【文章內容簡介】 態(tài)的改變，而進料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負荷的改變，進而產品質量、物料平衡都將發(fā)生改變。因此，進料溫度是影響精餾塔操作的重要因素之一。（5）回流比的大小對精餾塔精餾段操作的影響 操作中以改變回流比的大小來保證產品的質量。當塔頂餾分中重組份含量增加時，常采用加大回流比的方法將重組份壓下去，以使產品質量合格。當精餾段的輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時，可以用適當減少回流比的辦法以使塔下部溫度提起來。增加回流比，對從塔頂得到產品的精餾塔來說，可以提高產品質量，但是卻要降低塔的生產能力，增加水、電、汽的消耗?；亓鞅冗^大，將會造成塔內物料的循環(huán)量過大，甚至能導致液泛，破壞塔的正常操作。（6）塔頂冷劑量的大小對精餾塔精餾段操作的影響 對采用內回流操作的塔，其冷劑量的大小，對精餾操作的影響比較顯著；同時也是影響回流量波動的主要因素。 對于采用外回流的塔，同樣會由于冷劑量的波動，在不同程度上影響精餾塔的操作。例如，冷劑量減少，將使冷凝器的作用變差，冷凝液量減少，而在塔頂產品的液相采出量作定值調節(jié)時，回流量勢必減少。假如冷凝器還有過冷作用（即通常所稱的冷凝冷卻器）時，則冷劑量的減少，還會引起回流液溫度的升高。這些都會使精餾塔的頂溫升高，塔頂產品中重組份含量增多，質量下降。（7）塔頂采出量的大小對精餾塔精餾段操作的影響 塔頂采出量的大小和該塔進料量的大小有著相互對應關系，進料量增大，采出量應增大。 眾所周知，采出量只有隨進料量變化時，才能保持塔內固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會破壞塔內的氣液平衡。 例如，當進料量不變時，對采用內回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢必減少，引起各板上的回流液量減少，氣液接觸不好，傳質效率下降；同時操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。結果是重組分被帶到塔頂，塔頂產品的質量不合格。 在強制回流的操作中，如果進料量不變，塔頂采出量突然增大，則易造成回流液槽抽空?；亓饕阂恢袛?，頂溫就升高，這同樣也會影響塔頂產品質量下降。如果進料量加大，但塔頂采出量不變，其后果是回流比增大，塔內物料增多，上升蒸汽速度增大，塔頂與塔釜的壓差增大，嚴重時會引起液泛。 精餾塔被控變量的選擇精餾塔被控變量的選擇，主要討論質量控制中得被控變量的確定，以及檢測點的位置等問題。通常，精餾塔的質量指標選取有兩類：直接的產品成分信號和間接的溫度信號。 （1）采用產品成分作為直接質量指標 以產品成分的檢測信號直接用作質量控制的被控信號，應該說是最為理想的。過去，因成分參數在檢測上的困難，難以直接對產品成分信號進行質量控制。近年來，成分檢測儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線應用，為以成分信號直接作為質量控制的被控變量，創(chuàng)造了現實條件。 然而，因成分分析儀表受以下三方面的制約，至今在精餾塔質量控制上成功地直接應用還是為數不多的： ① 分析儀表的可靠性差； ② 分析測量過程滯后大，反應緩慢； ③ 成分分析針對不同的產品組分，品種上較難一一滿足。 因此，目前在精餾操作中，溫度仍是最常用的間接質量指標。 （2）采用溫度作為間接質量指標 溫度作為間接質量指標，是精餾塔質量控制中應用最早也是目前最常見的一種。對于一個二元組分精餾塔來說，在一定的壓力下，沸點和產品的成分有單值的對應關系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應了成分。① 溫度點的位置通常，若希望保持塔頂產品質量符合要求，也就是頂部鎦出物為主要產品時，應把間接反映質量的溫度檢測點放在塔頂，構成所謂精餾段溫控系統。②靈敏板問題采用塔頂溫度作為間接質量指標時，實際上把溫度檢測點放置在塔頂是極為少數的。因為在分離比較純的產品時，鄰近塔兩端的各板之間溫差時很小的，這時塔頂的溫度出現稍許的變化，產品質量就可能超出允許的范圍，因而必須要求溫度檢測裝置有很高的精度與靈敏度，才能滿足控制系統的要求。這一點實現起來有較大的難度，所以，在實際使用中是把溫度檢測點放在進料板與塔頂之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當塔收到干擾或控制作用時，塔內各板的組分都將發(fā)生變化，隨之各塔板的溫度也將發(fā)生變化，當達到新的穩(wěn)態(tài)時，溫度變化最大的那塊塔板，即稱為靈敏板。靈敏板的位置可以通過逐板計算，經比較后得出，但是，由于塔板的效率不易估準，所以還需結合實踐結果加以確定。通常，先根據測算，確定靈敏板的大致位置，然后在它附近設置多個檢測點，根據實際運行中得情況，從中選擇最佳的測量點作為。第4章 精餾塔精餾段溫度控制方案設計串級控制是改善調節(jié)質量極為有效的方法，在過程控制中得到了廣泛的應用。對精餾塔精餾段溫度串級控制系統引起出口溫度的因素很多：被加熱流量的和溫度的擾動，壓力的波動、熱質的變化，回流量的擾動等，而對這些擾動單回路控制系統并不能把所有的干擾都包含進去，不能是出口溫度穩(wěn)定在要求的值上，為解決上述滯后時間和控制要求之間的矛盾，保持出口流量溫度的恒定，可以通過溫度串級控制系統來實現。 串級控制系統的特點 （1）抗干擾性強。由于主回路的存在，進入副回路的干擾影響大為減小。同時，由于串級控制系統增加了一個副回路，具有主、副兩個調節(jié)器，大大提高了調節(jié)器的放大倍數，從而也就提高了對干擾的克服能力，尤其對于進入副回路的干擾。表現更為突出。 （2）及時性好。串級控制對克服容量滯后大的對象特別有效。 （3）適應能力強。串級控制系統就其主回路來看，它是一個定值控制系統，但其副回路對主調節(jié)器來說，卻是一個隨動控制系統，主調節(jié)器能夠根據對象操作條件和負荷的變化情況不斷糾正副調節(jié)器的給定值，以適應操作條件和負荷的變化。 （4）能夠更精確控制操縱變量的流量。當副被控變量是流量時，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動都會影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號保持嚴格的對應關系。采用串級控制系統后，引入流量副回路，使流量測量值與主控制器輸出一一對應，從而能夠更精確控制操縱變量的流量。 精餾塔精餾段溫度串級系統的原理與結構單回路控制系統能解決工業(yè)過程自動化過程的大量參數定值控制問題。對于多數復雜控制系統，如多輸入多輸出系統、大滯后系統和擾動較大的系統等簡單控制系統就很難控制，無法滿足控制系統的控制。串級控制系統在改善復雜控制系統的控制指標方面具有較大的優(yōu)勢。（1） 被控變量的選擇 對于二元精餾塔，當塔壓恒定時，溫度與成分之間有一一對應的關系，因此，常用溫度作為被控量。對于多元精餾塔．由于石油化工過程中精餾產品大多數是碳氫化合物的同系物。在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對應關系。誤差較小。因此。絕大多數精餾塔當塔壓恒定時采用溫度作為間接質量指標。（2）操縱變量的選擇精餾段的溫度控制精餾段溫度控制以精餾段產品的質量為控制目標．在恒壓下根據溫度檢測點的位置不同。有塔頂溫度控制、靈敏板溫度控制和中溫控制等類型。操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。而回流量L的動態(tài)響應快，溫度稍有變化，即可通過調節(jié)回流量L加以控制，能夠很好的克服。 工藝描述影響精餾塔精餾段過程的因素是多方面的，而精鎦段是在一定物料平衡和能量平衡的基礎上進行操作的，分析精餾塔的物料和能量平衡對制定精餾塔精餾段的控制至關重要。 精餾塔的基本：以二元簡單精餾為例，介紹物料平衡和能量平衡的基本關系。 物料平衡： (21) 增大，減小。式中 F ，D，B——進料、頂餾出液和底餾出液量；, , ——進料、頂餾出液和底餾出液中輕組分含量。 能量平衡： (22)式中分離度,s增大，增大，減小，說明塔系統分離效果增大。為塔特性因子，V為上升蒸汽量，是由再沸器施加熱量來提高的。增大，分離效果增大，能耗增大。對于一個既定的塔，進料組分一定，和一定， 完全確定。分析精餾塔精餾段過程，本文對主回路采用串級控制系統，其主、副調節(jié)器所起作用各有側重。主調節(jié)器起定值控制作用，且主控參數允許波動范圍很小，一般要求無余差，因此采用需要高精度的免疫PID控制器；由于回流量的變化能夠較快地反映在精餾段溫度變化上，且能夠通過閥門進行控制，因此選擇回流罐的液位量控制作為串級控制的副控參數。在串級控制中，副調節(jié)器起隨動控制作用，且副控參數的調節(jié)也是為了保證主控參數的控制質量，可以有一定的余差，因此副調節(jié)器采用P調節(jié)器。由于進料量和進料溫度對進料餾段溫度影響較大。 精餾塔精餾段控制的原理我們的控制目的是使塔溫保持恒定，現選用精餾段的溫度, 與回流量來構成串級隨動控制。圖中TC表示溫度調節(jié)器，LC表示量調節(jié)器液位調節(jié)器，TC通常按PID調節(jié)規(guī)律，流量調節(jié)器按P調節(jié)規(guī)律。當溫度發(fā)生變化時，由主調節(jié)器（ 溫度調節(jié)器TC）進行控制，其輸出作為副調節(jié)器（液位調節(jié)器LC）的給定值，最終控制閥門的開度，主控回路的輸出作為副控回路設定值修正的依據，副控回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對象，液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時地控制閥門的開度位置，較快地克服了液位的變化對出料溫度的影響。如果液位是恒定的，只需測量實際溫度，并使其與溫度設定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的閥門就能保持溫度的恒定。路中，以補償過程的動態(tài)特性，使被控對象的滯后時間超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時間滯后問題，減少了系統的超調量，加速了系統的調節(jié)過程，另外，通過增大液位調節(jié)器的比例增益，系統的等效時間常數可以獲得較小的數值，從而增加了副控回路的響應速度，提高了系統的工作。在這個計算機串級隨動控制系統中，串級控制起到了及時檢測系統中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并加控制，閥位與流量得到了及時的調節(jié)，使塔溫的控制達到了良好的控制效果，并且使系統具有一定的自適應能力，有效地解決了對象的等效純滯后時間很長的問題。二次干擾為該系統的主要擾動，副控回路有效而快速地克服二次擾動的影響。當擾動發(fā)生在副回路內，例如液位發(fā)生波動引起精餾段的溫度變化時，由于有副控回路的存在，液位調節(jié)器能及時地動作，快速消除了擾動的影響；當擾動發(fā)生在副控回路以外時，如物料、能量的轉輸變化引起精餾段的溫度變化，溫度調節(jié)器及時改變其輸出信號，由副控回路去改變流量，克服了擾動。 精餾塔精餾段溫度串級控制的研究 精餾過程由于內在機理復雜，對控制作用的響應緩慢，參數間關聯密切，因此控制要求高，難度大。又由于其非線性、強耦合、質量參數在線檢測困難等特點，使得精餾塔的自動控制問題成為過程控制界研究的。精餾塔借助于冷凝器的冷卻來保持其精餾段的溫度恒定，由于冷凝器的傳熱和精餾塔的傳質過程，使對象的等效純滯后時間很長。實驗和經驗表明，塔溫控制對象可近似為一個純滯后環(huán)節(jié)和一個一階環(huán)節(jié)。在精餾塔精餾段溫度控制系統中，保持回流量的恒定與塔溫發(fā)生變化能及時地調節(jié)回流閥門的開度使塔溫保持恒定是我們的最終控制目的。如果采用傳統的控制算法，回流量得不到及時地調節(jié)，溫度變化以后才調節(jié)回流閥門的開度來改變蒸氣的供給量，產生了過程上的時間滯后問題，使被控對象的等效時間很長不能及時地反應系統所承受的擾動，從而達不到預期的控制效果。本文針對這個問題，提出采用主控回路和副控回路相配合的溫度串級控制系統，主回路控制器采用PID控制算法，副回路采用P控制算法，最大可能的滿足控制系統的要求。 精餾塔精餾段溫度串級控制系統 精餾塔精餾段溫度串級控制系統結構圖第5章 控制系統的建模 工業(yè)過程的數學模型可分為動態(tài)數學模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數學模型，動態(tài)數學模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時間而變化的動態(tài)關系的數學描述。從控制角度來看，輸入變量就是操縱變量和擾動變量，輸出變量是被控變量。 數學模型簡介 數學是研究現實世界空間形式和數量關系的科學。而數學模型則是應用數學的思想方法、語言和工具,是關于部分現實世界和為一種特殊目的而作的一個抽象的、簡化的結構， 是為了解決實際問題而設計的關于“數、形、算”的一種十分有用的數學結構。通過建立數學模型,可以充分發(fā)揮數學科學解決實際問題的服務功能,體現出數學的真正意義建立系統模型的過程。又稱模型化。建模是研究系統的重要手段和前提。凡是用模型描述系統的因果關系或相互關系的過程都屬于建模。圖描述的關系各異，所以實現這一過程的手段和方法也是多種多樣的。可以通過對系統本身運動規(guī)律的分析，根據事物的機理來建模。也可以通過對系統的實驗或統計數據的處理,并根據關于系統的已有的知識和經驗來建模。還可以同時使用幾種方法。模型的實質是對現實原型的一種抽象或模仿。這種抽象或模仿自然要抓住原型的本質,拋棄原型中的次要因素。從這個意義上來講,模型既反映原型, 又不等于原型, 或者說它是原型的一種近似?，F在數學模型還沒有一個統一的定義,因為站在不同的角度可以給出不同的定義。而通常說來, 數學模型就是指對于現實世界的某一特定對象, 為了某個特定的目的, 做出一些必要的簡化和假設,運用適當的數學工具得到的一個數學結構。它或者能解釋特定現象的現實性態(tài)或者能預測對象的未來前景,或者能提供處理對象的最優(yōu)決策或控制等。具體來說，數學模型就是為了某種目的，用字母、數學及其它數學符號建立起來的等式或不等式以及圖表、圖象、框圖等描述客觀事物的特征及其內在聯系的數學結構表達式.數學模型的特征是： 第一，它是某事物為一種特殊目的而作的一個抽象化、簡單化的數學結構，這意味著揚棄、篩選，是取舍次要因素，突出主要因素的主要結果；是事物的一種模擬，雖源于現實，但非實際的原型，而又高于現實。第二，它是數學上的抽象，在數值上可以作為公式的應用，可以推廣到與原物相近的一類問題。第三，可以作為某事物的數學語言，可以譯成算法語言，編寫程序進入計算機。 數學模型分類有以下幾種： 按數學模型的功能可分為定量和定性的。 按數學模型的目的可分為理論研究的，預期結果的和優(yōu)化的。 按數學模型結構可分為分析的，非分析的和圖論的。 按數學模型所研究對象的特性可分為確定的和隨