加氢尾油处理装置常压塔自动控制系统设计.docx

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加氢尾油处理装置常压塔自动控制系统设计

摘要

本设计主要对加氢处理装置常压塔的各设备进行控制系统的设计，实现用DCS控制系统对常压塔各部分设备进行有效的控制，如温度、液位、流量等。

保证最终的产品达到工艺的要求。

自动控制系统的设计是根据常压塔工段的工艺机理、操作条件、原料及产品的化学性质，结合我国的自动化水平，采用CENTUM系统对控制方案进行实施。

它的生产状况影响后续工艺的操作和生产的效益。

因此，我们为保证设备各个环节达到工艺的要求，采用了由日本横河公司生产的CENTUM集散控制系统，对自动控制系统进行优化控制。

采用CENTUM系统进行控制，可以解决常规仪表在控制过程中的许多问题。

其控制精度高，能迅速及时的克服操作条件带来的干扰影响，使能量消耗降低，同时提高产品产量，且质量高，从而使原料的加热过程达到优化。

达到提高生产率、为企业增加经济效益的目的。

关键词：

自动控制系统；常压塔；集散控制系统

Abstract

Thisdesignismainlyforhydrotreatingunitofatmosphericdistillationtowerintheequipmentcontrolsystemdesign,realizationofDCScontrolsystemfordistillationtowerofeachequipmentforeffectivecontrol,suchastemperature,liquidlevel,flowrate.Toensurethatthefinalproductreachthetechnicalrequirements.

Automaticcontrolsystemdesignisbasedontheatmospherictowerprocessmechanism,operationconditions,rawmaterialsandproductschemicalproperties,combinedwithChina'sautomationlevel,usingtheCENTUMsystemcontrolschemewasimplemented.Itsproductionstatusaffectthefollow-upprocessoperationandproductionbenefit.Therefore,weguaranteethattheequipmenteachlinkreachthedesignrequest,usedbytheJapanesecompanyofHengheCENTUMdistributedcontrolsystem,theautomaticcontrolsystemofoptimizationcontrol.UsingCENTUMcontrolsystem,cansolvetheconventionalinstrumentinthecontrolprocessofmanyproblems.Itshighcontrolaccuracy,canquicklyandtimelytoovercometheinterferencecausedbytheinfluenceofoperationconditions,toreduceenergyconsumption,improveproductyield,andhighqualityrawmaterials,sothattheheatingprocesstoachievetheoptimization.Improveproductivity,increasetheeconomicbenefitoftheenterprisepurpose.

Keywords:

automaticcontrolsystem;atmospherictower;distributedcontrolsystem

第1章引言

尾油是石油经蒸馏加工后剩余的残尾，其比率约占石油加工前的50%，由于尾油质量差，杂质和非理想组份含量高，加工难度大，致使尾油曾作为锅炉燃料被烧掉，不仅浪费有限资源，而且对环境造成了污染。

尾油加工处理简单地说，就是在高温、高压和催化剂存在的条件下，使尾油和氢气发生化学反应，去除尾油中的硫、氮、重金属等有害杂质，将尾油部分转化为气油和柴油，剩余的部分可以通过催化、液化进行加工处理，全部转化为气油和柴油.加氢处理后的尾油质量得到明显改善，可直接用催化、裂化工艺，将其全部转化成市场急需的气油和柴油，提高了资源的利用率和经济效益。

经过尾油加氢处理技术装置处理的尾油，所含的硫、氮、金属及残氮等重要指标，均大幅度降低，可全部做为催化、裂化等下游工艺的过程的合格进料，可把利用价值较低，容易造成环境污染的尾油，全部转化为附加值高、质量上乘的氢质油品，最大限度地提高了氢质油转化率，从某种意义上说，该技术使原油得到了解100%的转化，实现了石油炼制过程中将原油充分利用的目的。

此次设计就是做加氢尾油处理装置常压塔部分的自动控制系统设计。

实现用DCS控制系统对常压塔各部分设备进行有效的控制，如温度、液位、流量等。

保证最终的产品达到工艺的要求。

第2章综述

2.1工艺流程介绍

加氢尾油处理装置常压塔工艺流程如图2-1所示。

A301R602

E302

E303

T303

400#工段

E205

P303A/P304A/BP305A/B

图2-1加氢尾油处理装置常压塔工艺流程图

自E303来的稳定塔底油进入T302进料段，进行闪蒸并汽液分离，汽相沿塔上升作为精馏段的气相物流。

自常压塔T302塔顶蒸出的气体，首先进入塔顶空冷器A301进行冷凝冷却，然后流入塔顶回流罐R302中进行气液分离。

分离出的气体自顶部引出送至装置的低压燃料气缓冲罐R602，分离出的液体由常压塔顶抽出泵P305A/B抽出，分两路，一路按一定流量进入T302塔顶形成T302塔的顶回流，另一路经冷却器E302冷却，作为轻低芳溶剂油产品送出装置。

自进料段闪蒸下来的液体向下流入提馏段塔盘，与塔底设置的汽提蒸汽逆流接触，脱出轻组分后进入塔底。

T302塔中部常二线采出口采出的液体进入T303上部与T303下部的汽提蒸汽逆流接触，进一步脱出常二线抽出油的轻组分。

P304A/B自T303塔底抽出气提后的常二线油，以一定流量去E205。

P303A/B自T302塔底抽出常压塔底油送入400#工段。

进料段上部馏出的过汽化油经过计量后流入T302塔底。

R302分出的含油污水排入污水系统。

2.2工艺要求

为保证产品质量要求，工艺要求常压塔顶出口物料温度为97℃，避免温度过高其它的组分挥发使产品质量不纯；从安全的角度出发，常压塔出口温度也必须在一定的范围内波动，不能超过限定值。

常压塔的输入输出能量应平衡，使塔内的操作压力维持稳定。

第3章控制方案选择

3.1常压塔底汽提蒸汽流量控制系统

3.1.1被控变量的选择

工艺要求汽提蒸汽以一定流量进入常压塔底部与进料段闪蒸下来的液体逆流接触，所以选择汽提蒸汽的流量作为被控变量。

3.1.2操作变量的选择

综合分析可知，能够影响汽提蒸汽流量的因素有汽提蒸汽的温度和压力，管道口径以及汽提蒸汽的入口流量，对汽提蒸汽的流量影响最大并且为可控变量的为入口流量，因此选择汽提蒸汽入口流量作为操作变量。

3.1.3控制方案设计

单回路控制系统结构比较简单，所需自动化工具少，投资比较低，操作维护也比较方便，管道控制系统无滞后，而且在一般情况下都能满足控制质量的要求，因此在生产过程中通常采用单回路控制系统[1]。

控制系统如图3-1所示。

图3-1常压塔底汽提蒸汽流量控制系统图

控制系统方块图如图3-2所示。

给定+偏差流量

-

测量

图3-2常压塔底汽提蒸汽流量控制系统方块图

3.1.4控制方案分析

当汽提蒸汽流量增大时，流量控制器感受到的偏差增大，流量控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，又由于控制阀为气开阀，所以阀门开度减小，从而减小汽提蒸汽流量，使控制系统达到稳定状态。

3.2常二线汽提塔塔底汽提蒸汽流量控制系统

3.2.1被控变量的选择

同3.1，选择汽提蒸汽的流量作为被控变量。

3.2.2操作变量的选择

同3.1，选择汽提蒸汽入口流量为操作变量。

3.2.3控制方案设计

常二线汽提塔塔底汽提蒸汽流量控制系统与3.1的常压塔底汽提蒸汽流量控制系统的工艺原理、工艺要求和工作环境相同，因此也采用单回路控制系统，控制系统如图3-3所示。

图3-3常二线汽提塔塔底汽提蒸汽流量控制系统图

控制系统方块图如图3-5所示。

给定+偏差流量

-

测量

图3-4常二线汽提塔塔底汽提蒸汽流量控制系统方块图

3.2.4控制方案分析

因为常二线汽提塔塔底汽提蒸汽流量控制系统与3.1的常压塔底汽提蒸汽流量控制系统的工艺原理、工艺要求和工作环境相同，并且选择的控制系统也相同，所以方案可行性分析具体参考3.1的分析说明，这里不再重复。

3.3汽提塔底流量控制系统

3.3.1被控变量的选择

工艺要求气提后的常二线油由抽出泵自T303塔底抽出后去E205与混合氢换热、降温，所以常二线油与混合氢的都应该是一定量的，因此选择常二线油的流量作为被控变量。

3.3.2操作变量的选择

对汽提后的常二线油的流量有影响的因素有抽出泵的压力、常二线油的温度和常二线油自身流量，抽出泵的压力是一定的，常二线油的温度变化很小并且不可控，所以选择对常二线油的流量影响最大且可控的常二线油自身流量为操作变量。

3.3.3控制方案设计

根据工艺要求，只需要把气提后的常二线油以一定流量送入E205与混合氢换热、降温即可，所以遵循控制系统结构简单、使用设备投资较低的原则，选用单回路控制系统。

控制系统如图3-5所示。

E205

图3-5汽提塔底流量控制系统图

控制系统方块图如图3-6所示。

给定+偏差流量

-

测量

图3-6汽提塔底流量控制系统方块图

3.3.4控制方案分析

当常二线油流量增大时，流量控制器感受到的偏差增大，由于流量控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，又由于控制阀为气关阀，所以阀门开度减小，从而减小进料流量，使控制系统达到稳定状态。

3.4空冷器温度控制系统

3.4.1被控变量的选择

工艺要求经过空冷器冷凝冷却后进入常压塔顶回流罐的气体的温度为48℃，所以选择空冷器的温度为被控变量。

3.4.2操作变量的选择

能够影响空冷器温度的因素有环境温度、空冷器内的空气量、还有进入空冷器的气体流量，其中对空冷器温度影响最大并且为可控变量的是空气流量，因此选择空气流量作为操作变量。

3.4.3控制方案设计

工艺要求经空冷器冷凝冷却后流入常压塔顶回流罐进行气液分离的气体温度为48℃，在测量过程中，温度参数存在测量滞后问题，单回路控制系统控制不及时，一般都选串级控制系统控制温度，但是在空冷器温度控制系统中，物料经过空冷器降温进入回流罐进行气液分离，对温度精度要求不高，可以存在微小误差，选择单回路控制系统就能满足工艺要求[2]，控制系统如图3-7所示。

图3-7空冷器温度控制系统图

控制系统方块图如图3-8所示。

给定+偏差温度

-

测量

图3-8空冷器温度控制系统方块图

3.4.4控制方案分析

当空冷器温度升高时，温度控制器感受到的偏差增大，由于温度控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，又由于控制阀为气关阀，所以阀门开度增大，从而增加进入空冷器的空气流量，使控制系统达到稳定状态。

3.5常二线汽提塔液位控制系统

3.5.1被控变量的选择

常二线汽提塔中，来自常压塔中部常二线采出口的液体与进入常二线汽提塔下部的汽提蒸汽逆流接触脱出常二线抽出油的轻组分，汽提塔中的汽体和液体所占比例必须为一定值才能保证生产安全和产品质量，所以汽提塔内的液位至关重要，因此选择常二线汽提塔液位为被控变量。

3.5.2操作变量的选择

在常二线汽提塔中，对液位有影响的因素有塔内压力，进料流量和塔底抽出的液体流量，在保证生产安全的情况下塔内压力应该是固定的，通常情况下塔底抽出的液体也是一固定量，所以对塔内液位影响最大且可控的是进料流量，因此选择进料流量为操作变量。

3.5.3控制方案设计

根据工艺要求和设备工作环境来看，只需控制好进料流量就能控制常二线汽提塔中的液位，基于操作简单方便且投资较少的原则选用单回路控制系统。

控制系统如图3-9所示。

图3-9常二线汽提塔液位控制系统图

控制系统方块图如图3-10所示。

给定+偏差液位

-

测量

图3-10常二线汽提塔液位控制系统方块图

3.5.4控制方案分析

当进料流量增大时，液位控制器感受到的偏差增大，由于液位控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，又由于控制阀为气关阀，所以阀门开度减小，从而减小进料流量，使控制系统达到稳定状态。

3.6回流罐排污系统液位控制

3.6.1被控变量的选择

回流罐内应保证一定的液位，才能满足工艺要求并且确保生产安全，所以选择回流罐液位为被控变量。

3.6.2操作变量的选择

回流罐出口流量、回流罐内压力、回流罐液位、抽出泵的压力等都对回流罐液位存在影响，其中回流罐内液体出口流量对其影响最大且为可控变量。

因此选择回流罐内液体出口流量为操作变量。

3.6.3控制方案设计

通过对对操作变量的分析可知，控制好回流罐的液体出口流量就能够控制回流罐的液位，单回路控制系统能够满足此要求，并且无滞后现象。

因此选择单回路控制系统完成对回流罐液位的控制。

控制系统如图3-11所示。

图3-11回流罐排污系统液位控制系统图

控制系统方块图如图3-12所示。

给定+偏差液位

-

测量

图3-12回流罐排污系统液位控制系统方块图

3.6.4控制方案分析

当回流罐内液体出口流量增大时，液位控制器感受到的偏差为负偏差，由于液位控制器的作用方式为正作用，故其输出信号减小，又由于控制阀为气开阀，所以阀门开度减小，从而减小回流罐内液体出口流量，使控制系统达到稳定状态。

3.7回流罐液位控制系统

3.7.1被控变量的选择

回流罐内应保证一定的液位，才能满足工艺要求并且确保生产安全，所以选择回流罐液位为被控变量。

3.7.2操作变量的选择

回流罐中排入污水系统的液体流量、回流罐内压力、回流罐液位、抽出泵的压力等都对回流罐液位存在影响，其中回流罐内液体出口流量对其影响最大且为可控变量。

因此选择回流罐内液体出口流量为操作变量。

3.7.3控制方案设计

此控制系统与3.6控制系统的被控变量都为回流罐的液位，并且3.6控制系统的操作变量为流向污水系统方向的回流罐出口流量，3.7控制系统的操作变量为流向冷却器方向的回流罐出口流量，因为出口物料要经过冷却器冷却再进入下一装置再加工，所以要求物料出口平稳，因此要用均匀控制系统，简单均匀控制系统结构简单、投运方便、成本低廉，在此采用单回路控制系统的结构模式。

控制系统如图3-13所示。

图3-13回流罐液位控制系统图

控制系统方块图如图3-14所示。

给定+偏差液位

-

测量

图3-14回流罐液位控制系统方块图

3.7.4控制方案分析

控制器和执行器的工作方式同3.6回流罐排污系统液位控制中的控制器和执行器工作方式，此处不再重复。

3.8常压塔顶温度控制系统

3.8.1被控变量的选择

常压塔顶蒸出的气体经过冷却后进入回流罐进行气液分离得到产品，要确保产品的质量，就要严格控制出口物料的精度，当出口气体温度为97℃时能保证产品质量，在这里，温度为间接控制参数，所以选择温度为被控变量[3]。

3.8.2操作变量的选择

能够影响常压塔顶出口气体温度的因素有常压塔进料温度、进料流量，常压塔内压力以及回流量等，回流量是对温度影响最大的可控变量，所以选择回流量为操作变量。

3.8.3控制方案设计

控制系统图和控制系统方块图如图3-15和3-16所示。

图3-15常压塔顶温度控制系统图

给定+

-

测量

图3-16常压塔顶温度控制系统方块图

串级控制系统比单回路控制系统多了一个副回路，形成双闭环。

此串级控制系统的主控制器为温度控制器，主变量为常压塔顶温度，副控制器为流量控制器，副变量为常压塔顶液体回流量，主控制器的输出为副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。

主控制器的给定值是由工艺规定的，是个定值，所以主环是个定值控制系统，而主控制器的输出是副控制器的给定值，后者随前者变化，所以副回路是个随动系统。

在串级控制系统引入一个副回路，能提早克服进入副回路的扰动，还能改善过程控制特性。

流量调节器具有“粗调”的作用，温度调节器是“细调”的作用，从而提高控制品质。

因此选择串级控制系统对其进行控制。

3.8.4控制方案分析

干扰来自副环，当管道中的物料流量增大时，流量控制器感受到的偏差增大，副控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，由于控制阀为气关阀，所以阀门开度减小，从而减小回流量，使控制系统达到稳定状态。

干扰来自主环，当塔顶出口温度升高时，温度控制器感受到的偏差增大，主控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，由于控制阀为气关阀，所以阀门开度增大，从而增大回流量，使控制系统达到稳定状态。

主环和副环同时有干扰，副环流量增大，主环温度升高，当流量的增大量正好等于温度的升高量时，控制阀保持开度不变；当流量增大量小于温度的升高量时，温度控制器感受到的偏差增大，主控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，由于控制阀为气关阀，所以阀门开度增大，从而增大回流量，使控制系统达到稳定状态。

同时，副控制器设定值变大，控制阀开度增大。

当流量增大量大于温度的升高量，流量控制器感受到的偏差增大，副控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，由于控制阀为气关阀，所以阀门开度减小，从而减小回流量，使控制系统达到稳定状态。

同时，副控制器设定值减小，控制阀开度变小。

当流量增大，温度降低的情况下，将主、副回路一起考虑，这时流量控制器的将感受到较大的偏差输入信号，它将大幅度的减小控制阀开度。

3.9常压塔底液位控制系统

3.9.1被控变量的选择

在工艺要求中，确保生产安全并且维持常压塔工作稳定，常压塔内的液位必须是一定的，因此选择常压塔底液位为被控变量。

3.9.2操作变量的选择

对塔底液位有影响因素有塔内压力、塔内温度、塔底抽出泵的压力、塔上部的回流量以及塔底出口流量，其中对塔底液位影响最大并且可控的变量为塔底出口流量，因此选择常压塔底出口流量为操作变量。

3.9.3控制方案设计

控制系统和控制系统方块图如图3-17和图3-18所示。

图3-17常压塔底油液位控制系统图

给定+

-

测量

图3-18常压塔底油液位控制系统方块图

此控制系统中，流量控制器的设定值随液位控制器的输出值改变，副回路为随动控制系统，能够克服进入副回路的干扰，还能改善过程控制特性。

常压塔底油要进入400#工段进行减压蒸馏，为了保证生产顺利进行，就得保证400#工段的进料平稳，控制系统必须为均匀控制系统，选择串级控制系统的模式。

3.9.4控制方案分析

干扰来自副环，当常压塔底出口流量增大，流量控制器感受到的偏差增大，副控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，由于控制阀为气开阀，所以阀门开度减小，从而减小常压塔底出口流量，使控制系统达到稳定状态。

干扰来自主环，当常压塔中的液位升高，液位控制器感受到的偏差增大，主控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，由于控制阀为气开阀，所以阀门开度增大，从而增大常压塔底出口流量，使控制系统达到稳定状态。

主环和副环同时有干扰，副环流量增大，主环液位升高，当流量的增大量等于液位的升高量时，控制阀开度保持不变；当流量增大量小于液位升高量时，液位控制器感受到的偏差增大，主控制器的作用方式为正作用，故其输出信号增大，由于控制阀为气开阀，所以阀门开度增大，从而增大常压塔底出口流量，使控制系统达到稳定状态。

同时，副控制器设定值变大，控制阀开度增大；当流量增大量大于液位升高量，流量控制器感受到的偏差增大，副控制器的作用方式为反作用，故其输出信号减小，由于控制阀为气开阀，所以阀门开度减小，从而减小常压塔底出口流量，使控制系统达到稳定状态。

同时，副控制器设定值减小，控制阀开度减小。

当流量增大，液位减小的情况下，将主、副回路一起考虑，这时流量控制器的将感受到较大的偏差输入信号，它将大幅度的减小控制阀开度。

第4章过程装备的选择

4.1检测及变送单元

过程控制系统由检测变送器、调节器、执行器和被控过程组成。

检测变送器将被控参数如温度、压力、流量、液位等检测出来，并变换成相应的统一标准信号，供系统显示、记录或进行下一步的调整控制作用。

在任何系统的自动控制中变送器都是首要环节和重要组成部分，只有获得精确和可靠的被控参数，才能进行准确的数据处理，进而获得高质量的控制效果。

检测变送器单元实际上包括两部分内容，首先是将被控参数检测出来，然后变送器将其变换成统一标准信号。

4.1.1流量检测与变送

在生产过程自动化中，流量是重要参数之一，为了有效的进行生产操作、监视和自动控制，需对生产过程中各介质的流量进行检测和变送，对生产操作和控制提供依据。

流量测量仪表也称为流量计，通常由一次仪表和二次仪表组成，一次仪表为传感器，二次仪表为显示装置或变送器[4]。

容积式流量计，又称定排量流量计，在流量仪表中是精度最高的一类。

它利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已知的体积部分，根据测量室逐次重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流体体积总量。

容积式流量测量是采用固定的小容积来反复计量通过流量计的流体体积。

所以，在容积式流量计内部必须具有构成一个标准体积的空间，这个空间由仪表壳的内壁和流量计转动部件一起构成。

容积式流量计的工作原理为：

流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。

流量计的转动部件（简称转子）在这个压力差作用下特产生旋转，并将流体由入口排向出口。

在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地被送往出口．在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数。

就可以得到通过流量计的流体体积的累积值。

容积式流量计按其测量元件分类，可分为椭圆齿轮流量计、刮板流量计、双转子流量计、旋转活塞流量计、往复活塞流量计、圆盘流量计、液封转筒式流量计、湿式气量计及膜式气量计等。

1优点：

（1）计量精度高；

（2）安装管道条件对计量精度没有影响；

（3）可用于高粘度液体的测量；

（4）范围度宽；

（5）直读式仪表无需外部能源可直接获得累计，总量，清晰明了，操作简便。

2缺点：

（1）结果复杂，体积庞大；

（2）被测介质种类、口径、介质工作状态局限性较大；

（3）不适用于高、低温场合；

（4）大部分仪表只适用于洁净单相流体；

（5）产生噪声及振动。

3应用概况

容积式流量计与差压式流量计、浮子流量计并列为三类使用量最大的流量计，常应用于昂贵介