【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 態(tài)的改變，而進(jìn)料狀態(tài)的改變將影響精餾段、提餾段負(fù)荷的改變，進(jìn)而產(chǎn)品質(zhì)量、物料平衡都將發(fā)生改變。因此，進(jìn)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(duì)精餾塔精餾段操作的影響 操作中以改變回流比的大小來(lái)保證產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)塔頂餾分中重組份含量增加時(shí)，常采用加大回流比的方法將重組份壓下去，以使產(chǎn)品質(zhì)量合格。當(dāng)精餾段的輕組份下到提餾段造成塔下部溫度降低時(shí)，可以用適當(dāng)減少回流比的辦法以使塔下部溫度提起來(lái)。增加回流比，對(duì)從塔頂?shù)玫疆a(chǎn)品的精餾塔來(lái)說(shuō)，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，但是卻要降低塔的生產(chǎn)能力，增加水、電、汽的消耗?；亓鞅冗^(guò)大，將會(huì)造成塔內(nèi)物料的循環(huán)量過(guò)大，甚至能導(dǎo)致液泛，破壞塔的正常操作。（6）塔頂冷劑量的大小對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 對(duì)采用內(nèi)回流操作的塔，其冷劑量的大小，對(duì)精餾操作的影響比較顯著；同時(shí)也是影響回流量波動(dòng)的主要因素。 對(duì)于采用外回流的塔，同樣會(huì)由于冷劑量的波動(dòng)，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(chǎn)品的液相采出量作定值調(diào)節(jié)時(shí)，回流量勢(shì)必減少。假如冷凝器還有過(guò)冷作用（即通常所稱(chēng)的冷凝冷卻器）時(shí)，則冷劑量的減少，還會(huì)引起回流液溫度的升高。這些都會(huì)使精餾塔的頂溫升高，塔頂產(chǎn)品中重組份含量增多，質(zhì)量下降。（7）塔頂采出量的大小對(duì)精餾塔精餾段操作的影響 塔頂采出量的大小和該塔進(jìn)料量的大小有著相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)料量增大，采出量應(yīng)增大。 眾所周知，采出量只有隨進(jìn)料量變化時(shí)，才能保持塔內(nèi)固定的回流比，維持塔的正常操作，否則將會(huì)破壞塔內(nèi)的氣液平衡。 例如，當(dāng)進(jìn)料量不變時(shí)，對(duì)采用內(nèi)回流的塔，若塔頂采出量增大，則回流比勢(shì)必減少，引起各板上的回流液量減少，氣液接觸不好，傳質(zhì)效率下降；同時(shí)操作壓力也將下降，各板上的氣液相組成發(fā)生變化。結(jié)果是重組分被帶到塔頂，塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量不合格。 在強(qiáng)制回流的操作中，如果進(jìn)料量不變，塔頂采出量突然增大，則易造成回流液槽抽空。回流液一中斷，頂溫就升高，這同樣也會(huì)影響塔頂產(chǎn)品質(zhì)量下降。如果進(jìn)料量加大，但塔頂采出量不變，其后果是回流比增大，塔內(nèi)物料增多，上升蒸汽速度增大，塔頂與塔釜的壓差增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(zhì)量控制中得被控變量的確定，以及檢測(cè)點(diǎn)的位置等問(wèn)題。通常，精餾塔的質(zhì)量指標(biāo)選取有兩類(lèi)：直接的產(chǎn)品成分信號(hào)和間接的溫度信號(hào)。 （1）采用產(chǎn)品成分作為直接質(zhì)量指標(biāo) 以產(chǎn)品成分的檢測(cè)信號(hào)直接用作質(zhì)量控制的被控信號(hào)，應(yīng)該說(shuō)是最為理想的。過(guò)去，因成分參數(shù)在檢測(cè)上的困難，難以直接對(duì)產(chǎn)品成分信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量控制。近年來(lái)，成分檢測(cè)儀表發(fā)展迅速，尤其是工業(yè)色譜的在線(xiàn)應(yīng)用，為以成分信號(hào)直接作為質(zhì)量控制的被控變量，創(chuàng)造了現(xiàn)實(shí)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(zhì)量控制上成功地直接應(yīng)用還是為數(shù)不多的： ① 分析儀表的可靠性差； ② 分析測(cè)量過(guò)程滯后大，反應(yīng)緩慢； ③ 成分分析針對(duì)不同的產(chǎn)品組分，品種上較難一一滿(mǎn)足。 因此，目前在精餾操作中，溫度仍是最常用的間接質(zhì)量指標(biāo)。 （2）采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo) 溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，是精餾塔質(zhì)量控制中應(yīng)用最早也是目前最常見(jiàn)的一種。對(duì)于一個(gè)二元組分精餾塔來(lái)說(shuō)，在一定的壓力下，沸點(diǎn)和產(chǎn)品的成分有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，只要塔壓恒定，塔板的溫度就反應(yīng)了成分。① 溫度點(diǎn)的位置通常，若希望保持塔頂產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，也就是頂部鎦出物為主要產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)把間接反映質(zhì)量的溫度檢測(cè)點(diǎn)放在塔頂，構(gòu)成所謂精餾段溫控系統(tǒng)。②靈敏板問(wèn)題采用塔頂溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，實(shí)際上把溫度檢測(cè)點(diǎn)放置在塔頂是極為少數(shù)的。因?yàn)樵诜蛛x比較純的產(chǎn)品時(shí)，鄰近塔兩端的各板之間溫差時(shí)很小的，這時(shí)塔頂?shù)臏囟瘸霈F(xiàn)稍許的變化，產(chǎn)品質(zhì)量就可能超出允許的范圍，因而必須要求溫度檢測(cè)裝置有很高的精度與靈敏度，才能滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。這一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大的難度，所以，在實(shí)際使用中是把溫度檢測(cè)點(diǎn)放在進(jìn)料板與塔頂之間的靈敏板上。所謂靈敏板，是當(dāng)塔收到干擾或控制作用時(shí)，塔內(nèi)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(dāng)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，溫度變化最大的那塊塔板，即稱(chēng)為靈敏板。靈敏板的位置可以通過(guò)逐板計(jì)算，經(jīng)比較后得出，但是，由于塔板的效率不易估準(zhǔn)，所以還需結(jié)合實(shí)踐結(jié)果加以確定。通常，先根據(jù)測(cè)算，確定靈敏板的大致位置，然后在它附近設(shè)置多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中得情況，從中選擇最佳的測(cè)量點(diǎn)作為。第4章 精餾塔精餾段溫度控制方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量極為有效的方法，在過(guò)程控制中得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)引起出口溫度的因素很多：被加熱流量的和溫度的擾動(dòng)，壓力的波動(dòng)、熱質(zhì)的變化，回流量的擾動(dòng)等，而對(duì)這些擾動(dòng)單回路控制系統(tǒng)并不能把所有的干擾都包含進(jìn)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(shí)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(guò)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）抗干擾性強(qiáng)。由于主回路的存在，進(jìn)入副回路的干擾影響大為減小。同時(shí)，由于串級(jí)控制系統(tǒng)增加了一個(gè)副回路，具有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，大大提高了調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)，從而也就提高了對(duì)干擾的克服能力，尤其對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾。表現(xiàn)更為突出。 （2）及時(shí)性好。串級(jí)控制對(duì)克服容量滯后大的對(duì)象特別有效。 （3）適應(yīng)能力強(qiáng)。串級(jí)控制系統(tǒng)就其主回路來(lái)看，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，但其副回路對(duì)主調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)，卻是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)對(duì)象操作條件和負(fù)荷的變化情況不斷糾正副調(diào)節(jié)器的給定值，以適應(yīng)操作條件和負(fù)荷的變化。 （4）能夠更精確控制操縱變量的流量。當(dāng)副被控變量是流量時(shí)，未引入流量副回路，控制閥的回差、閥前壓力的波動(dòng)都會(huì)影響到操縱變量的流量，使它不能與主控制器輸出信號(hào)保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用串級(jí)控制系統(tǒng)后，引入流量副回路，使流量測(cè)量值與主控制器輸出一一對(duì)應(yīng)，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(jí)系統(tǒng)的原理與結(jié)構(gòu)單回路控制系統(tǒng)能解決工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化過(guò)程的大量參數(shù)定值控制問(wèn)題。對(duì)于多數(shù)復(fù)雜控制系統(tǒng)，如多輸入多輸出系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)和擾動(dòng)較大的系統(tǒng)等簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就很難控制，無(wú)法滿(mǎn)足控制系統(tǒng)的控制。串級(jí)控制系統(tǒng)在改善復(fù)雜控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。（1） 被控變量的選擇 對(duì)于二元精餾塔，當(dāng)塔壓恒定時(shí)，溫度與成分之間有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，常用溫度作為被控量。對(duì)于多元精餾塔．由于石油化工過(guò)程中精餾產(chǎn)品大多數(shù)是碳?xì)浠衔锏耐滴?。在一定塔壓下，溫度與成分之間仍有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。誤差較小。因此。絕大多數(shù)精餾塔當(dāng)塔壓恒定時(shí)采用溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。（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(chǎn)品的質(zhì)量為控制目標(biāo)．在恒壓下根據(jù)溫度檢測(cè)點(diǎn)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(lèi)型。操縱變量可選擇回流量或塔頂采出量。而回流量L的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，溫度稍有變化，即可通過(guò)調(diào)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(guò)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(chǔ)上進(jìn)行操作的，分析精餾塔的物料和能量平衡對(duì)制定精餾塔精餾段的控制至關(guān)重要。 精餾塔的基本：以二元簡(jiǎn)單精餾為例，介紹物料平衡和能量平衡的基本關(guān)系。 物料平衡： (21) 增大，減小。式中 F ，D，B——進(jìn)料、頂餾出液和底餾出液量；, , ——進(jìn)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(shuō)明塔系統(tǒng)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(lái)提高的。增大，分離效果增大，能耗增大。對(duì)于一個(gè)既定的塔，進(jìn)料組分一定，和一定， 完全確定。分析精餾塔精餾段過(guò)程，本文對(duì)主回路采用串級(jí)控制系統(tǒng)，其主、副調(diào)節(jié)器所起作用各有側(cè)重。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，且主控參數(shù)允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無(wú)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(guò)閥門(mén)進(jìn)行控制，因此選擇回流罐的液位量控制作為串級(jí)控制的副控參數(shù)。在串級(jí)控制中，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，且副控參數(shù)的調(diào)節(jié)也是為了保證主控參數(shù)的控制質(zhì)量，可以有一定的余差，因此副調(diào)節(jié)器采用P調(diào)節(jié)器。由于進(jìn)料量和進(jìn)料溫度對(duì)進(jìn)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(xiàn)選用精餾段的溫度, 與回流量來(lái)構(gòu)成串級(jí)隨動(dòng)控制。圖中TC表示溫度調(diào)節(jié)器，LC表示量調(diào)節(jié)器液位調(diào)節(jié)器，TC通常按PID調(diào)節(jié)規(guī)律，流量調(diào)節(jié)器按P調(diào)節(jié)規(guī)律。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由主調(diào)節(jié)器（ 溫度調(diào)節(jié)器TC）進(jìn)行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器（液位調(diào)節(jié)器LC）的給定值，最終控制閥門(mén)的開(kāi)度，主控回路的輸出作為副控回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副控回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對(duì)象，液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時(shí)地控制閥門(mén)的開(kāi)度位置，較快地克服了液位的變化對(duì)出料溫度的影響。如果液位是恒定的，只需測(cè)量實(shí)際溫度，并使其與溫度設(shè)定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的閥門(mén)就能保持溫度的恒定。路中，以補(bǔ)償過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，使被控對(duì)象的滯后時(shí)間超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后問(wèn)題，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，另外，通過(guò)增大液位調(diào)節(jié)器的比例增益，系統(tǒng)的等效時(shí)間常數(shù)可以獲得較小的數(shù)值，從而增加了副控回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作。在這個(gè)計(jì)算機(jī)串級(jí)隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制起到了及時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)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(shí)的調(diào)節(jié)，使塔溫的控制達(dá)到了良好的控制效果，并且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，有效地解決了對(duì)象的等效純滯后時(shí)間很長(zhǎng)的問(wèn)題。二次干擾為該系統(tǒng)的主要擾動(dòng)，副控回路有效而快速地克服二次擾動(dòng)的影響。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi)，例如液位發(fā)生波動(dòng)引起精餾段的溫度變化時(shí)，由于有副控回路的存在，液位調(diào)節(jié)器能及時(shí)地動(dòng)作，快速消除了擾動(dòng)的影響；當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副控回路以外時(shí)，如物料、能量的轉(zhuǎn)輸變化引起精餾段的溫度變化，溫度調(diào)節(jié)器及時(shí)改變其輸出信號(hào)，由副控回路去改變流量，克服了擾動(dòng)。 精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制的研究 精餾過(guò)程由于內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制作用的響應(yīng)緩慢，參數(shù)間關(guān)聯(lián)密切，因此控制要求高，難度大。又由于其非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、質(zhì)量參數(shù)在線(xiàn)檢測(cè)困難等特點(diǎn)，使得精餾塔的自動(dòng)控制問(wèn)題成為過(guò)程控制界研究的。精餾塔借助于冷凝器的冷卻來(lái)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(zhì)過(guò)程，使對(duì)象的等效純滯后時(shí)間很長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)表明，塔溫控制對(duì)象可近似為一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和一個(gè)一階環(huán)節(jié)。在精餾塔精餾段溫度控制系統(tǒng)中，保持回流量的恒定與塔溫發(fā)生變化能及時(shí)地調(diào)節(jié)回流閥門(mén)的開(kāi)度使塔溫保持恒定是我們的最終控制目的。如果采用傳統(tǒng)的控制算法，回流量得不到及時(shí)地調(diào)節(jié)，溫度變化以后才調(diào)節(jié)回流閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)改變蒸氣的供給量，產(chǎn)生了過(guò)程上的時(shí)間滯后問(wèn)題，使被控對(duì)象的等效時(shí)間很長(zhǎng)不能及時(shí)地反應(yīng)系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，從而達(dá)不到預(yù)期的控制效果。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出采用主控回路和副控回路相配合的溫度串級(jí)控制系統(tǒng)，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(mǎn)足控制系統(tǒng)的要求。 精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第5章 控制系統(tǒng)的建模 工業(yè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型可分為動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）數(shù)學(xué)模型，動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是表示輸出變量與輸入變量之間隨時(shí)間而變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。從控制角度來(lái)看，輸入變量就是操縱變量和擾動(dòng)變量，輸出變量是被控變量。 數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介 數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實(shí)世界空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)。而數(shù)學(xué)模型則是應(yīng)用數(shù)學(xué)的思想方法、語(yǔ)言和工具,是關(guān)于部分現(xiàn)實(shí)世界和為一種特殊目的而作的一個(gè)抽象的、簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)， 是為了解決實(shí)際問(wèn)題而設(shè)計(jì)的關(guān)于“數(shù)、形、算”的一種十分有用的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型,可以充分發(fā)揮數(shù)學(xué)科學(xué)解決實(shí)際問(wèn)題的服務(wù)功能,體現(xiàn)出數(shù)學(xué)的真正意義建立系統(tǒng)模型的過(guò)程。又稱(chēng)模型化。建模是研究系統(tǒng)的重要手段和前提。凡是用模型描述系統(tǒng)的因果關(guān)系或相互關(guān)系的過(guò)程都屬于建模。圖描述的關(guān)系各異，所以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的手段和方法也是多種多樣的。可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)本身運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，根據(jù)事物的機(jī)理來(lái)建模。也可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理,并根據(jù)關(guān)于系統(tǒng)的已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來(lái)建模。還可以同時(shí)使用幾種方法。模型的實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)實(shí)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(zhì),拋棄原型中的次要因素。從這個(gè)意義上來(lái)講,模型既反映原型, 又不等于原型, 或者說(shuō)它是原型的一種近似?，F(xiàn)在數(shù)學(xué)模型還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義,因?yàn)檎驹诓煌慕嵌瓤梢越o出不同的定義。而通常說(shuō)來(lái), 數(shù)學(xué)模型就是指對(duì)于現(xiàn)實(shí)世界的某一特定對(duì)象, 為了某個(gè)特定的目的, 做出一些必要的簡(jiǎn)化和假設(shè),運(yùn)用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具得到的一個(gè)數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。它或者能解釋特定現(xiàn)象的現(xiàn)實(shí)性態(tài)或者能預(yù)測(cè)對(duì)象的未來(lái)前景,或者能提供處理對(duì)象的最優(yōu)決策或控制等。具體來(lái)說(shuō)，數(shù)學(xué)模型就是為了某種目的，用字母、數(shù)學(xué)及其它數(shù)學(xué)符號(hào)建立起來(lái)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(nèi)在聯(lián)系的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)表達(dá)式.數(shù)學(xué)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(gè)抽象化、簡(jiǎn)單化的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，這意味著揚(yáng)棄、篩選，是取舍次要因素，突出主要因素的主要結(jié)果；是事物的一種模擬，雖源于現(xiàn)實(shí)，但非實(shí)際的原型，而又高于現(xiàn)實(shí)。第二，它是數(shù)學(xué)上的抽象，在數(shù)值上可以作為公式的應(yīng)用，可以推廣到與原物相近的一類(lèi)問(wèn)題。第三，可以作為某事物的數(shù)學(xué)語(yǔ)言，可以譯成算法語(yǔ)言，編寫(xiě)程序進(jìn)入計(jì)算機(jī)。 數(shù)學(xué)模型分類(lèi)有以下幾種： 按數(shù)學(xué)模型的功能可分為定量和定性的。 按數(shù)學(xué)模型的目的可分為理論研究的，預(yù)期結(jié)果的和優(yōu)化的。 按數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)可分為分析的，非分析的和圖論的。 按數(shù)學(xué)模型所研究對(duì)象的特性可分為確定的和隨