【文章內(nèi)容簡介】 關(guān)系。同樣，要使塔的操作工況改變，應(yīng)操作塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，從而通過內(nèi)部平衡關(guān)系最終改變產(chǎn)品的純度。 塔底和再沸器的物料平衡關(guān)系為 sB L V??(724) 圖 提餾段物料平衡關(guān)系 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 總之，從前面對塔的靜態(tài)特性和內(nèi)部平衡關(guān)系的分析，不難看到，為了克服塔的主要擾動，可以通過對以下參數(shù)的控制保證精餾過程的正常進行：塔頂采出量、塔底采出量、回流罐排氣量、回流量、再沸器加熱量、冷凝器冷卻量。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。 2. 精餾塔各參數(shù)的動態(tài)影響分析 精餾過程受到干擾后上述各參數(shù)對塔操作的影響速度是各不相同的，因此在設(shè)計控制方案時，必須考慮參數(shù)間的動態(tài)影響，才能使控制系統(tǒng)及時克服各參數(shù)對塔操作的影響。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。 1) 上升蒸汽和回流的影響 在精餾塔內(nèi)，上升蒸汽流量變化的響應(yīng)是相當快的。由于上升蒸汽只需克服塔板上極薄覆蓋的液相阻力，而塔內(nèi)氣相蓄存量的變化在塔壓一定時可忽略不計，因此上升蒸汽量的變化幾秒內(nèi)就可影響到塔頂。 與上升蒸汽造成的影響相比，向下流動的液相的滯后是相當大的。這是因為回流量增加時，必須先使塔板上的液相蓄存量增加，然后在增加的液體靜壓作用下，才使離開塔板的液相速度增加，因此時回流量變化的響應(yīng)存在著滯后。 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 此可見，除頂部塔板外，要使塔的任何一點的氣液比發(fā)生變化，用再沸器的加熱量作為操作變量得到的響應(yīng)要比用回流量作操作量是來得快。 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。由于組分要達到靜態(tài)平衡需要較長時間，因此盡管上升蒸汽量變化可以很快影響到塔頂組分的質(zhì)量濃度，但要使塔頂組分的質(zhì)量濃度變化并達到一個新的平衡仍需花費相當長的時間?；亓髯兓瘯r花費的時間更多。這就是說，塔板上的組分平衡要等到影響組分的液相或氣相流量穩(wěn)定相當時間后才能建立。 組分滯后是必然存在的，它隨著塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而隨塔板數(shù)的增加而增加，也隨著回流比的增加而增加，因為回流比的增加就意味著塔板上蓄液量的增加。由于再沸器加熱量的增加引起上升蒸汽量增加，將會改善氣、液接觸，從而使組分滯后減小。 3) 回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滯后影響 由式 (721)可知，回流量總是等于塔頂汽相流量和塔頂采出量之差。因此，恒定時，控制實質(zhì)上就是改變了回流量。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。液位變化引起 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 蓄液量變化，也會嚴重影響 L和 D之間的關(guān)系。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)。 類似的過程也發(fā)生在提餾段。塔釜液位變化引起蓄液量變化，從而引起 V和 B的變化。要使 Ls， V和 B間的關(guān)系式 (724)成立，塔釜液位必須嚴格保持一定。這樣在采用改變 B來控制塔底產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在 Ls不變時使再沸器加熱量所引起的上升蒸汽量 V及時跟蹤塔底采出量 B的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。 上述動態(tài)影響因素主要影響系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標，一定要在系統(tǒng)設(shè)計階段充分考慮到對這些因素的克服。 四、精餾塔質(zhì)量指標的選取 精餾塔最直接的質(zhì)量指標是產(chǎn)品純度。由于直接檢測產(chǎn)品純度的難度很大，而且測量過程滯后大、檢測儀表可靠性差，所以一般不采用單純測純度的辦法來衡量產(chǎn)品質(zhì)量。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。這是因為對于二元組分精餾塔來說，固定壓力下的溫度與產(chǎn)品純度間存在著單值的函數(shù)關(guān)系。因此，如果保證壓力恒定，則塔板溫度就能間接反映濃度。對于多元精餾塔來說，雖然情況比較復(fù)雜，但總體上仍然和二元組分精餾塔類似，可以采用溫度指標來反映質(zhì)量。那么到底采用塔內(nèi)哪一點的溫度作為間接指標才能有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量呢？以下介紹幾個常用方案。 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 1. 靈敏板溫度控制 從位置上看，似乎塔頂或塔底的溫度最能代表產(chǎn)品質(zhì)量，這種思路在產(chǎn)品純度不高時是合理的。但是，當產(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。這時，即使塔頂或塔底溫度僅變化 ℃ 就可能造成產(chǎn)品質(zhì)量不合要求。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。解決這一問題的方法是在塔頂或塔底與進料板之間選擇靈敏板的溫度作為間接質(zhì)量指標。所謂靈敏板是指塔的操作受擾動或受控制時，塔內(nèi)各板上的物料中各組分的質(zhì)量濃度和溫度都將發(fā)生變化，變化程度各不相同，在達到新的穩(wěn)態(tài)后，溫度變化最大的那塊塔板即稱為靈敏板。靈敏板位置可以通過逐板計算或靜態(tài)模型仿真計算，依據(jù)不同操作工況下各塔板溫度分布曲線比較得出。但是由于塔板效率不易估準，所以最后還須根據(jù)實驗予以確定。 2. 溫差控制 溫差控制適用于精密精餾過程，此時產(chǎn)品純度要求很高，而且塔頂塔底產(chǎn)品的沸點差較小。 采用溫差作為衡量質(zhì)量指標的參數(shù)，是為了消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因為，在精餾塔控制系統(tǒng)中雖設(shè)置了壓力定值控制，但壓力也總難免有些微小波動，這對一般產(chǎn)品純度要求不太高的精餾塔是可以忽略不計的。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。也就是說，精密精餾時若用溫度作質(zhì)量指標就不能很好地代表產(chǎn)品的質(zhì)量，溫度的變化可能是產(chǎn)品純度和壓力都變化的結(jié)果，為此應(yīng)該考慮補償或消除壓力波動對濃度的影響。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 在選擇溫差信號時，一個檢測點仍然放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置；另一個檢測點放在主要產(chǎn)品引出點附近 (重視塔頂產(chǎn)品質(zhì)量時放在塔頂附近，重視塔底產(chǎn)品時放在塔底附近 )，即溫度變化較小的位置；另然后取上述兩測點的溫度差作為被控變量。這里，塔頂或塔底溫度實際上起參比作用，由于壓力變化對兩點溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動的影響就幾乎相抵消。溫差控制其實是靈敏板溫度控制的變形，用來消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。圖 溫差－純度關(guān)系曲線 值得注意的是，溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。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。由圖可見，曲線有最高點，其左側(cè)表示塔底產(chǎn)品純度較高 (即輕組分濃度 XD較小 )情況下，溫差隨著產(chǎn)品純度的增加而減??；其右側(cè)表示在塔底產(chǎn)品不很純的情況下，溫差隨產(chǎn)品純度的降低而減小。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。為此，一般將工作點選擇在曲線的左側(cè)，并采取措施使工作點不至進入曲線的右側(cè)。為了使控制器的正常工作范圍在曲線最高點的左側(cè)，在使用溫度控制時，控制器的給定值不能太大，干擾量 (尤其是加熱蒸汽量的波動 )也不能太大，以防止工作狀態(tài)變到如圖 ，致使控制器無法正常工作。 石油蒸餾裝置中的檢測與控制 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 3. 雙溫差控制 溫差控制可以克服由于塔壓波動對塔頂 (或塔底 )產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但是它還存在一個問題：就是當負荷變化時，會導(dǎo)致塔板間的壓降產(chǎn)生變化，而且任意兩塊相鄰塔板間的壓降也不相同。塔板間壓降的分布將會影響兩塊塔板間溫差的不同。這時溫差和組分間就不呈單值對應(yīng)關(guān)系，溫差控制方案就無法發(fā)揮作用，在這種情況下可以采用雙溫差控制。 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，該板位于進料板之上。如果在精餾段靈敏板處測量溫度并組成溫差控制，則可以得到高純度的塔底產(chǎn)品。相反，如果塔底的輕組分質(zhì)量濃度較高，靈敏板就位于進料板之下，稱為提餾段靈敏板。無論負荷怎樣變化，塔內(nèi)溫度變化最明顯的地方總在這兩塊靈敏板上。再把塔頂和塔底出溫度變化最不明顯的塔板分別叫作精餾段參照板和提餾段參照板。如果能分別將塔頂、塔底兩個參照板與兩個靈敏板之間的溫度梯度控制穩(wěn)定，就能達到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控制方法的基礎(chǔ) 圖 溫差－純度關(guān)系曲線 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 雙溫差控制亦稱溫差差值控制，其控制原理圖如圖 。 圖 雙溫差控制方案 FC LCFCLCFCT d C?11T12T21T22TDFB五、精餾過程的基本控制方案 精餾塔內(nèi)的精餾過程是一個非常復(fù)雜的過程，牽涉到的變量很多，可以選擇為被控變量的數(shù)量很大，可以選擇為操作變量的也很多，這樣就形成了各式各樣的控制方案。但無論這些控制方案的形式如何，其的控制目標都是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足規(guī)定的質(zhì)量要求，用到的基本原理也仍然是能量和物料平衡的基本原理。這里將這些控制方案進行分類討論。為使問題簡化，這里僅討論塔頂和塔底產(chǎn)品均為液相時的基本控制問題。 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)系進行間接控制。按照物料平衡原則可以設(shè)計出如圖 ～ 圖 的幾種控制系統(tǒng)。 圖 精餾塔物料平衡控制方案之一 圖 精餾塔物料平衡控制方案之二 圖 精餾塔物料平衡控制方案之三 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 顯然，上述物料平衡控制適用于進料成分恒定或變化不大的場合，同時，要求進料溫度或焓變化不大。當進料溫度或焓的變化足以影響塔的產(chǎn)品質(zhì)量時，則需要設(shè)置相應(yīng)的溫度或焓控制系統(tǒng)；而當進料成分波動較大時，則需要對產(chǎn)品的質(zhì)量進行直接控制。 2. 控制一端產(chǎn)品質(zhì)量 對于具有兩個液相產(chǎn)品的精餾塔，可采用嚴格控制一端產(chǎn)品質(zhì)量，而讓另一端產(chǎn)品質(zhì)量浮動 (即不加以控制 )的辦法。該方案的原理是：根據(jù)物料平衡原則，一端產(chǎn)品的濃度固定后，另一端產(chǎn)品的濃度也應(yīng)該是可知的，若固定塔頂產(chǎn)品的純度，塔底產(chǎn)品純度的變動也不會太大；反之亦然。當然，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。對沒有進行控制的一端的產(chǎn)品質(zhì)量可用靜態(tài)特性關(guān)系估計出它的變化范圍。根據(jù)控制的產(chǎn)品不同，該方案可分為對精餾段指標控制和對提餾段指標控制 1) 按精餾段指標控制 當塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往對精餾段指標進行控制。這時，可取精餾段某靈敏板溫度作為被控變量，而以回流量、塔頂采出量或再沸器上升蒸汽量作為操縱變量。系統(tǒng)可以采用單回路控制或者溫度 流量串級控制。串級控制方式雖較復(fù)雜，但可迅速有效地克服進入副環(huán)的擾動，并可降低對控制閥特性的要求，適合精密控制的要求。 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 采用這類控制方案時 ， 在 L， D， V(或 QH)和 B四者之中 ， 選擇一個作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的手段 ， 選擇另一個保持流量恒定 ， 其余兩個變量則按回流罐和塔底的物料平衡關(guān)系由液位控制器加以控制 。 對應(yīng)的控制流程圖如圖 。 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。此方案通過直接控制塔內(nèi)能量平衡關(guān)系以實現(xiàn)對分離精度的控制，稱為“精餾段能量平衡控制方案”。回流量波動不利于精餾塔的平穩(wěn)操作 ,所以方案中由溫度控制器對回流量進行控制。在確定溫度調(diào)節(jié)器的控制算法時，要避免使用微分控制，只須比例積分控制即可，防止由微分調(diào)節(jié)規(guī)律引起波動。 第 7章 自動化儀表應(yīng)用實例 此外，再沸器加熱量需要保持恒定而且要有足夠的量值，以便塔在最大負荷時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標。 圖 關(guān)系以控制塔頂產(chǎn)品的純度，被稱為“精餾段物料平衡控制方案”。該方案的優(yōu)點是有利于精餾塔的平穩(wěn)操作，這是因為在回流比較大時控制 D要比控制 L靈敏。此外還有一個優(yōu)點，當塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時，如采用有積分作用的控制器，則塔頂采出量 D會自動暫時中斷，進行全回流，這樣可保證得到的產(chǎn)品是合格的