基于JX300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:20821039
- 上传时间:2023-01-25
- 格式:DOCX
- 页数:41
- 大小:1,023.89KB
基于JX300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计Word文档下载推荐.docx
《基于JX300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于JX300XP的板式精馏塔DCS控制系统的设计Word文档下载推荐.docx(41页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
自从FOXBORO公司推出I/ASeries以后,各公司积极地研发并推进开放技术,开始扩展DCS的信息管理功能,我们可以把20世纪90年代初期与中期推出的各DCS称为第三代DCS。
20世纪90年代末至21世纪初,几大DCS厂家进一步提升了系统的功能范围,改变了系统开发的方式-由原来完全自主开发变为集成开发,纷纷推出新一代的DCS。
这一代DCS具有鲜明的共性:
全面支持企业信息化,系统构成集成化,混合控制功能兼容,硬件进一步分散化、智能化和低成本化,系统平台开放化,应用系统专业化。
目前国产DCS的技术水平已达到或接近国外厂家同类DCS的水平,并占据了相当多的市场份额。
北京和利时公司(Hollysys)推出MACS-Smartpro第四代DCS系统,浙大中控公司(SUPCON)推出Webfield(ECS)系统,上海新华公司推出了XDPF-400系统。
[16]
1.3板式精馏塔的简述
精馏塔是均相混合物分离的过程的主要单元设备,精馏操作既可采用板式塔,也可采用填料塔,板式塔为逐级接触型气—液传质设备,从1813年Cellier首次提出泡罩塔至今,板式塔出现了许多不同类型的塔板。
最常用的板式塔有泡罩塔,筛板塔和浮阀塔。
筛板塔是最早出现的结构型式之一,在1832年以用于生产。
当时,对筛板的操作性能认识不足,由于筛板塔设计不合理导致操作性能很差,而同一时期开发的泡罩塔则能稳定地操作。
因此泡罩塔从19世纪中期直至20世纪40年代,始终在塔设备中占有绝对的优势地位。
但是泡罩塔虽然操作稳定,却存在着不少缺点,如造价高,压降大,液压面落差大等。
20世纪50年代,研究人员对筛板塔做了大量的研究工作,取得了大量的试验数据。
通过深入研究筛板的操作性能后认为。
筛板塔是操作性能良好的设备。
1.4DCS的概述
1.4.1DCS系统的组成特点
分散型综合控制系统(DistributedControlSystem,简称DCS)又称为集散控制系统,它综合了计算机技术,控制技术,通信技术和显示技术,使控制系统结构进入了一个新阶段。
DCS系统以其灵活,模块化结构,安全,可靠,危险分散,功能齐全以及对大规模系统经济性好等特点成为当代自动化控制的主流系统。
集散控制系统的基本组成都包括分散的过程控制装置、集中操作管理系统和通信系统三部分。
分散过程控制装置部分由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置的组成,它相当于车间操作管理级和过程控制装置级。
集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打印机、拷贝机等组成,相当于车间操作管理级和全厂优化、调度管理级,实现人机接口。
每级之间以及每级内的计算机或微处理器则由通信系统进行数据通信,数据通信系统是DCS的基本和核心,实现将分散的信息综合、管理的信息分散的功能。
它的主要特点是信息的集成化、DCS、PLC和FCS相互融合形成混合控制系统、开放性、低成本。
网络传输介质主要有轴电缆、双纹线、光纤以及射频等。
同轴电缆带宽较高,传输距离可达几公里。
同轴电缆目前主要应用在环形和总线型网络中,其成本中等。
双纹线近年来在桌面接入系统中得到了广泛的应用,尤其是在星型网络中。
光纤损耗低,传输距离远,通信容量大,而且光纤抗电磁干扰能力强。
应该说,光纤是工业控制通信网络的一个重要的发展趋势。
选择什么样的传输介质往往跟网络的拓扑关系有关,例如星型结构通常选用双绞线,这取决于节点的能力、节点之间的距离及环境因素等。
环形拓扑结构可以采用任何传输介质,取决于网络技术要求。
对于总线型拓扑结构,一般采用双纹线和同轴电缆,而不选用光纤。
有线方式在应用范围、组网灵活性等方面都存在着一定的不足。
相反,采用无线射频的方式则可以超越地域上的限制,大大提高系统实现上的灵活性。
因此,近年来,无线DCS越来越受到人们的重视[11]。
1.4.2JX—300XP系统概述
浙大中控推出的全数字化的新一代集散控制系统JX—300XP,大限度的满足应用需求的原则,应用了最新的信号处理技术、高速网络通信技术、可靠地软件平台和软件设计技术以及现场总线技术,采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法,全面提高了JX—300X的功能和性能,使其兼具了高速可靠的数据输入、输出、运算、过程控制功能和PLC连锁逻辑控制功能,能适应更广泛更复杂的应用要求,成为一个全数字化。
结构灵活、功能完善的新型开放式集散控制系统。
JX-300XPDCS由操作站、控制站、过程控制网络等组成。
工程师站是为专业工程技术人员设计的,内装有相应的组态平台和系统维护工具。
通过系统组态平台生成适合于生产工艺要求的应用系统,具体功能包括:
系统生成、数据库结构定义、操作组态、流程图画面组态、报表程序编制等。
而使用系统的维护工具软件实现过程控制网络调试、故障诊断、信号调校等。
操作站是由工业PC机、CRT、键盘、鼠标、打印机等组成的人机系统,是操作人员完成过程监控管理任务的环境。
高性能工控机、卓越的流程图机能、多窗口画面显示功能可以方便地实现生产过程信息的集中显示、集中操作和集中管理。
控制站直接与现场打交道的I/O处理单元,完成整个工业过程的实时监控功能。
控制站可冗余配置,灵活、合理。
在同一系统中,任何信号均可按冗余或不冗余连接,详见卡件描述。
对于系统中重要的公用部件,建议采用100%冗余,如主控制卡、数据转发卡和电源箱。
过程控制网络实现工程师站、操作站、控制站的连接,完成信息、控制命令等传输,双重化冗余设计,使得信息传输安全、高速。
DCS采用三层通信网络结构。
如下图1.2所示:
集散控制系统的基本组成部分包括分散的过程过程控制装置、集中操作管理系统和通信系统三个部分。
如图1.1所示。
图1.1三层通信网络结构
最上层为信息管理网,采用符合TCP/IP协议的以太网,连接了各个控制装置的网桥以及企业内各类管理计算机,用于工厂级的信息传送和管理,是实现全厂综合管理的信息通道。
中间层为过程控制网,采用了双高速冗余工业以太网ScnetⅡ作为其过程控制网络,连接操作站、工程师站与控制站等,传输各种实时信息。
底层网络为控制站内部网络SBUS,采用主控制卡指挥式令牌网,存储转发通信协议,是控制站各卡件之间进行信息交换的通道[9]。
1.5本课题主要研究的内容
本课题是针对某8层塔板的板式精馏塔,需对进料(乙醇和水的混合溶液)在塔顶分离出纯度达80%以上的乙醇产品,先利用化工原理知识为精馏的工程设计提供理论指导,再用组态软件编写组态控制程序,并在实际的精馏塔上运行调试通过,采用合理的控制策略,力求混合物的分离纯度达到80%以上。
设计内容包括仪表选型、DCS硬件设计、系统工艺流程图的绘制以及上位机组态程序设计等,后期调试阶段主要通过工程参数整定方法来确定各环节的PID调节参数。
仪表的选型要突出实用、可靠、先进的原则,控制系统采用浙江中控DCS系统,统计系统输入输出的点数,给出DCS需要的卡件类型和数目清单。
2系统理论的分析及控制方案的确定
2.1板式精馏塔控制系统研究的对象及要求
2.1.1研究对象
a)全塔物料的衡算
(1)料液及塔顶、塔底产品的摩尔分数
原料液组成:
塔顶产品组成:
塔底产品组成:
(2)平均摩尔质量
加料板:
塔顶:
塔底:
(3)物料衡算
总物料衡算:
F=D+W其中:
F-原料液流量D-塔顶产品流量W-塔地产品流量
易挥发组分的衡算:
由上以得:
所以
回收率
乙醇回收率:
水的回收率:
b)塔板数的确定
(1)逐板计算法介绍
假设塔顶冷凝器为全凝器泡点回流,回流比为2,塔釜为间接器加热,如图2-1所示.因塔顶采用全凝器,故从塔顶第一块板(即最上一层塔板)上升的蒸气进入冷凝器后被全部冷凝,塔顶馏出液及回流液组成即为第一块塔板上升蒸气组成,即
而离开第一块塔板的液相组成与从该板上的蒸气组成满足相平衡关系,因此可由汽-液平衡方程求得,即
第二块理论塔板上升的蒸气组成与第一块塔板下降的液体组成满足精馏段操作线方程,即
同理,与满足相平衡方程,可求出,而与满足精馏段操作线方程,可计算出,以此类推,重复计算,直到计算到(即精馏段与提溜段操作线的交点)后,再改用相平衡方程和提溜段操作线方程计算提溜段每段塔板组成,至为止。
在计算过程中没使用一次相平衡方程表示需要一块理论板对于间接蒸汽加热的再沸器,认为离开它的气液两相达到平衡,故再沸器相当于一块理论板。
所以提溜段所需的理论板数应为计算机中使用相平衡关系上网次数减1。
精馏塔所需的总理论板数为
。
(2)确定精馏塔的理论塔板
根据上面的数据分析和逐板计算法的介绍可以确定精馏塔的理论板数。
已知塔顶冷凝器为全凝器泡点回流,回流比R为2。
在操作条件下,物系的相对发挥度a为1.7。
所以精馏段操作线方程为:
提溜段操作线方程为:
相平衡方程方程为:
利用操作线方程、提溜段操作线方程和相平衡方程,可自上而下逐板计算所需理论板数。
因塔顶为全凝器,则
由相平衡方程求得第一块板下降液体组成为:
利用精馏段操作线计算第二块板上升蒸汽组成为:
交替使用精馏段操作线方程提溜段操作线方程、和相平衡方程直到
,然后改用提溜段操作线方程,直到
为止,计算结果见表2.1。
表2.1各层塔板上的气液组成
板号
1
2
3
4
5
y
0.61
0.5288
0.4645
0.3522
0.1535
x
0.479
0.3918
0.337<
xF
0.2423
0.0964<
xW
精馏塔内理论塔板数为5-1=4块,其中精馏段2块,第3块为进料板。
(3)实际塔板数
已知全塔效率ET=0.52所以实际板数NP=NT/ET=4/0.52=8实际塔板数为8层,其中精馏段为2提馏段为2层。
此设计研究的对象时板式精馏塔的控制系统。
由于对精馏塔的控制要求较高所以设计每个控制环节时要全方面的考虑。
如图2.1所示,是八层板式精馏塔的结构图。
图2.1八层板式精馏塔的结构图
机械设备:
精馏塔主体C101
原料预热盘管式换热器E101
塔顶盘管式冷凝器E102与回流罐C102
塔顶产品罐C105与塔底产品罐C104
原料罐C103
动力设备
电加热器
塔顶产品计量泵P102、塔顶回流计量泵P104、进料计量泵P105
进料初始进料泵P101、塔底残液出料泵P103
检测仪表:
Pt100热电阻温度传感器
塔底液位与回流罐液位传感变送器
进料、塔顶产品与回流计量泵
冷却水涡轮流量计FT12
执行机构:
用于调节冷却水量的比例调节阀V1
用于自动启停塔底残液出料泵的开关继电器
用于调节塔底加热功率的单相可控硅调压装置
用于调节进料、塔顶产品与回流量的进口计量泵
则精馏塔的配置和硬件清单如表2.2所示。
表2.2精馏塔的配置和硬件清单
配置
序号
型号及名称
单位
数量
功能材质
产地
原料储罐
只
用于实验原料存储,采用镜面不锈钢材质
浙江中控
精馏塔
用于实验水和酒精的分离实验,采用镜面不锈钢材质
水泵
1、输送原料液至精馏塔塔釜
2、输送残液至精馏塔废料罐
计量泵
1、用于精确计量回流的产品流量
2、用于精确计量产品的流量
3、用于精确计量进料的流量
4、塔底残液出料流量显示FI12
不锈钢管道
若干
6
不锈钢阀门
7
对象框架
个
提供实验
设备布置
8
对象电气柜
提供设
备用电
9
铂热电阻
10
检测精馏塔塔节温度
检测精馏塔塔釜温度
检测精馏塔进料温度
检测精馏塔产品出料温度
差压变送器
测量塔釜液位
11
压力变送器
测量塔顶和塔釜压力
12
涡轮流量计
塔顶冷却水流量检测
13
比例阀
塔顶冷却水流量调节
控制系统硬件配置
SP202
系统机柜
含威图温度控制器
电源(24V)
按照液位、压力、流量的参数和结构选择测控仪表的型号如表2.3所示。
表2.3精馏塔控制的所需仪表
检测点
名称及型号
原料进塔温度TT21
铂热电阻Pt100
塔顶回流温度TT22
各塔段温度TT31-TT37
塔顶蒸汽温度T40
塔底液位传感器LT51
回流罐液位传感器LT52
进料流量显示FI11
塔底残液出料流量显示FI12
塔顶回流计量泵流量显示FI13
塔顶产品计量泵流量显示FI14
冷却水涡轮流量计FT15
2.1.2板式精馏塔控制要求
精馏塔的控制目标是保证产品质量合格的前提下,使回收率最高、能耗最低,或使总收益最大,或总成本最小。
精馏过程是在一定约束条件下进行的。
因此,精馏塔的控制要求可从质量指标产品能量和能量消耗三方面考虑。
a)质量指标
精馏塔的质量指标指塔顶或/和塔底产品的纯度。
通常,满足一端的产品质量,即塔顶或塔底产品之一达到规定纯度,而另一端产品的纯度维持在规定的范围内。
也可以是塔顶和塔底的产品均满足一定的纯度要求。
二元精馏的混合物中只有两种组分,因此,质量指标是塔顶产品中轻组分和塔底产品重组分的纯度(含量)满足产品质量要求。
产品纯度并非越纯越好,原因是纯度越高,对控制系统的偏离度要求越高,操作成本的提高与产品的价格并不成比例增加;
纯度要求应与使用要求适应。
b)产品产量
在满足产品质量指标的前提下,产品的产量也是重要的控制指标。
产品收率定义为产品产量与进料中该产品组分的量之比。
即
式中,P是产品的产量;
F是进料量;
是进料中该组分的含量。
生产效益除产品纯度与产品收率间关系外,还须考虑能量消耗因素。
产品产量越多,所需能量也越大。
产品产量与物料平衡有关。
即应满足下列物料平衡关系。
总物料平衡F=D+B
轻组分物料平衡
式中F是进料量;
D是塔顶馏出液量;
B是塔底釜液采出量;
是进料中轻组分含量;
和是塔顶和塔底馏出液中轻组分含量。
式是二元精馏时轻组分物料平衡式。
因此,产品产量应满足物料平衡约束。
c)能量平衡和经济性指标
精馏过程是能耗大户。
再沸器需要加热量,冷凝器需要消耗冷却量,此外,精馏塔、附属设备和管线等也有热量损耗。
精馏塔中上升蒸汽量越多,轻组分越容易从塔顶馏出,但消耗能量也越大,单位进料量能耗增加到一定数值后,如果继续增加塔内上升蒸汽量、产品产量的同时,考虑降低能量消耗,使能量平衡,实现较好经济性。
d)约束条件
为满足稳定和安全操作要求,对精馏他操作参数有一定的约束条件。
为了使塔能正常工作,必须满足一些约束条件,例如,塔内汽液两相流速既不能过高,引起液泛;
又不能过低,引起塔板效率大幅度下降。
最好是操作在接近液泛泛点附近。
对于用再沸器作加热装置的精馏塔,还要求加热温差不能大到超过“临界温差”等。
e)气相速度限。
精馏塔上升蒸汽速度的最大限值。
当上升蒸汽速度过高时,造成雾沫夹带,塔板上的液体不能向下流,下层塔板的气相组分倒流到上层塔板,出现液泛现象。
破坏正常的气液平衡关系,使精馏塔不能正常进行组分分离;
f)最小气相速度限。
精馏塔上升蒸汽速度的最小限值。
当上升蒸汽速度过低时,上升蒸汽不能托起上层的液相,造成NO液,使板效率下降,精馏操作不能正常进行。
g)操作压力限。
每个精馏塔都存在着一个最大操作压力限值。
精馏塔的操作压力过大,影响塔内的气液平衡,超过这个压力,塔的安全就没有保障。
h)临界温度限。
根据能量平衡关系,再沸器两侧的温度差低于临界温度限时,再沸器的给热系数急剧下降,传热量下降,严重时不能保证精馏塔的正常传热需要。
因此,再沸器有临界温度限的约束。
冷凝器冷却能力与塔压和塔顶馏出产品组分有关。
同样,冷却量也有限值,才能保证合适的回流温度,使精馏塔能够正常操作。
因此,冷凝器也有临界温度限的约束等[13]。
2.2板式精馏塔控制方案的比较与确定
2.2.1精馏塔的类型的比较与确定
分离乙醇-水二元混合物,由板式塔与填料塔比较知:
板式塔直径放大时,塔板效率比较稳定,且持液量较大,液气比适应范围大,因此本次精馏塔设备选择板式塔。
筛板塔是降液管塔板中结构最简单的,它与泡罩塔比较具有下列优点:
生产能力大10-15%,板效率提高15%左右,而压降可降低30%左右,另外筛板塔结构简单,消耗金属少,塔板的造价可减少40%左右,安装容易,也便于清洗检修。
因此,本设计采用筛板塔比较合适。
2.2.2控制方案的的简述与设计
a)控制方案的简述
精馏塔控制系统的控制方案中最常用的有单回路控制和串级控制两种。
在研究自动控制系统时,为了能更清楚的表示一个自动控制系统各个组成环节之间的相互影响和信号联系,便于对控制系统分析研究,一般都用方块图来表示控制系统的组成。
在自动控制系统中用y表示被控变量,即对象的输出;
引起被控变量波动的外来因素称为干扰作用,用f表示;
如果用一方块表示控制阀,那么,出料流量即为控制阀方块的输出信号。
出料流量信号q在方块图中把控制阀和对象连接在一起。
测量元件及边上变送器的输入信号z进入比较机构,与工艺上希望保持的被控变量数值,即给定值x进行比较,得出偏差信号e,为了能更清楚的说明其比较作用,在图中把它单独画出来。
用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。
所以,为了便于分析,用方块图来表示控制方案中的单回路控制、串级控制等常规控制方案。
图2.2单回路控制系统方块图
图2.3串级控制系统方块图
b)板式精馏塔控制设计
精馏塔自动控制的主要目的是使塔顶和塔底的产品满足质量要求。
这方面的要求不高,以及扰动不多的时候,由前面静态特性可知,只要固定D/F(B/F)和V/F(或回流比),完全按物料及能量平衡关系进行控制已能达到目的。
下面来对本设计选定的精馏塔来全方位的设计。
(1)进料流量的自动控制。
将进料初始加料泵P101切换成进料计量泵P105,以远程方式实现进料量FT11的定值控制。
(2)冷却水量的自动控制。
以电动调节阀V1与冷却水涡轮流量计FT12组成流量单回路控制系统,以实现冷却水量FT12的定值控制。
(3)塔顶蒸汽回流温度的串级控制。
以冷却水量单回路控制为内回路,通过自动调节冷却水量FT12的设定值,以最终控制回流液的回流温度TT22。
(4)C101塔底液位的区间控制。
以开关方式控制磁力泵P103的启停,以使塔底液位在一定范围内变化。
另外,当塔底液位过低时,通过减少塔底加热量甚至切断加热器的电源,以确保精馏塔操作的安全性。
(5)回流罐C102液位的均匀控制。
通过调节塔顶回流计量泵P104的转速以控制塔顶回流量,进而实现回流罐C102液位LT52的均匀控制。
这里,“均匀控制”是指在控制回流罐C102液位的同时,也要求塔顶回流量变化平缓。
(6)塔顶产品出料量与回流量的比值控制。
以远程方式自动调节塔顶产品出料计量泵的抽出量,以保持塔顶产品出料量与回流量的比值保持不变。
(7)精馏段灵敏温度的串级控制。
以塔顶产品出料量与回流量的比值控制为内回路,当精馏段灵敏温度与设定温度相比偏高时,减少塔顶产品出料计量泵P102的抽出量,由此导致回流罐液位上升,再由回流罐C102液位控制系统改变塔顶回流量,最终使精馏段灵敏温度下降;
反之也然。
(8)提馏段灵敏温度的单回路控制。
当提馏段灵敏温度与设定温度相比偏高时,通过调压模块减少塔底加热量,以使提馏段灵敏温度下降;
而当提馏段灵敏温度偏低时,通过调压模块增大塔底加热量,以达到提高提馏段灵敏温度的目的。
(9)精馏塔的控制目标,除保证操作平稳以外,通常还需要控制塔顶与/或塔底产品的纯度或质量。
对于上述实验系统,假设介质体系为水-酒精,则塔顶产品的纯度即为塔顶产品的酒精含量。
假设实验系统的操作压力为常压,且基本不变,则塔顶产
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 JX300XP 板式 精馏塔 DCS 控制系统 设计