【正文】 油生產(chǎn)過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)，對精餾過程的控制質(zhì)量直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗量，因此精餾過程的控制一直是受到高度重視的典型控制系統(tǒng)之一。完成精餾過程的主要裝置叫做精餾塔，此外還有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等輔助設(shè)備。 二、精餾過程的控制目標(biāo) 精餾塔控制的首要目標(biāo)就是要滿足產(chǎn)品質(zhì)量，即保證各種產(chǎn)品的純度；同時還應(yīng)該考慮生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益問題，要使總的收益最大或總的成本最小。所謂關(guān)鍵組分，是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的組分。 分析可知，產(chǎn)品純度越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多。精餾塔的靜態(tài)特性就反映了影響因素與精餾效果之間的定量關(guān)系；動態(tài)特性則反映了精餾塔各參數(shù)變化時這些參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系以及對精餾過程的動態(tài)影響。由于精餾過程的影響因素很多，這里只對如圖 餾塔在以下假設(shè)的前提下進(jìn)行討論。改變氣液比必將使塔板上濃度發(fā)生變化。一般情況下，進(jìn)料量和進(jìn)料濃度是不可控制的。由于精餾塔是一個多變量、時變和非線性的對象，各變量之間又存在相互關(guān)聯(lián)，因此定量分析參數(shù)間動態(tài)影響并且建立其數(shù)學(xué)模型是比較困難的，這里僅定性地從幾個側(cè)面分析塔的動態(tài)影響?；亓髯兓瘯r花費的時間更多。為此要使 Vr， L和 D的關(guān)系式成立而且不存在滯后，回流罐的液位必須嚴(yán)格保持恒定，這樣在采用改變 D(或 D/F)來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在 Vr不變時使回流量 L及時跟蹤采出量 D的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。目前工業(yè)上常用的方案是通過保證溫度間接保證產(chǎn)品質(zhì)量。因而，對溫度檢測儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，這往往很難滿足的。但如果是精密精餾，產(chǎn)品純度要求很高，微小的壓力波動對純度的影響就不能再忽略了。為了使控制系統(tǒng)能正常工作，溫差與產(chǎn)品純度應(yīng)該具有單值對應(yīng)關(guān)系。相反，如果塔底的輕組分質(zhì)量濃度較高，靈敏板就位于進(jìn)料板之下，稱為提餾段靈敏板。 1. 物料平衡控制 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 物料平衡控制方式并不對塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行直接的控制，而依據(jù)精餾塔的物料平衡及能量平衡關(guān)系進(jìn)行間接控制。根據(jù)控制的產(chǎn)品不同，該方案可分為對精餾段指標(biāo)控制和對提餾段指標(biāo)控制 1) 按精餾段指標(biāo)控制 當(dāng)塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往對精餾段指標(biāo)進(jìn)行控制?；亓髁坎▌硬焕诰s塔的平穩(wěn)操作 ,所以方案中由溫度控制器對回流量進(jìn)行控制。 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 圖 精餾段物料平衡控制方案 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 2 ) 按提餾段指標(biāo)控制 當(dāng)主要產(chǎn)品為塔底液時，就要按提餾段指標(biāo)控制。一旦回流量不足就容易引起液泛，造成塔的操作異常。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 首先，回流比較高時，頂部產(chǎn)品量與塔內(nèi)部的氣相和液相流量相比較小，若采用能量平衡控制系統(tǒng)，則再沸器加熱量或回流量的微小波動都會引起頂部采出量很大變化 (百分比 )，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，從溫度控制切換到傳統(tǒng)的物料平衡控制非常方便。更好的方法是采用圖 。同樣，控制塔底再沸器加熱量時，也將影響到塔頂溫度的變化。它是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的環(huán)節(jié)，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)正常運行有重要的意義。換熱設(shè)備的常見結(jié)構(gòu)類型有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等四種，如圖 。 如果令 R=B/λF ，并稱其為導(dǎo)熱過程的熱阻，則上式又可改寫成 上式為傳熱過程速率與其過程推動力及阻力之間關(guān)系的一般表達(dá)式，從形式上可以看出，它和電學(xué)中的歐姆定律非常相似，所以該式又被稱為傳熱過程的歐姆定律。因此，熱輻射在熱量的傳遞過程中伴有能量形式的轉(zhuǎn)化過程，即熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，輻射能又轉(zhuǎn)化成熱能。 經(jīng)實驗證明 ，灰體在單位時間內(nèi)的輻射能量可表示為 40 ()100TqC??(733) 熱輻射可以是單向的也可以是雙向的，工業(yè)上就經(jīng)常遇到兩固體間相互熱輻射的情況。例如：在工業(yè)過程中常用的間壁式熱交換器的工作溫度不是很高，這時候就可以忽略熱輻射的過程，認(rèn)為傳熱過程是對流和熱傳導(dǎo)的組合。 (3) 在換熱過程中，傳熱壁面兩側(cè)流體中如果有一側(cè)發(fā)生相變，則發(fā)生相變的一側(cè)視為集中參數(shù)，另一側(cè)需視具體情況而定，例如列管式蒸汽加熱器、氨冷凝器等。 傳熱設(shè)備的自動控制系統(tǒng)中的滯后不僅來自于被控對象，而且來自于測溫元件。例如，在合成氨生產(chǎn)中，脫硫、變換等生產(chǎn)過程的原料氣體溫度就有明確的要求。例如常見的空氣分離過程，就必須吸收因空氣被液化而釋放的熱量。 絕大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)都是為上述 (1)、 (2)兩個目的服務(wù)的。這種控制方案在間接加熱的場合是最常見的。 在該方案中，一部分工藝介質(zhì)經(jīng)過換熱，另一部分不經(jīng)換熱，由旁路管道越過換熱器，然后與經(jīng)過換熱的介質(zhì)混合。如果單回路控制系統(tǒng)無法滿足控制要求，則可以進(jìn)一步引入復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、前饋或更加復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)。另外，加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長爐管使用壽命。定性分析加熱爐的傳熱過程可知：爐膛火焰將熱量輻射給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流傳熱給工藝介質(zhì)。在這些擾動因素中有的是可控的，有的是不可控的，應(yīng)該區(qū)別對待。很多加熱爐的溫度要求相當(dāng)嚴(yán)格，允許波動范圍很小 ,經(jīng)常在幾個攝氏度甚至 (1～ 2)℃ ，這對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)是個極大的考驗。因此加熱爐的傳熱過程比較復(fù)雜，想從理論上獲得對象特性是很困難的。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 傳熱設(shè)備的控制 (b)凝液蒸汽工藝介質(zhì)PC TC蒸汽(a )凝液工藝介質(zhì)TCFC圖 換熱器出口溫度的串級控制方案 蒸汽凝 液工 藝 介 質(zhì)F CT CSPVGVFKFG圖 換熱器出口溫度的變比值串級控制方案 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 傳熱設(shè)備的控制 三、加熱爐的控制 管式加熱爐是在化工生產(chǎn)中常見的加熱設(shè)備，為后續(xù)工序提供溫度合適的原料。 大多數(shù)情況下，當(dāng)被加熱 (或制冷 )介質(zhì)自身的流量和初始溫度都比較穩(wěn)定時，采用單回路控制方式就能較好地滿足控制要求。這種方案的缺點是滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。 調(diào)節(jié)加熱物質(zhì)的流量大小，實質(zhì)是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù) K和 ΔT m平均溫差。當(dāng)工藝要求不同而且溫度與其他變量間的關(guān)系明確時，被控變量也可以換成流量、壓力、液位等其他變量。 3) 為改變物料的相態(tài)而進(jìn)行換熱。 二、換熱器的控制 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 傳熱設(shè)備的控制 在確定換熱器的控制方案之前，首先要先明確換熱器的工作目的，然后確定其被控變量和操作變量，最后制定控制方案。在間壁式換熱器中，熱流體的熱量通過對流傳熱傳給間壁，再由間壁將熱量以對流方式傳給冷流體。 (2) 在換熱過程中，傳熱壁面兩側(cè)流體都發(fā)生相變，則兩側(cè)的溫度皆可近似為集中參數(shù)，不必作為分布參數(shù)處理，典型的例子就是精餾塔的再沸器。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 傳熱設(shè)備的控制 對于面積均為 F的兩平行壁面之間的輻射傳熱，其傳熱速率為 441212 ( ) ( )100 100TTq C F?? ???????? (734) 0121211 1CC??? ??? (735) 前面簡單敘述了熱量傳遞 3種方式的主要機(jī)理。 在工業(yè)過程中遇到的物體大多都可以看成是灰體 。而熱量的另外一種傳遞方式 —— 輻射傳熱則完全不同，它不需要通過任何介質(zhì)來傳遞，可以穿越真空進(jìn)行，典型的例子就是太陽向地球表面的輻射能量過程就是熱輻射。式中負(fù)號表示熱流方向總是與溫度梯度的方向 (即溫度上升的方向 )相反。在間接換熱中，熱量首先高溫流體傳給器壁，器壁再把熱量傳向低溫流體。例如，蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶等過程都需要根據(jù)工藝要求使物料維持一定的溫度；還有某些化學(xué)變化過程，為了保證反應(yīng)的正常進(jìn)行，更需要嚴(yán)格控制反應(yīng)物或者催化劑的溫度。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 圖 兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之一 圖 兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之二 圖 兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之三 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 在圖 ，塔頂、塔底產(chǎn)品質(zhì)量均采用能量平衡加以控制。容器容積越大，滯后的影響也就更嚴(yán)重。 最后，用改變物料平衡來控制溫度的方案，類似于傳統(tǒng)的物料平衡控制方案。此外，同樣要求回流量應(yīng)足夠大，以保證在最大負(fù)荷時的產(chǎn)品質(zhì)量。 對于提餾段靈敏板溫度而言，該方案采用再沸器加熱量 QH作為操縱量，在動態(tài)響應(yīng)上要比操作回流量的滯后小，反應(yīng)迅速，對克服進(jìn)入提餾段的擾動和保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量有利，因此該方案成為應(yīng)用最廣的精餾塔控制方案。然而該方案溫度控制回路滯后較大，反應(yīng)較慢，從采出量 D的改變到溫度變化，要通過回流罐液位控制回路來實現(xiàn)，必然引入滯后，特別是回流罐容積較大時，反應(yīng)更慢，給控制質(zhì)量的提高帶來了困難。 圖 精餾段能量平衡控制方案 圖 滯后小，反應(yīng)迅速，對克服進(jìn)入精餾段的擾動和保證塔頂產(chǎn)品是有利的，這是精餾塔控制中最常用的方案。當(dāng)然，該方案沒有考慮塔內(nèi)物料的存儲量變化，所以，它只適合于擾動不很大的情況。這里將這些控制方案進(jìn)行分類討論。 工藝分析表明，如果塔頂?shù)闹亟M分質(zhì)量濃度較高，就會使全塔溫度偏高，在負(fù)荷變化時精餾段的溫度變化更為明顯，其中又有一塊塔板溫度變化最快，稱此塊塔板為精餾段的靈敏板，該板位于進(jìn)料板之上。如圖 和異丁烷分離塔的溫差 ΔT 和塔底產(chǎn)品中輕組分質(zhì)量濃度 XD之間關(guān)系的示意圖。 采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)，是為了消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。但是，當(dāng)產(chǎn)品純度接近質(zhì)量要求的給定值時，在鄰近塔頂或塔底的各板之間的溫度差已經(jīng)很小。 四、精餾塔質(zhì)量指標(biāo)的選取 精餾塔最直接的質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品純度。從工藝過程看，必須要經(jīng)過回流罐才能影響到，而回流罐有一定的蓄液量，會使從的變化到的變化產(chǎn)生滯后。 2) 組分滯后的影響 無論是改變上升蒸汽量變化還是改變回流量，都必須通過改變每塊塔板上組分之間的平衡，最終才引起頂部產(chǎn)品或底部產(chǎn)品組分的質(zhì)量濃度的變化。前三個量是通過影響全塔的物料平衡與塔的內(nèi)部物料平衡來起到控制作用；后三個量直接改變塔的能量平衡關(guān)系和改變塔內(nèi)氣液比，從而起到控制質(zhì)量的作用。對提餾段內(nèi)任一塔板以下作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關(guān)系式為 s s 1 BjjV y L x B x???(722) 式 (722)亦可改寫為 s 1BssjjL By x xVV???(723) 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 通過以上對進(jìn)料板、精餾段、提餾段物料平衡關(guān)系的分析，可知影響精餾過程的主要因素有：進(jìn)料量、進(jìn)料中輕、重組分各自的質(zhì)量濃度、進(jìn)料溫度和進(jìn)料狀態(tài)、再沸器的加熱量、冷凝器的冷卻量、回流量、塔頂引出量、塔底引出量、塔壓。 精餾段的物料平衡關(guān)系如圖 。 2) 能量平衡 在穩(wěn)態(tài)工況下，通過傳熱和進(jìn)料帶入精餾塔的所有能量必然與通過傳熱和產(chǎn)品帶出的離開塔的能量相平衡。這些參數(shù)的變化都會引起傳質(zhì)和傳熱過程的穩(wěn)定和效率，對這些參數(shù)的變化應(yīng)及早克服。精餾塔的能量消耗主要來自混合液的分離過程，包括再沸器的加熱和冷凝器的冷卻耗能。 在二元組分精餾中，情況較簡單，質(zhì)量指標(biāo)就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù)要求。塔內(nèi)上升的蒸汽依次經(jīng)過所有的塔板，蒸汽中易揮發(fā)組分的濃度逐漸增高，上升到塔頂后進(jìn)入冷凝器被冷凝成為液體，經(jīng)回流罐和回流泵后一部分作為塔頂產(chǎn)品 D連續(xù)引出，另一部分則引回到頂部的塔板上用作為塔內(nèi)冷卻液，稱為回流量 L。傳質(zhì)是精餾的目的，傳熱是精餾的手段。這兩個方案中，前者的實時性較好，能比較及時地反應(yīng)蒸汽質(zhì)量流量的變化；而后者的投資較小，但不能保證蒸汽質(zhì)量流量的瞬時準(zhǔn)確性。在這樣的三沖量復(fù)合控制系統(tǒng)中，串級控制和前饋控制組成了一個完善的整體，能夠比較全面、準(zhǔn)確地完成控制任務(wù)。設(shè)閥門安裝特性工作點斜率為 KV，則 VWP?? ?(75) 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 式中， ΔP —— 閥門輸入信號變化量； ΔW —— 閥動作后引起的給水流量變化量。其控制思路是：測量出蒸汽負(fù)荷的大小，根據(jù)物料平衡原理，只要給水量與蒸發(fā)量完全相等，那么水位將保持不變，從而克服假水位的影響，也就是利用前饋控制抑制負(fù)荷擾動；其他干擾因素引起的水位變化則由反饋控制來克服。這樣 ， 給水量隨著蒸汽負(fù)荷的變化而變化 ， 而且變化方向和數(shù)量是完全相同的 ， 可以以此來避免在單沖量方案中出現(xiàn)的調(diào)節(jié)器誤動作 。 這里指的單沖量即汽包水位 。 當(dāng)蒸汽流量突然增加時 ， 由物料平衡原理得出的水位變化如曲線所示 ， 而由于假水位導(dǎo)致的水位變化如曲線所示