大困难。又考虑到过程波动，往往要超规格运行而引至过量的冷剂消耗。控制系统改造中，采用前馈，大纯滞后补偿及直接质量反馈控制等先进控制技术，克服了进 料扰动，塔的干扰因素及惯性影响，使系统操作平稳，维持乙烯产品中乙烷含量在规定的最大允许值，保持塔底产品中乙烯浓度符合工艺要求。结果明显的节省冷剂用量及增加乙烯收率。乙烯精馏塔工艺机理复杂,影响塔釜乙烷采出量的因素很多,一般精馏塔直接根据液位调节塔釜流量。但由于本乙烯精馏塔半径大,塔釜高度小,如果象一般精馏塔那样把液位控

43、制在70%80%,当液位降低时,会出现液位失控的情况,所以本塔液位一般控制在满液位。由于乙烯精馏塔液位为满液位液位可调范围太小,所以不能象一般精馏塔那样通过控制液位来调节塔釜采出流量。乙烯精馏塔压差是衡量乙烯精馏塔稳定的一个主要依据,液位升高则压差增大,所以选取压差作为间接指标,根据压差来调节塔釜采出量。影响乙烯精馏塔压差的因素很多,比如进料流量、塔釜液位、塔釜温度、灵敏板乙烯浓度等,这些因素相互耦合,互相影响。长期以来一直由现场操作人员凭经验判断影响压差的因素然后手动调节,若操作人员疏忽或经验不足会出现塔系不稳的情况。此外,乙烯精馏塔塔釜采出量的调节影响到裂解炉的平稳操作,不同操作人员的操作

44、习惯不同,会对裂解炉造成不同程度的干扰14。3.3 精馏塔工艺因数影响及系统维护3.3.1工艺因数影响(1)上升蒸汽和回流影响在精馏塔内，上升蒸汽流量变化的响应是相当快的。由于上升蒸汽只需克服塔板上级薄覆盖的液相阻力，而塔内汽相蓄存量的变化在塔压控制一定时可忽略不计，因此上升蒸汽量的变化几秒钟内就可以影响到塔顶。然而，从塔板下流的液相却有相当大的滞后。这是因为回流量增加时，首先要使积存在塔板上的蓄存量增加，然后在这增加的液体静压头的作用下，才使离开塔板的液相速度增加，因此对回流量变化的响应存在着滞后性(2)组分滞后的影响无论是改变再沸器加热量引起上升蒸汽变化还是由于回流的变化，均是通过对每块塔

45、板上组分之间的平衡施加影响，最终才引起顶部产品或顶部产品组分浓度的变化。由于组分要达到静态平衡需要很长时间，因此尽管上升蒸汽量变化可以很快影响到塔顶组分浓度，但要使塔顶组分浓度变化达到一个新的平衡仍需花费相当常的时间。回流变化情况也是类似的，只是花费的时间更多。这就是说，塔板上的组分平衡要等到影响组分的液相或汽相流量稳定相当时间后才能建立。组分滞后随着塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而随塔板数的增加而增加，也随着回流比的增加而增加，因为回流比的增加，意味着塔板上蓄液量的增加。由于再沸器加热量的增加引起上升蒸汽量的增加，将会改善汽、液接触，从而使组分滞后减少15。3.3.2故障分析及系统维护图3

46、.5为精馏塔故障发展曲线。精馏塔的故障情况，其主要故障有塔板效率低、塔底温度低、回流温度高和液泛等。图3.5 潜在故障向功能故障发展的示意图针对以上故障，应用射线现场扫描检测技术可以诊断和消除故障、优化操作条件和延长操作周期等，并且为炼油和化工企业指导生产提供重要数据或科学依据。确定精馏塔检测周期及维修时间对精馏塔各个部件的监测周期的确定要依赖于精馏塔本身的寿命，在这里取精馏塔的平均极限寿命为T，则检测周期Tc=Tnd，其中nd为离散度系数。nd的确定取决于设备运行的环境状况。精馏塔的维修时间要视检测后的精馏塔状况来确定，在这里规定精馏塔的最大运行状态为精馏塔在发生故障前各参数能够达到的最大值

47、，当其中的一个或几个参数超过该值时，即认为精馏塔已经达到极限寿命，需要修理。3.4仪表选型检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。测量仪表和传感器的选型原则是：(1)可靠性原则：可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定功能的能力。可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。(2)实用性原则：实用性是指完成具体功能要求的能力水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又要考虑经常性，并非功能越强越好。(3)先进性原则：随着自动化技术的飞速的发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越短。在可能的条件下，应尽量采用先进的设

48、备。由过程控制的任务可知，系统中常遇到的被测参数有温度、压力、流量、物位和成分等，根据上面所讨论的仪表选型原则和乙烯精馏的特点可选出仪表类型。以下重点讲述了温度和压力仪表的选型。温度仪表：SBW-带热电偶温度变送器-上海自动化仪表三厂。其特点：变送器部件是小型化的，可安装于热电偶热电阻的接线内，成为一体化温度变送器。作为一体化温度变送器在工业现场直接输出420mA信号，这样既省去昂贵的补偿导线，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。变送器部件精度高、功耗低，使用环境温度范围宽，工作稳定可靠。而且由于采用硅橡胶密封结构，变送器耐震、耐湿，适宜于恶劣现场环境中使用。压力仪表：CYI17E电位计式小型压力传感器上海自动化仪表三厂。其特点是振动性好，在较恶劣的工作环境下，工作可靠性高，使用方便，能作遥测及远距离传输。阀门仪表：ZJHC64型气动薄膜切断