空分精餾塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之課堂討論論文空分精憎塔的儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄1空分精憎塔的流程介紹及分析411流程分析41.2工作原理513流程特點(diǎn)614流程缺點(diǎn)72各管道線路中被控變量及其相應(yīng)的操作變量、被測變量的確定72.1相關(guān)準(zhǔn)則72.2確定變量103選擇控制策略和控制結(jié)構(gòu)12 4PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定134.1產(chǎn)品岀口壓力的串級控制134.2主換熱器出口處氣體流量的反饋控制184.3下塔液空液位控制20 5儀表選型235.1溫度類儀表的選擇235.1.1溫度傳感器TE235.1.2溫度變送器TT265.1.3溫度顯示儀表TI275.2壓力類儀表的選擇285.2.1壓力傳感器P

2、E285.2.2壓力變送器PT315.2.3壓力顯示儀Pdi325.3流量類儀表的選擇325.3.1流量計(jì)FE325.3.2流量變送器FT345.4其他類型儀表的選擇355.4.1純度檢測儀AIAS355.4.2PID 調(diào)節(jié)器 366閥門的選型376.1產(chǎn)品氧氣出口處閥門選型：376.2產(chǎn)品氮?dú)獬隹谔庨y門選型：396.3液氮出口閥門選型417總結(jié)及感想433/46空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)空分楙錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：為了充分了解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，小組以空分精館塔為 研究對象，選擇其儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為研究課題，從最初的 確定各類變量，到后續(xù)的控制系統(tǒng)的確定，再到最后的具體儀表 的選型，

3、小組成員逐一進(jìn)行了分析和討論。最終繪制了精憎塔部 分的儀表控制系統(tǒng)流程圖，并給出了各儀表的具體型號、量程、 精度等技術(shù)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：儀表控制系統(tǒng)空分精憎塔選型變量1空分精憎塔的流程介紹及分析 1.1流程分析分子飆附黠輪擁空分設(shè)備濟(jì)蹄圖Viflir ElleritKlir如郴他Wl/2 水ni/2 Viur CoolirUKlUfnieratiri hitE3ETUIQ!/ Molcculir Wiorkr zlElectric Jette:571/1 rut:cft hcite ElMi：t Hut Uchutc口如SailerCl 利 Cl heuufe Coltm I：ICodeejer

4、RollerC2lov Pressso Colm圖11空分精憎塔流程圖上圖為分子篩吸附增壓空氣膨脹空分設(shè)備流程簡圖，簡明詳4/46細(xì)地將空氣分離過程表達(dá)出來。這套設(shè)備及過去的空分設(shè)備最大 的不同在于分子篩吸附器的使用，因此也被稱為“第四代空分”, 而分子篩凈化空氣的“前端凈化”技術(shù)，代表著20世紀(jì)70年 代國際空分設(shè)備流程發(fā)展的主導(dǎo)方向。該流程設(shè)備主要由空氣過 濾壓縮、空氣預(yù)冷、分子篩凈化、膨脹制冷、換熱、精憎等系統(tǒng) 組成。1. 2 工作原理利用氧氮沸點(diǎn)不同，低溫分離。潔凈工藝空氣大部份進(jìn)入冷 箱內(nèi)的主換熱器，被返流出來的氣體冷卻，接近露點(diǎn)的空氣進(jìn)入 下塔的底部，進(jìn)行第一次分憎；在精憎塔中，上

5、升氣體及下流液 體充分接觸，傳熱傳質(zhì)后，上升氣體中氮的濃度逐漸增加。純氮 進(jìn)入下塔頂部的主冷凝蒸發(fā)器被冷凝，在氣氮冷凝的同時(shí)，主冷 凝蒸發(fā)器中的液氧得到氣化。一部份液氮作為下塔的回流液下 流，另一部分液氮經(jīng)過冷后，除少量作為產(chǎn)品液氮抽出外，其余節(jié)流后送入上塔。在下塔中產(chǎn)生的液空也經(jīng)過冷器過冷，節(jié)流后進(jìn)入上塔參及 精憎，在上塔內(nèi)，經(jīng)過再次精憎，得到產(chǎn)品氮?dú)?、產(chǎn)品氧氣和污 氮及產(chǎn)品液氧。從主冷抽出的適量的液氧，送入液氧自增壓器， 被空氣加熱蒸發(fā)后，再進(jìn)入主換熱器復(fù)熱后，送出冷箱。1. 3流程特點(diǎn)(1) 利用分子篩吸附劑在常溫下吸附空氣中水分和二氧化碳及碳 氫化合物的特性，將切換式換熱器的傳熱傳質(zhì)和

6、換熱兩種功能分 家，在冷箱外用分子篩吸附器清除空氣中水分和CO2,在冷箱 內(nèi)的換熱器僅起換熱作用，這樣不僅使進(jìn)冷箱的空氣較純凈，而 且延長了換熱器的壽命。冷箱內(nèi)不再需要設(shè)置自動(dòng)閥箱、液空液 氧吸附器循環(huán)液氧泵及相應(yīng)的切換閥門管道等，使空分流程簡 化，冷箱內(nèi)設(shè)備減少，操作維護(hù)方便。(2) 由于主換熱器沒有自清除要求，冷端溫差不用嚴(yán)格限制，使 純氮?dú)夂脱鯕猱a(chǎn)量比大大提高，可達(dá)到2.32.5,可以滿足需 要大量純氮?dú)獾挠脩粢蟆?3) 分子篩吸附器切換周期為108分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于切換式換熱器 切換周期3.5分鐘，因此空氣切換損失就大大減少，由通常的占 加工空氣總量的2%下降到0.5%,有利于氧提取率的

7、提高。同 時(shí)切換次數(shù)的減少，精憎塔受切換而引起的波動(dòng)干擾減少，有利 于氨的提取。(4) 分子篩吸附器清除空氣中有害雜質(zhì)較徹底，空分設(shè)備的操作 安全性好，連續(xù)運(yùn)行周期可達(dá)二年以上。(5) 啟動(dòng)和操作過程中，不需考慮自清除的影響，因而操作簡便, 有利于實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷操作和提髙自動(dòng)化控制水平。氧提取率提髙到9092%,氮提取率52%01.4 流程缺點(diǎn)為了保證分子篩吸附器能在較佳的溫度8i(rc下工作，以 充分發(fā)揮分子篩吸附劑的吸附效果，設(shè)置了制冷機(jī)組；同時(shí)為了 分子篩吸附劑的加溫解吸，設(shè)置了電加熱器。為了保證再生時(shí)污 氮?dú)庥凶銐虻膲毫Γ諌簷C(jī)的排壓應(yīng)適當(dāng)提髙，這些導(dǎo)致了能耗 比切換式換熱器流程要高4%,

8、約為0.51 0.57kWh/m3O2o采用常溫分子篩雖然具有切換損失少、操作維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn), 但由于能耗較高，所以它存在致命的缺點(diǎn)，很快就被新的帶增壓 膨脹機(jī)的常溫分子篩凈化空分流程所代替。2各管道線路中被控變量及其相應(yīng)的操作變量、被測變量的確定2.1相關(guān)準(zhǔn)則為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，首先應(yīng)確定空分流程各部分 的被控對象及相應(yīng)的操作變量、被測變量。在確定各類變量時(shí)， 應(yīng)注意避照以下準(zhǔn)則。(1) 從可用輸出變量中選擇被控變量在一個(gè)生產(chǎn)過程中，可能發(fā)生波動(dòng)的工藝變量很多，但并非 對所有的變量都要加以控制。一個(gè)化工廠的操作控制大體上可以 分為三類，即物料平衡控制和能量平衡控制、產(chǎn)品質(zhì)量或成分控7

9、/46空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)制、限制條件或軟限保護(hù)的控制。因而在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)，應(yīng)深入了解工藝過程，找出對穩(wěn)定生產(chǎn)、對產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì) 量、對確保經(jīng)濟(jì)效益和安全生產(chǎn)有決定性作用的工藝變量，或者 人工操作過于頻繁、緊張，難以滿足工藝要求的工藝變量，作為 被控變量來設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)。以下為幾個(gè)選擇的基本原則： 準(zhǔn)則1所有沒有自平衡能力的變量都要控制準(zhǔn)則2所選擇的輸出變量必須保持在儀器和操作條件限制之內(nèi)（例如溫 度、壓力和成分）。限制條件來源于安全、環(huán)境和操作等方面的 要求。準(zhǔn)則3選擇那些可以直接反映產(chǎn)品質(zhì)量（例如成分、折射率）或?qū)τ诋a(chǎn)品 質(zhì)量有較強(qiáng)影響（例如溫度、壓力）的變量作為輸出變

10、量。準(zhǔn)則4選擇那些及其他被控變量有較強(qiáng)耦合作用的變量。準(zhǔn)則5選擇那些具有理想的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的變量作為輸出變量（2）從輸入變量中選擇操作變量在生產(chǎn)過程中，工藝總是要求被控變量能穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值上，因?yàn)楣に囎兞康脑O(shè)計(jì)值是按一定的生產(chǎn)負(fù)荷、原料組分、質(zhì)量要8/46求、設(shè)備能力、安全極限以及合理的單位能耗等因素綜合平衡而 確定的，工藝變量穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值上一般都能得到最大的經(jīng)濟(jì)效 益。然而由于種種外部的和內(nèi)在的因素，對工藝過程的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 必然存在著干擾，因而在進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須深入研究 工藝過程，認(rèn)真分析干擾產(chǎn)生的原因，正確選擇操縱變量，建立 一個(gè)合理的控制系統(tǒng)，以確保生產(chǎn)過程的平穩(wěn)操作。選擇操縱變

11、 量時(shí)，主要應(yīng)考慮如下的原則：準(zhǔn)則6選擇對于被控變量有較大影響的輸入。準(zhǔn)則7選擇能夠快速影響被控變量的輸入。準(zhǔn)則8操作變量應(yīng)該直接影響被控變量而不是間接影響。準(zhǔn)則9避免干擾循環(huán)(3) 選擇被測變量安全有效地操作過程裝置要求對關(guān)鍵過程變量進(jìn)行在線測量。顯然，被控變量需要測量。對其他輸出變量進(jìn)行測量可以給 裝置操作人員提供更多的信息，或者提供給基于模型的控制策 略，例如推理控制。我們也希望能夠測量操作變量，因?yàn)樗鼈兡?夠?yàn)榭刂破髡ê涂刂苹芈饭收显\斷提供有用信息。測量干擾變9/46量可以為前饋控制策略提供偏差信息。主要由以下幾個(gè)準(zhǔn)則： 準(zhǔn)則10可靠準(zhǔn)確的測量是良好控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。準(zhǔn)則11選擇具有足

12、夠敏感度的測點(diǎn)。準(zhǔn)則12選擇具有最小純遲延和時(shí)間常數(shù)的測點(diǎn)。2. 2確定變量由以上準(zhǔn)則，從空氣進(jìn)入分離流程開始，各環(huán)節(jié)的變量確定 如下：空氣進(jìn)入壓縮機(jī)后，壓力和溫度都有所升髙，但是進(jìn)入分子 篩吸附器的氣體溫度不能過髙，所以先用水冷卻器使氣體溫度適 度下降，再經(jīng)由預(yù)冷機(jī)組，使氣體溫度進(jìn)一步下降，達(dá)到進(jìn)入分 子篩吸附器的適當(dāng)溫度，同時(shí)，經(jīng)過預(yù)冷機(jī)組的氣體達(dá)到飽和狀 態(tài)，則由準(zhǔn)則3和準(zhǔn)則1,應(yīng)選擇水冷卻器的出口溫度和預(yù)冷機(jī) 組的出口溫度、壓力作為被控變量，再由準(zhǔn)則6和準(zhǔn)則7,水冷 卻器中冷卻水的流量和預(yù)冷機(jī)組的功率應(yīng)分別作為上述兩個(gè)被 控變量的操作變量。為了使分子篩吸附器正常工作，從精憎塔上塔抽出的

13、氣體流 經(jīng)電加熱器進(jìn)入分子篩吸附器的溫度不能過低或過高，由準(zhǔn)則3 和準(zhǔn)則4,則電加熱器出口處氣體溫度應(yīng)作為被控變量之一，由10 / 46 準(zhǔn)則7和準(zhǔn)則8,再取電加熱器的功率作為其操作變量。從分子篩吸附器出來的氣體分為兩部分，進(jìn)入壓縮機(jī)的那一 部份氣體被壓縮，由準(zhǔn)則4,壓縮機(jī)的出口氣體壓力應(yīng)作為被控 變量之一。而壓縮機(jī)及透平膨脹機(jī)由同一根軸連接，所以透平膨 脹機(jī)的出口氣體壓力也要作為被控變量之一，從透平膨脹機(jī)中出 來的氣體溫度下降幅度很大，由準(zhǔn)則1和準(zhǔn)則2,進(jìn)入精憎塔的 溫度應(yīng)作為被控變量之一，又由準(zhǔn)則8,及上述幾個(gè)被控變量相 匹配的操作變量均為及透平膨脹機(jī)相連的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。從壓縮機(jī)出來的氣體要

14、進(jìn)入換熱器進(jìn)行換熱，則其溫度需要 保持在適當(dāng)范圍內(nèi)，即由準(zhǔn)則2,水冷卻器的出口溫度（主換熱 器的進(jìn)口溫度）及出口氣體壓力作為被控變量，由準(zhǔn)則7和準(zhǔn)則 8,及之相匹配的操作變量則是水冷卻器中冷卻水的流量。流入氣體在換熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，隨后進(jìn)入透平膨脹機(jī)膨脹對 外做功，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，則由準(zhǔn)則4,進(jìn)入透平膨脹機(jī)的氣體溫度 應(yīng)作為被控變量之一，由準(zhǔn)則6,及之相匹配的操作變量時(shí)換熱 器出口處的兩條管道內(nèi)氣體流量。從冷凝蒸發(fā)器中引出的液氧以及氮?dú)?、氧氣、污氮等氣體要 進(jìn)入容器中需要達(dá)到適當(dāng)?shù)膲毫蜏囟龋瑒t由準(zhǔn)則2,上塔底部 液氧出管口壓力及溫度都應(yīng)作為被控變量，由準(zhǔn)則6,各氣體及 液氧出口閥門開度應(yīng)作為及之匹

15、配的操作變量。經(jīng)過過冷器的液空進(jìn)入上塔前要達(dá)到適當(dāng)?shù)墓r，經(jīng)過過冷器的 液氮一部分要作為產(chǎn)品進(jìn)入容器，一部分進(jìn)入上塔受蒸發(fā)后作為 11 / 46氮?dú)馐占饋?，也需要達(dá)到相應(yīng)的工況，則由準(zhǔn)則2,各管道進(jìn) 入精憎塔前的壓力和溫度、作為產(chǎn)品進(jìn)入容器前的壓力和溫度都 應(yīng)作為被控變量。由準(zhǔn)則6,各氣體及液氧、液氮出口閥門開度 應(yīng)作為及之匹配的操作變量。由準(zhǔn)則10,上述各被控變量和操作變量中涉及壓力、溫度和 流量的變量都需要測量。3選擇控制策略和控制結(jié)構(gòu)確定了各環(huán)節(jié)的相關(guān)變量之后，需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步選擇 適當(dāng)?shù)目刂撇呗院涂刂平Y(jié)構(gòu)。前饋是按照干擾作用的大小來進(jìn)行控制的，當(dāng)擾動(dòng)一出現(xiàn)， 就能根據(jù)擾動(dòng)的測量信

16、號產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，及時(shí)補(bǔ)償擾動(dòng)造成的被 控對象的波動(dòng)。而液氮液氧等產(chǎn)品溫度極低，所以為了使得精憎 塔的各產(chǎn)品保持一定的壓力，不出現(xiàn)較大偏差，避免安全事故的 發(fā)生，出口處均應(yīng)采用前饋控制系統(tǒng)。測量出口處壓力，并將測 量結(jié)果送到壓力變送器中，壓力變送器將操作變量送至流量閥， 控制氣體或液體流量大小，以保持壓力恒定。透平膨脹機(jī)的出口氣體需降至較低溫度，以出口氣體壓力為 副參數(shù)，由于溫度總是伴隨著壓力的變化而改變，因而以壓力為 副參數(shù)，將壓力變送器的信號送至及膨脹機(jī)相連的電動(dòng)機(jī)的串級 控制系統(tǒng)能夠提前感受擾動(dòng)的影響，提前產(chǎn)生控制作用，因而提12 / 46空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)髙了控制精度?？紤]到透平

17、膨脹機(jī)的工作原理，其進(jìn)氣口處氣體的壓力和溫 度都要由其流量來控制，故采用溫度-壓力串級控制系統(tǒng)。同時(shí)將上述溫度的測量結(jié)果送至主換熱器出口處流量閥變送 器中，構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)，可精確調(diào)整換熱器出口的氣體溫度。在確定了以上各部分具體的控制系統(tǒng)之后，初步繪制了以下 的儀表控制系統(tǒng)流程圖：圖31空分精憎塔儀表控制系統(tǒng)流程圖4 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定 4.1產(chǎn)品出口壓力的串級控制我們的控制目的是使出口壓力保持恒定，現(xiàn)選用精憎段的出 口壓力，及流量來構(gòu)成串級隨動(dòng)控制如圖所示圖中PIT表示壓 力調(diào)節(jié)器，F(xiàn)IC表示流量調(diào)節(jié)器，PIT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)壓力發(fā)生變化時(shí)，由主調(diào)節(jié)器(P

18、IT) 進(jìn)行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器(FIC)的給定值，最終控制閥 門的開度，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象，流量一旦發(fā)生 變化，副控回路及時(shí)地控制閥門的開度位置，較快地克服了流量 的變化對出料壓力的影響如果流量是恒定的，只需測量實(shí)際壓 力，并使其及壓力設(shè)定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的 閥門就能保持壓力的恒定回路中，以補(bǔ)償過程的動(dòng)態(tài)特性，使被 控對象的滯后時(shí)間廠超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán) 節(jié)的時(shí)間滯后問題，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過 程，另外，通過增大流量調(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

19、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)的工作頻率譏在這個(gè)串級隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，串級控制起到了及時(shí)檢測系統(tǒng) 中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并加控制，閥位及流量得 到了及時(shí)的調(diào)節(jié)，使塔壓的控制達(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，有效地解決了對象的等效純滯后時(shí) 間。很長的問題。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)，例如流 量發(fā)生波動(dòng)引起精憎段的壓力變化時(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)輸變化引起提憎段的壓力 變化，壓力調(diào)節(jié)器及時(shí)

20、改變其輸出信號，由副控回路去改 變流量，克服了擾動(dòng)影響叫VM108污鼠=去水御塔*4108 DN10OT圖41壓力串級控制流程圖圖42壓力串級控制系統(tǒng)方框圖圖43壓力串級控制系統(tǒng)方框圖16 / 46空分楙錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)式叭2（巧=窘；中心2（S）=害倍為等效被控過程的放大 I 02 +11 + c2vO2系數(shù),= 7等效被控過程的時(shí)間常數(shù)。1 + c2rO2m2可見等效被控過程的時(shí)間常數(shù)小于被控過程的時(shí)間常數(shù)，隨著心的增大，時(shí)間常數(shù)減小的效果更明顯，副回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 快的多。二次擾動(dòng)作用下，副回路傳遞函數(shù)為_弘）_一希一 1十G網(wǎng)G）監(jiān)心）恥）1十呢G）氏G）%G）確心）(4-1)一次擾

21、動(dòng)作用下，擾動(dòng)回路傳遞函數(shù)為（4-2）系統(tǒng)輸出對輸入的傳遞函數(shù)為w iAs) = -。l + Ttn,s假設(shè) Kp = 5-0MPa/(T/hr)Tpl = 36min，Tp2 = 02min?Tp = 24minKdx =-l (-)05MPd/(T/”) ,Tdl = 24min,Td = 23mino而介質(zhì)出口處壓力的變化范圍為 + (-)200甩/(77防)，選取Kp、=0.5MPa /(T/hr) ,Tp2 = lmin jp = 3min，空分楙錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Kdx = -0.5MPa /(T / /zr) Tdl = SminTj = 2m.in 0當(dāng)?shù)獨(dú)獬隹趬毫υ谠黾訒r(shí)，

22、由工藝分析得出，為但其出口壓 力減小，要求控制閥的開度也要減小，則主控制器應(yīng)選“反”作 用O圖45流量反饋控制方框圖選用比例控制器G(s)=K21 / 46空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：l+G(s)G(p)=O假設(shè)：=5-100 c / (T/hr) ;T=5-1 Omin則受控對象傳遞函數(shù)為:廠斗 (7k + 1)所以 10000 “ +4000F+600” +40f+ 1 + 心=0勞斯陣列為54100006001 + Kp53400040$25001 + Kp5132-8心51 + 心當(dāng)Kp=4時(shí)，J行元素為0.這時(shí)系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)震蕩，因此臨界增益為：KpcR = 4把s=

23、jw代入特征方程(10000 屛-600聲 + 5)_知(4000 vp2-40) = 0當(dāng) 吃= 1/100即 w： =0.1(m/)時(shí)，振蕩周期為Tcr = 62.85比例控制器G(s)=K p =0.5 K tR =2則控制器的傳遞函數(shù)為G(s)=2當(dāng)進(jìn)入透平壓縮機(jī)的空氣溫度升髙時(shí)，為使得空氣溫度下降 到適當(dāng)范圍內(nèi)，應(yīng)使更多的空氣流經(jīng)主換熱器，將溫度降低，則 閥門開度應(yīng)該減小，控制器選擇反作用。4.3下塔液空液位控制首先分析下塔液位的動(dòng)態(tài)特性。塔內(nèi)液位和進(jìn)氣流量液位之間的模型為:(3.7)但是下塔液位時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于進(jìn)氣流量的時(shí)間常數(shù)，即7；人，所以模型可以近似為一階慣性模型：電磁流量初

24、始穩(wěn)態(tài)值hl=2.90,進(jìn)氣流量近似為階躍響應(yīng)，計(jì) 算其幅值時(shí)可以把最大值和最小值換算成100%的階躍:.e 0.2517-0.1885nnniAx%=x 100%=0.0910.6948重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h2=13.60o可以計(jì)算出：同時(shí)可以計(jì)算出To時(shí)刻電磁流量值:= (13.60 - 2.90)x 0.632 + 2.90 = 9.66可以對應(yīng)查找hi(63.2%)的值如下表所示:表下塔液位T時(shí)刻表下塔液位ho(O%)hx(63.2%)時(shí)刻04:04:1304:06:53由此可以計(jì)算出To的值:32 / 46綜上所述，得出空氣流量及液位髙度之間的數(shù)學(xué)模型為:1.18160s+l然后利用臨界比

25、例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定。由于求出來的液 位傳遞函數(shù)為一階，而對于一階和二階的傳遞函數(shù)，狀態(tài)方程始 終穩(wěn)定，無法求岀具體參數(shù)。特選擇了一個(gè)有自平衡能力的三階 傳遞函數(shù)，利用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定：S(S)=(n)3閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為l+Gs)Gp(s)=O為(5s+l)3+Kp=O,即 125s3+75s2+15s+1+kp=0所以勞斯陣列為：S3 12515s2 75 1+Kps1 15-5/3(1+kp)s 1+Kp當(dāng)吟=8時(shí)，s?行元素為零。這使系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)振蕩，因此臨界增 益為Kpcr=8當(dāng)邱=8時(shí)，控制系統(tǒng)的特征方程變成125s3+75s24-15s1+1+8=0可把s=

26、jo帶入特征方程，先求岀等幅振蕩的頻率叭，求出心。帶入s= jo,得到(75川+9) - j co (125315) =0由此可得cr=0.35rad/s,貝ijrc =|=17.95scr由參數(shù)整定準(zhǔn)則，且設(shè)計(jì)為比例控制器gc(s)=kp時(shí)Kp=0.5Kpcr=4則控制器傳遞函數(shù)Gc(s)=4當(dāng)設(shè)計(jì)為PI控制器6(S)=K1+右)時(shí)Kp=0.45Kpcr= 3.6, t =0.85rcr= 15.26s則控制器傳遞函數(shù)為Gc(s)= 3.6(1+)當(dāng)設(shè)計(jì)為PID控制器q(s)=Kl+吉+丁護(hù))時(shí)，Kp=0.67Kpcr=5.36, Tj=0.5Tcr=8.98s, =0.152.698則控制

27、器傳遞函數(shù)為q（s）=5.36（l+忌+ 2.驅(qū)）對此控制液位的控制器：當(dāng)液位變送器檢出液位偏離（髙于） 設(shè)定值，設(shè)變送器、控制閥、系統(tǒng)都為正作用此時(shí)如果控制器選 正作用，則控制器輸出就變大，閥的開度變大，液空排出量變大, 這樣就能實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。5儀表逸型 5. 1溫度類儀表的選擇5.1.1溫度傳感器TE在空分精憎過程中，經(jīng)常涉及信號的遠(yuǎn)傳和處理，而遠(yuǎn)傳接 觸式測溫儀表有熱電偶和熱電阻兩大類，且熱電偶和熱電阻具有 測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便等特點(diǎn)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的指示、記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制。由空氣組分及相應(yīng)壓力查氮-氧混合物T-i-p-x-y圖得到來自 透平膨脹機(jī)的空氣進(jìn)入下塔溫度T=1

28、00.2K,由液空組分及相 應(yīng)壓力查氮-氧混合物T-i-p-x-y圖得到液空出料口溫度 T=99.5K,由污液氮組分及相應(yīng)壓力查氮-氧混合物T-i-p-x-y 圖得到污液氮出料口溫度T=95.4K,由純液氮組分及相應(yīng)壓力 查氮氧混合物T-i-p-x-y圖得到純液氮出料口溫度T=95.1Ko在下塔中，認(rèn)為上升蒸汽為飽和蒸汽，下流液體為飽和液體,并認(rèn)為是飽和弘-Q混合物，由氮氧混合物T-1-p-x-y圖并根據(jù) 塔總=99.99%峠.=0.58MR 査得 T*96.3K頂塔斗=36%底耳 T01.2KPh = 0.58MP 査得可確定下塔平均工作溫度:“魚Z96.3 + 101.2=98就2由上述數(shù)

29、據(jù)可知，空分精憎設(shè)備中涉及的氣體或液體溫度均 為超低溫。而鉗的化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，容易得到高純度的鉗絲，比電 阻較大，測溫精度高，在-20009范圍內(nèi)電阻及溫度成近似的 線性關(guān)系。銅雖然具有價(jià)格便宜，電阻溫度系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，但是 測溫范圍比鉗小，一般在-50- 150C之間，比電阻較小，體積大，靈敏度低。鐵葆等雖有很高電阻溫度系數(shù)，但電阻及溫度的 關(guān)系不是線性的，且難以提純，一般很少用。因此測量液氮、液 空和液氧等超低溫液體時(shí)常用鉗電阻溫度計(jì)。型號：WZB-210溫度傳感器分度號：Pt 100量程：-200+50CTC精度等級：A級允許偏差C: (0.15+0.002111)材料:金屬材料物理性質(zhì):半

30、導(dǎo)體 材料晶體結(jié)構(gòu):非晶 制作工藝:集成 輸出信號:模擬型 重復(fù)性：1 (%F.S) 靈敏度：1 漂移：1 分辨率：1因熱電偶直接及被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響，所以 熱電偶的測量精度高。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成， 構(gòu)造簡單，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來 非常方便。250C下以及負(fù)溫測量一般用T型電偶，在低溫時(shí)T 型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。而通常從可逆式換熱器(或蓄冷器)出 來的污氮?dú)?、氮?dú)鉁囟仍?728C,基本屬于室溫范圍，氧氣 經(jīng)主換熱器復(fù)熱至12。鎧裝式熱電偶可以提高響應(yīng)速度。而 銅-康銅熱電偶靈敏度髙、穩(wěn)定可靠、抗震抗摔、互換性好、價(jià) 格低廉、適用于遠(yuǎn)距離

31、測溫和自動(dòng)控制，在-351009范圍內(nèi) 的線性及一致性都較好。因此選用此類熱電偶測量其他氣體溫 度。類型：銅-康銅熱電偶(鎧裝熱電偶)型號：WRCK分度號：T測量范:0-400 ( C)允差等級：A允差值：1 C熱響應(yīng)時(shí)間：v=5(s)5.1.2溫度變送器TT經(jīng)由溫度傳感器所測數(shù)據(jù)為了準(zhǔn)確、及時(shí)的顯示出來，我們 對溫度變送器的反饋部分采用非線性反饋，結(jié)果保證被測溫度t 及輸出I間成線性關(guān)系，使結(jié)果直觀，準(zhǔn)確。為了變送器能在出 口等環(huán)境下正常工作，我們需要變送器能適應(yīng)低溫,高壓等環(huán)境。 同時(shí)，為確保安全，在線路中要采用安全火花防爆措施，經(jīng)查找 資料，我們選擇：型號：KETH熱電阻溫度變送器環(huán)境溫

32、度:-25-+75C相對濕度：5%-95%機(jī)械振動(dòng):f50hz,振幅V0.15mm環(huán)境影響系數(shù)：& lOOmV三種輸出可選擇 （典 型值）非線性：0.1%FS、0.2%FS重復(fù)性：0.05%FS熱零點(diǎn)溫漂：14%FS （全溫區(qū)）熱滿量程溫漂：14.5%FS （全溫區(qū)）絕緣電阻：100 MQ/50V安全過載壓力：150%FS（15倍滿量程）破壞壓力：300%FS（3倍滿量程）振動(dòng)：51000Hz,振幅2mm, X、Y、Z每向30分鐘，輸出 變化小于0.1%FS沖擊：50g; X、Y、Z三向，每向20ms;輸出變化小于0.1%FS 連接方式：M3、M4、M5、M6、M& MIO、M12X 1 或指

33、定 接液材料：15-5PH、17-4PH、316L不銹鋼 相對濕度：95% RH 外殼防護(hù)等級：IP65或IP67從透平膨脹機(jī)出來的氣體進(jìn)入下塔進(jìn)行精憎，則氣體壓強(qiáng)應(yīng) 及下塔塔內(nèi)壓強(qiáng)相同，上塔壓力Pup=0.136MPa ,下塔壓力 Pdown=0.58MPa。產(chǎn)品氧氣的出口壓力比較髙，約為 8.5MPa,溫度約為12Co產(chǎn)品氮?dú)獬隹趬毫?.45MPa,溫 度譽(yù)為27Co為了避免超負(fù)荷而破壞，被測壓力的額定值為壓 力計(jì)滿量程的2/3;為了滿足測量精度的要求，被測壓力的最小 值也不應(yīng)低于滿量程的1/30而且由于氧氣的壓力比較髙，須嚴(yán) 格控制其測量精度，以免造成安全事故。同時(shí)傳感器的長期穩(wěn)定 性

34、要較髙，保證儀表不會(huì)在長期使用之后出現(xiàn)故障影響工業(yè)生 產(chǎn)。測量氮?dú)饧捌渌麣怏w時(shí)選用：型號：LYC3001通用低壓力傳感器精度：0.25%FS量程：0IMPq工作溫度：-10 +70C零位： 2mA長期穩(wěn)定性：0.3%FS供電電壓：5.00.5VDC工作電流：v 1.5mA輸出阻抗：10Q輸出電壓：0.54.5VDC測量氧氣壓力時(shí)選用Kulite壓力傳感器型號：XTL系列壓力傳感器量程：014MPa過載壓力：2倍額定壓力輸入阻抗：10000（最?。┹敵鲎杩梗?000Q（額定值）滿量程輸出（FSO）： 100mV（額定值）零位不平衡：5mV（典型值）固有頻率：1250kHz （典型）工作溫度：-5

35、5C到175C空分楙錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱零點(diǎn)漂移：1%FS5. 2.2壓力變送器PT壓力變送器主要用于測量氣體、液體和蒸汽的壓力、負(fù)壓和 絕對壓力等參數(shù)，然后將其轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。壓力變送器包 括GP型（表壓力）和AP型（絕對壓力）兩種類型。我們要在 低溫、髙壓的情況下測量氣體的表壓，要求變送器有良好的穩(wěn)定 性，單向過載保護(hù)特性好，有良好的安全防爆措施。同時(shí)，因?yàn)?過程工業(yè)儀表普遍遵循4-20 mADC的標(biāo)準(zhǔn)信號范圍和兩線制的 連接方式，我們選擇：型號：1151DP型差壓變送器（安徽康樂儀表電纜廠）測量范0-0.25kPa0-40MPa39 / 46精度：0.2%靜壓：4、10、25、32

36、MPa 穩(wěn)定性：六個(gè)月內(nèi)不超過最大量程的基本誤差絕對值振動(dòng)影響：在任意軸向上，振動(dòng)頻率為200Hz時(shí)，誤差為最大測量范上限的土 0.05%/go電源影響：小于輸出量程的0.005%/V輸出信號：420mADC供電電源：1245VDC, 一般為24VDC 指示表:指針式：0100%刻度和平方根指示0-10刻度；3 1/2位LCD液晶顯示（0100%線性）空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)殼體材料：低銅鋁合金防爆：乩隔爆型ExdnBT5; b.本安型Ex iaDCT6防護(hù)等級：IP65溫度范圍:放大電路：-25+7CTC;測量元件:-40C+ 104C啟動(dòng)時(shí)間：2秒，不需預(yù)熱5. 2. 3壓力顯示儀Pdi

37、型號：XMY-20壓力數(shù)字顯示儀輸入信號：010MA 配套一次儀表型號：YSG-2 （02）電感壓力（微壓）變送器顯示范圍：及配套一次儀表壓力測量范圍相同 工作環(huán)境溫度：5409工作電源：AC220V5. 3流量類儀表的選擇5. 3. 1流量計(jì)FE空分精憎塔中對流量的控制較多。而涉及到的流體分為兩類, 一類是0攝氏度以上的產(chǎn)品氣體，女口，氮?dú)夂脱鯕猓约熬髦?前的空氣，一類是液空、液氮、液氧等超低溫的液體。氧產(chǎn)量 V02=10000m3/h ,氮產(chǎn)量 VN2=10000m3/h ,加工空氣 量 Vk=55000m3/h。在壓力 0.58Mpa,溫度 97.9K 下（標(biāo)32 / 46況下空氣密

38、度）,下塔蒸汽量v=2345.32m3/h ,液體量L=61.958m3/h。產(chǎn)品氣體的流量測量精度要求較小。且在進(jìn)行流量測量時(shí)應(yīng)盡量減少壓力損失。而RC調(diào)整型流量計(jì)線性度 比孔板提升了 510倍，重復(fù)性提高了 54%。在同樣的測量工 況下，及孔板相比減少了 2.5倍的永久壓力損失，長期穩(wěn)定性好。型號：RC調(diào)整型流量計(jì)測量介質(zhì)：液氧、液空和液氮介質(zhì)溫度：-196+ 1259精度等級：0.5%;量程比：10:1 線性度：1.0%B 值:0.25 0.9Re:200 107 公稱壓力：PN lCrl8Nil2Mo2Ti、17-4PH、空分精錮塔儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)9Crl& 316L）、不銹鋼堆焊司太

39、萊合金、鈦和耐腐蝕合金等總結(jié)及感扌總結(jié):相比于其他組的題目而言，空分精憎塔的儀表控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 雖然是個(gè)簡單的題目，卻也讓我們小組成員頭痛不已。從最初的 流程圖分析開始就遇到了一些問題，在網(wǎng)絡(luò)上找不到對空氣分離 精館流程的具體講解，我們只能向系里的老師求助，在弄清楚各 環(huán)節(jié)的作用之后我們開始對精館塔這一部分相關(guān)的管道流程做 具體分析。小組成員按照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)步驟，細(xì)致分工， 逐一完成相關(guān)任務(wù)。當(dāng)然也會(huì)經(jīng)常遇到一些問題，比如調(diào)節(jié)閥如 何進(jìn)行具體選型，為什么要選擇這個(gè)儀表，PID控制器如何進(jìn)行 參數(shù)整定，等等。這些問題都是進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題， 重點(diǎn)問題，我們小組成員為了解決這些問題，經(jīng)常交流討論，發(fā) 表自己的見解，同時(shí)也經(jīng)常向指導(dǎo)老師請教，上網(wǎng)查詢相關(guān)資料, 請教同學(xué)，最終基本解決了所有的問題。我們在此過程中，對各“I匕類常見儀