精馏塔的控制( Part I )
戴连奎
浙江大学工业控制研究所 2013/06/02
内 容 控制系统一般设计与实施步骤 精馏塔被控变量与控制变量的选择 精馏塔压力控制 顺流控制方式下的物料平衡控制问题及其对
产品纯度的影响 顺流控制方式下的物料平衡控制方案介绍与
特点分析 逆流控制方式下的物料平衡控制问题与控制
方案介绍
过程控制系统的组成
U(t)
+_
MVs
DVs
传感变送器
执行器或执行回路
被控过程控制器CVs
Ym (t)
Ysp (t)
其中, CVs 为被控变量, MVs 为操作变量, DVs 为干扰变量;Ym (t) 为测量信号, Ysp (t) 为设定值(或称“给定值”),
U(t) 为控制器输出(或称控制变量)
过程控制系统的一般设计步骤
1. 结合工艺过程,确定控制目标2. 被控变量 CVs 的选择
当控制目标不可测时,需要选择易测量又与控制目标密切相关的工艺参数作为 CVs
3. 操作变量 MVs 的选择MV 直接与控制阀的安装位置有关,既要对至少一个 CVs 具有较强的控制增益,同时要求MV 便于操作,并具有较大的调节范围
过程控制系统的一般设计步骤4. 操作变量与被控变量的配对( Pairing )
当 MVs 与 CVs 为多变量时,需要结合静态关联分析、动态响应速度、 CVs 重要性等因素进行配对选择,尽可能减少相互间的关联
5. 控制方案的选择对于某一个 MV 与对应的 CV ,控制方案涉及辅助测量信息与控制器内部结构的选择
6. 控制算法的选择对于某一结构的控制器,控制算法涉及测量信息与控制器输出之间的函数关系( PID 算法占 90% 以上)
过程控制系统的实施步骤1. 测量仪表与执行器的选型与购置
结合自控设计方案与工艺参数变化范围,选择仪表量程;结合工艺介质属性、工作条件与经济性,进行测量仪表与执行器的选型
2. 控制器或控制装置的选择与购置结合整个控制系统规模(如 AI/AO/DI/DO 点数),兼顾系统经济性与可靠性,选择合适的控制装置硬软件系统
过程控制系统的实施步骤3. 控制系统的组态
控制系统组态也称控制系统的“软连线”,用于实现自控设计所涉及的各种控制方案
4. 现场仪表的现场安装与调试现场仪表涉及各种测量仪表与执行器,安装完毕后必须进行现场调试,以确保其准确、灵敏
5. 控制系统的联调与投用控制系统联调,通常采用控制器“手动”操作法,以确保控制器输出能够引起对应 CV 或辅助测量希望的响应,而投用涉及 PID 参数整定、手 / 自动切换等
两元精馏过程典型工艺流程
过程描述
平衡条件
控制目标 ?
进料
塔底产品
精馏塔系统
再沸器
塔顶产品回流液
回流泵
冷凝器
回流罐
水蒸汽
上升蒸汽
冷却水
提馏段
精馏段
不凝气
塔底泵
精馏塔控制目标 确保操作安全性与平稳性
具体包括塔压、塔底与回流罐液位的平稳,并避免异常工况(如漏塔、液泛等)的出现
控制产品的纯度与成份涉及塔底、塔顶产品纯度的检测与控制,很多塔只有一端出料作为产品,少数塔两端出料均为产品
增加产品产率与产量产品产率通常可用产品量与进料的比值来表示
降低操作能耗涉及塔底热能耗与塔顶冷能耗
精馏塔 CVs 的选择
F
B, xB
V
TR
TS
QH
P
QC
DG
D, xDL
LD
LB
产品质量对应的CVs 的选择问题 ?
MVs 如何选择?
连续生产过程的不同流向物料平衡控制策略
原料贮罐
中间贮罐
成品贮罐
中间贮罐
中间贮罐
Qo
采购计划
QRM Qi
生产管理和产品监督
Qn
顺产品流向控制方案
对于整个过程而言,主要扰动为产品销售量的变化
中间贮罐包括:车间内单元设备的缓冲罐,或精馏塔塔底与回流罐等可存贮液体并具有较大体积的容器。
连续生产过程的不同流向物料平衡控制策略
混合流向控制方案
原料贮罐
中间贮罐
成品贮罐
关键设备
中间贮罐
Qo
采购计划
QRM Qi
生产管理和产品监督
Qn
逆产品流向控制方案
原料贮罐
中间贮罐
成品贮罐
中间贮罐
中间贮罐
Qo
采购计划
QRM Qi
Qn
精馏塔 MVs 的选择 顺流控制方式
F 为主要干扰 逆流控制方式
方式 #1:塔顶出料为关键产品D 为干扰;而 B 、F 可作为 MVs方式 #2:塔底出料为关键产品B 为干扰;而 D 、F 可作为 MVs
F
B, xB
V
TR
TS
QH
P
QC
DG
D, xDL
LD
LB
精馏塔顺流控制问题
精馏塔
塔顶产品量 D
干扰(F, xF, TF)
MVs CVs
塔顶回流量 L
塔底产品量 B
加热蒸汽流量 QH
冷却剂流量 QC
塔顶不凝气流量 DV
塔顶压力 P
回流罐液位 LD
塔底液位 LB
塔顶产品纯度 xD
塔底产品纯度 xB
塔顶压力控制问题
F
B, xB
V
TR
TS
QH
P
QC
DG
D, xDL
LD
LB
CV: P
MVs : QC, DG , QH , L
与 P 对应的 MV 选择原则与控制方案 ?
塔顶压力控制方案
F
L
D
PPT41
PC41
Psp
方案 1.1:MV 为塔顶不凝气流量
方案 1.2:MV 为冷却剂流量或其它冷却手段
方案比较与工业应用举例
F
L
D
PPT41
Psp
PC41
顺流方式下的简化精馏塔控制问题
CVs 不同的原因分析与应用背景介绍
精馏塔
D
L
B
QH
LB
LD
WMVs CVs
(A)
精馏塔
D
L
B
xD / TR
LB
LD
WMVs CVs
(B)
精馏塔
D
L
B
LB
LD
WMVs CVs
xB / TS
xD / TR
(D)
精馏塔
D
L
B
LB
LD
WMVs CVs
xB / TS
(C)
QH
QH QH
W = ( F, xF,TF)
顺流方式下精馏塔的物料平衡控制问题
CVs: LD, LB
MVs: L or D, QH or B
CVs 与 MVs 如何配对 ?
F
BQH
FT11
FC11
LT21
DL
LT22
V LB
LD
物料平衡控制的意义?它与双液位控制的关系?
物料平衡控制系统的变量配对
方案 MVs D L B QH
A1 CVs LD -- LB --
A2 CVs -- LD LB --
A3 CVs LD -- -- LB
A4 CVs -- LD -- LB“就近”原则下的变量配对
精馏塔
D
L
B
QH
LB
LD
WMVs CVs
方案比较原则:既要满足控制 CVs 的基本要求,又要尽可能减少对产品质量的影响
双组份两元精馏塔的物料平衡关系
F, xF
V
B, xB
D, xD
VR
L
MDBDF
总物料平衡:
BDF BxDxFx
BD
FD
BD
BF
xx
xx
F
B
xx
xx
F
D
,
轻组分物料平衡:
物料平衡方程:1 1
1D F Bx x xD D
F F
塔顶塔底产品分离度及其影响因素
F, xF
V
B, xB
D, xD
VR
L
MD
)1(
)1(1
1 DB
BD
B
B
D
D
xx
xx
x
x
x
xS
分离度:
回流比 L/D 对分离度的影响:nE
FxLD
S
11
变量意义分析
进料组成变化对产品不纯度的影响
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
xB
1 -
xD
xF= 0.47
xF= 0.52
xF= 0.57C
A
B
某双组份精馏塔,塔板数 n =16 ,塔板效率 E=0.816 ,轻重组份平均分离度 α=2.0。操作参数:顶产品产率 D/F=0.5;
回流比 L/D=2.5
曲线意义分析
进料组成变化对产品不纯度的影响
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.250
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
xB
1 -
xD
xF= 0.47
xF= 0.52
xF= 0.57C
A
B
对于某一双组份精馏塔,在物料平衡控制下,塔顶与塔底出料的纯度取决于进料纯度 xF 、产品产率 D/F 、顶回流比 L/D。
当 D/F 、 L/D 不变时,产品纯度仅取决于 xF。
结论:若进料组成变化不大,只要维持 D/F (或 B/F )、 L/D基本不变,则产品纯度变化不大,此时就无需控制。
D/F 与 L/D 变化对产品不纯度的影响
讨论: L/D 变化对产品纯度的影响,工作点“ D” 、“ F” ; D/F 变化对产品纯度的影响,工作点“ A” 、“ B”
物料平衡控制下产品纯度影响因素分析
当 D/F 、 L/D 不变时, xF 增加,则塔顶产品的纯度提高,而塔底产品的纯度下降;
当 xF 、 L/D 不变时, D/F 增加,则塔顶产品的纯度下降,而塔底产品的纯度提高;
当 xF 、 D/F 不变时, L/D 增加(同时需要 V/D增加),两端产品纯度均提高(以能耗换纯度)。
当 xF 、 L/F 不变时, V/F 增加,同时导致 L/D下降、 D/F 增加,塔底产品纯度提高,但塔顶产品纯度显著下降。
物料平衡控制系统的变量配对
方案 MVs D L B QH
A1 CVs LD -- LB --
A2 CVs -- LD LB --
A3 CVs LD -- -- LB
A4 CVs -- LD -- LB“就近”原则下的变量配对
精馏塔
D
L
B
QH
LB
LD
WMVs CVs
方案比较原则:既要满足控制 CVs 的基本要求,又要尽可能减少对产品质量的影响
物料平衡控制方案 A1
方案特点( 1 )使用要求: V足够大( 2 )两液位回路无耦合( 3 )干扰因素 V 的变化对产品纯度影响大
DF, xF
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
LC22
FT13
FC13
V
方案 A1 的抗干扰性分析
讨论:塔底蒸发量对产品纯度的影响
试分析 L/F 变化对产品纯度的影响
物料平衡控制方案 A2
方案特点( 1 )使用要求: V足够大( 2 )两液位回路无闭环耦合( 3 )干扰 V 对产品纯度影响小( 4 )不适合于小回流比系统
D
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
LC22
FT14
FC14
F, xF
V
方案 A2 的抗干扰性分析
物料平衡控制方案 A2+
F
BQH
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
FT15
FC15
与方案 A2 的差别分析
物料平衡控制方案 A3
DF
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
LC22
FT13
FC13
FT16
FC16
V 控制方案优缺点分析与
应用场合
物料平衡控制方案 A4
物料平衡?两液位控制回路关联分析
F
BQH
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
FT15
FC15
V
DL
LT22
LC22
FT14
FC14
逆流控制方式 #1 下精馏塔的物料平衡控制问题
CVs: LD, LB
MVs: L 或 F, QH 或 B
变量如何配对 ? 控制方案如何设计 ?
F
BQH
LT21
L
LT22
V LB
LD
D
FT14
FC14
主要干扰: D
控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响
逆流控制方式 #1 下物料平衡控制问题分析
CVs: LD, LB
MVs: L 或 F, QV 或 B
主要干扰: D
控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响
维持 D/F 、 L/D (或V/D 、 V/F )基本不变
合适的配对: B → LB
(方案 A1D ) L → LD
(方案 A2D ) F → LD
逆流控制方式 #1 下的物料平衡控制方案 A1D
使用条件: V足够大
讨论:引入比值控制的优缺点?何时不需要?
D
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
LC22
FT14
FC14
F, xF
V
K1
逆流控制方式 #1 下的物料平衡控制方案 A2D
使用条件: V足够大主要问题: LT22波动大;
如何改进方案?
D
BQH
L
FT11
FC11
FT12
FC12
LT21
LC21
LT22
FT14
FC14
F, xF
V
FT13
FC13
LC22
K2
逆流控制方式 #2 下物料平衡控制问题与方案讨论
CVs: LD, LB
MVs: L 或 D, QH 或 F
变量如何配对 ? 控制方案如何设计 ?
主要干扰: B
控制系统应尽可能减少对产品纯度的影响F
BQH
LT21
DL
LT22
V LB
LD
FT15
FC15
小 结 控制系统一般设计与实施步骤 精馏塔的控制目标与 CVs 的选择 全生产过程的物料平衡控制方式与 MVs 选择 物料平衡控制下,精馏产品纯度关键影响因
素的分析 顺流控制方式下的物料平衡控制方案介绍与
特点分析 逆流控制方式下的物料平衡控制问题与控制
方案讨论