空分精馏塔仪表控制系统设计Word格式.docx
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图11空分精馏塔流程图
上图为分子筛吸附增压空气膨胀空分设备流程简图,简明详细地将空气分离过程表达出来。
这套设备与过去的空分设备最大的不同在于分子筛吸附器的使用,因此也被称为“第四代空分”,而分子筛净化空气的“前端净化”技术,代表着20世纪70年代国际空分设备流程发展的主导方向。
该流程设备主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。
1.2工作原理
利用氧氮沸点不同,低温分离。
洁净工艺空气大部份进入冷箱内的主换热器,被返流出来的气体冷却,接近露点的空气进入下塔的底部,进行第一次分馏;
在精馏塔中,上升气体与下流液体充分接触,传热传质后,上升气体中氮的浓度逐渐增加。
纯氮进入下塔顶部的主冷凝蒸发器被冷凝,在气氮冷凝的同时,主冷凝蒸发器中的液氧得到气化。
一部份液氮作为下塔的回流液下流,另一部分液氮经过冷后,除少量作为产品液氮抽出外,其余节流后送入上塔。
在下塔中产生的液空也经过冷器过冷,节流后进入上塔参与精馏,在上塔内,经过再次精馏,得到产品氮气、产品氧气和污氮及产品液氧。
从主冷抽出的适量的液氧,送入液氧自增压器,被空气加热蒸发后,再进入主换热器复热后,送出冷箱。
1.3流程特点
(1)利用分子筛吸附剂在常温下吸附空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的特性,将切换式换热器的传热传质和换热两种功能分家,在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和CO2,在冷箱内的换热器仅起换热作用,这样不仅使进冷箱的空气较纯净,而且延长了换热器的寿命。
冷箱内不再需要设置自动阀箱、液空液氧吸附器循环液氧泵及相应的切换阀门管道等,使空分流程简化,冷箱内设备减少,操作维护方便。
(2)由于主换热器没有自清除要求,冷端温差不用严格限制,使纯氮气和氧气产量比大大提高,可达到2.3~2.5,可以满足需要大量纯氮气的用户要求。
(3)分子筛吸附器切换周期为108分钟,远远长于切换式换热器切换周期3.5分钟,因此空气切换损失就大大减少,由通常的占加工空气总量的2%下降到0.5%,有利于氧提取率的提高。
同时切换次数的减少,精馏塔受切换而引起的波动干扰减少,有利于氩的提取。
(4)分子筛吸附器清除空气中有害杂质较彻底,空分设备的操作安全性好,连续运行周期可达二年以上。
(5)启动和操作过程中,不需考虑自清除的影响,因而操作简便,有利于实现变负荷操作和提高自动化控制水平。
(6)氧提取率提高到90~92%,氩提取率~52%。
1.4流程缺点
为了保证分子筛吸附器能在较佳的温度8~10℃下工作,以充分发挥分子筛吸附剂的吸附效果,设置了制冷机组;
同时为了分子筛吸附剂的加温解吸,设置了电加热器。
为了保证再生时污氮气有足够的压力,空压机的排压应适当提高,这些导致了能耗比切换式换热器流程要高~4%,约为0.51~0.57kWh/m3O2。
采用常温分子筛虽然具有切换损失少、操作维护方便等优点,但由于能耗较高,所以它存在致命的缺点,很快就被新的带增压膨胀机的常温分子筛净化空分流程所代替。
2各管道线路中被控变量及其相应的操作变量、被测变量的确定
2.1相关准则
为了实现控制系统的设计目标,首先应确定空分流程各部分的被控对象及相应的操作变量、被测变量。
在确定各类变量时,应注意遵照以下准则。
(1)从可用输出变量中选择被控变量
在一个生产过程中,可能发生波动的工艺变量很多,但并非对所有的变量都要加以控制。
一个化工厂的操作控制大体上可以分为三类,即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。
因而在进行自动控制系统设计时,应深入了解工艺过程,找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量,或者人工操作过于频繁、紧张,难以满足工艺要求的工艺变量,作为被控变量来设计自动控制系统。
以下为几个选择的基本原则:
准则1
所有没有自平衡能力的变量都要控制
准则2
所选择的输出变量必须保持在仪器和操作条件限制之内(例如温度、压力和成分)。
限制条件来源于安全、环境和操作等方面的要求。
准则3
选择那些可以直接反映产品质量(例如成分、折射率)或对于产品质量有较强影响(例如温度、压力)的变量作为输出变量。
准则4
选择那些与其他被控变量有较强耦合作用的变量。
准则5
选择那些具有理想的动态和静态特性的变量作为输出变量
(2)从输入变量中选择操作变量
在生产过程中,工艺总是要求被控变量能稳定在设计值上,因为工艺变量的设计值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要求、设备能力、安全极限以及合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的,工艺变量稳定在设计值上一般都能得到最大的经济效益。
然而由于种种外部的和内在的因素,对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰,因而在进行自动控制系统设计时必须深入研究工艺过程,认真分析干扰产生的原因,正确选择操纵变量,建立一个合理的控制系统,以确保生产过程的平稳操作。
选择操纵变量时,主要应考虑如下的原则:
准则6
选择对于被控变量有较大影响的输入。
准则7
选择能够快速影响被控变量的输入。
准则8
操作变量应该直接影响被控变量而不是间接影响。
准则9
避免干扰循环
(3)选择被测变量
安全有效地操作过程装置要求对关键过程变量进行在线测量。
显然,被控变量需要测量。
对其他输出变量进行测量可以给装置操作人员提供更多的信息,或者提供给基于模型的控制策略,例如推理控制。
我们也希望能够测量操作变量,因为它们能够为控制器整定和控制回路故障诊断提供有用信息。
测量干扰变量可以为前馈控制策略提供偏差信息。
主要由以下几个准则:
准则10
可靠准确的测量是良好控制系统的基础。
准则11
选择具有足够敏感度的测点。
准则12
选择具有最小纯迟延和时间常数的测点。
2.2确定变量
由以上准则,从空气进入分离流程开始,各环节的变量确定如下:
空气进入压缩机后,压力和温度都有所升高,但是进入分子筛吸附器的气体温度不能过高,所以先用水冷却器使气体温度适度下降,再经由预冷机组,使气体温度进一步下降,达到进入分子筛吸附器的适当温度,同时,经过预冷机组的气体达到饱和状态,则由准则3和准则1,应选择水冷却器的出口温度和预冷机组的出口温度、压力作为被控变量,再由准则6和准则7,水冷却器中冷却水的流量和预冷机组的功率应分别作为上述两个被控变量的操作变量。
为了使分子筛吸附器正常工作,从精馏塔上塔抽出的气体流经电加热器进入分子筛吸附器的温度不能过低或过高,由准则3和准则4,则电加热器出口处气体温度应作为被控变量之一,由准则7和准则8,再取电加热器的功率作为其操作变量。
从分子筛吸附器出来的气体分为两部分,进入压缩机的那一部份气体被压缩,由准则4,压缩机的出口气体压力应作为被控变量之一。
而压缩机与透平膨胀机由同一根轴连接,所以透平膨胀机的出口气体压力也要作为被控变量之一,从透平膨胀机中出来的气体温度下降幅度很大,由准则1和准则2,进入精馏塔的温度应作为被控变量之一,又由准则8,与上述几个被控变量相匹配的操作变量均为与透平膨胀机相连的电动机转速。
从压缩机出来的气体要进入换热器进行换热,则其温度需要保持在适当范围内,即由准则2,水冷却器的出口温度(主换热器的进口温度)及出口气体压力作为被控变量,由准则7和准则8,与之相匹配的操作变量则是水冷却器中冷却水的流量。
流入气体在换热器内进行换热,随后进入透平膨胀机膨胀对外做功,驱动压缩机,则由准则4,进入透平膨胀机的气体温度应作为被控变量之一,由准则6,与之相匹配的操作变量时换热器出口处的两条管道内气体流量。
从冷凝蒸发器中引出的液氧以及氮气、氧气、污氮等气体要进入容器中需要达到适当的压力和温度,则由准则2,上塔底部液氧出管口压力及温度都应作为被控变量,由准则6,各气体及液氧出口阀门开度应作为与之匹配的操作变量。
经过过冷器的液空进入上塔前要达到适当的工况,经过过冷器的液氮一部分要作为产品进入容器,一部分进入上塔受蒸发后作为氮气收集起来,也需要达到相应的工况,则由准则2,各管道进入精馏塔前的压力和温度、作为产品进入容器前的压力和温度都应作为被控变量。
由准则6,各气体及液氧、液氮出口阀门开度应作为与之匹配的操作变量。
由准则10,上述各被控变量和操作变量中涉及压力、温度和流量的变量都需要测量。
3选择控制策略和控制结构
确定了各环节的相关变量之后,需要在此基础上进一步选择适当的控制策略和控制结构。
前馈是按照干扰作用的大小来进行控制的,当扰动一出现,就能根据扰动的测量信号产生调节作用,及时补偿扰动造成的被控对象的波动。
而液氮液氧等产品温度极低,所以为了使得精馏塔的各产品保持一定的压力,不出现较大偏差,避免安全事故的发生,出口处均应采用前馈控制系统。
测量出口处压力,并将测量结果送到压力变送器中,压力变送器将操作变量送至流量阀,控制气体或液体流量大小,以保持压力恒定。
透平膨胀机的出口气体需降至较低温度,以出口气体压力为副参数,由于温度总是伴随着压力的变化而改变,因而以压力为副参数,将压力变送器的信号送至与膨胀机相连的电动机的串级控制系统能够提前感受扰动的影响,提前产生控制作用,因而提高了控制精度。
考虑到透平膨胀机的工作原理,其进气口处气体的压力和温度都要由其流量来控制,故采用温度-压力串级控制系统。
同时将上述温度的测量结果送至主换热器出口处流量阀变送器中,构成反馈控制系统,可精确调整换热器出口的气体温度。
在确定了以上各部分具体的控制系统之后,初步绘制了以下的仪表控制系统流程图:
图31空分精馏塔仪表控制系统流程图
4PID调节器参数整定
4.1产品出口压力的串级控制
我们的控制目的是使出口压力保持恒定,现选用精馏段的出口压力,与流量来构成串级随动控制.如图所示图中PIT表示压力调节器,FIC表示流量调节器,PIT通常按PID调节规律,流量调节器按P调节规律。
当压力发生变化时,由主调节器(PIT)进行控制,其输出作为副调节器(FIC)的给定值,最终控制阀门的开度,主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据,副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象,流量一旦发生变化,副控回路及时地控制阀门的开度位置,较快地克服了流量的变化对出料压力的影响如果流量是恒定的,只需测量实际压力,并使其与压力设定值相比较,利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持压力的恒定回路中,以补偿过程的动态特性,使被控对象的滞后时间
超前反映到控制器,有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题,减少了系统的超调量,加速了系统的调节过程,另外,通过增大流量调节器的比例增益,系统的等效时间常数可以获得较小的数值,从而增加了副控回路的响应速度,提高了系统的工作
。
在这个串级随动控制系统中,串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制,阀位与流量得到了及时的调节,使塔压的控制达到了良好的控制效果,并且使系统具有一定的自适应能力,有效地解决了对象的等效纯滞后时间
很长的问题。
二次干扰为该系统的主要扰动,副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。
当扰动发生在副回路内,例如流量发生波动引起精馏段的压力变化时,由于有副控回路的存在,液位调节器能及时地动作,快速消除了扰动的影响;
当扰动发生在副控回路以外时,如物料、能量的转输变化引起提馏段的压力变化
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