石油加工蒸餾裝置的儀表控制系統

石油加工中的儀表控制系統概要

石油加工是生產過程自動化zui先進的產業部門之一。石油已經登上了現代能源的寶座，石油化工制品也成為生活中不可缺少的東西。石油的主要成分是碳氫化合物。作為能源來說，它可以完全燃燒，產生很大的能量。另外，作為石油化工的原料，它很容易分解或合成。在煉制生產過程中，石油的連續處理比較簡單，便于大批量生產。

從儀表控制的角度來觀察石油加工，石油煉制工藝是連續生產過程，易于采用過程自動控制;因為是液體，測量和操作都很簡單;從物體看，沒有腐蝕作用，測量儀器也較簡單。所以，各廠家生產的儀表大部可以直接用于石油加工工業中。

在石油利用的初期，人們采用蒸餾這種極其簡單的處理方法，即把一定量的原油逐漸加熱，使其蒸發，然后再使它冷凝。由于原油中各成分的沸點不同，進行分餾，便可得到不同的產品。在當時，儀表僅用于測量，沒有用于測量階段以后的控制過程。石油被大量利用之后，這些處理方法也從測量階段發展到控制階段，控制理論也取得了一定的發展，這就為測量控制儀表的發展提供了理論依據，現代儀表控制技術已經成為改革各種生產裝置的基礎。隨著這種技術的發展，就不僅僅對溫度、壓力等物理量的單一控制，而是對其施行高度復雜的控制。要進行這種控制，不僅要用一般的工業儀表，而且還要使用具有計算機處理功能的儀表。

石油加工工業有廣闊的領域，從石油的蒸餾、精煉、到揮發油分解后的合成等過程，雖然生產工藝過程各異，但從儀表控制系統來說，有著許多共同之處.

蒸餾塔的儀表控制系統

原油的成分以產地而異。如果進行元素分析就會發現，石油主要是碳氫化合物。其中，碳氫兩種元素約占石油總重量的95%~99%，也含少量的硫、氮、氧等元素。它又是多種碳氧化合物的混合物，其中有含一個碳的，也有多達數十個碳的碳氫化合物。這種原油，通過蒸餾的手段可以按各種成分具有不同的沸點而分開，形成半成品。蒸餾的di一道工序是在常壓蒸餾塔中進行的，原油通過各塔盤蒸餾分離出殘存的少量瓦斯，以及汽油、煤油、柴油和重油等。這些被分離出來的半成品中，某種物質經過改質、分解、脫硫等工序，再次被混合后作為成品或直接作為石油化工的原料。

1.蒸餾的原理

現以A、B兩種液體混合物的蒸餾為例，介紹蒸餾的原理。

下圖是對應于A、B兩種成分的平衡曲線，A的沸點是140℃，B的沸點是173℃。兩液體的混合比變化時，混合液的沸點也將隨之變化，圖中還表示了各沸點處的氣態成分比?，F設A占20%，B占80%，把A、B混合液加熱到164.5°℃時，液體沸騰。這時，與液體共存的氣態成分比是A占39.5%，B占60.5%。這種蒸發的氣體冷凝后，將形成具有新的成分比的混合液體，其中A占39.5%，B占60.5%。如果再使此混合物沸騰，那么，沸點將變成157℃，這時氣態成分比又變成A占62%，B占38%，這樣反復進行上述操作，不斷蒸發和冷凝，就可以使A、B分離開來。

圖1：兩成分平衡曲線舉例

2.蒸餾塔的控制要求與控制特性

常壓蒸餾塔是一種精餾塔，它是石油化工生產過程中的主要裝置。蒸餾過程是應用極為廣泛的傳質、傳熱過程。其目的是將石油（或其他原料)--由若干組不同成分所組成的混合物，通過蒸餾將混合物中各組分分離和精制，使之達到規定的純度。蒸餾塔流程的示意圖如下圖所示。

圖2：蒸餾塔流程示意圖

蒸餾塔是一個多參數輸入和多參數輸出的對象。它的通道很多，它有很多級塔盤組成，內在機理復雜，對控制作用響應緩慢;參數間互相關聯，而控制要求又較高。這些都給自動控制帶來一定困難。因此，在制訂控制方案時，必須深入了解工藝特性，結合具體情況進行設計。

(1）蒸餾塔自動調節的要求

蒸餾塔自動調節系統應當滿足以下三個方面要求。

質量指標:蒸餾操作的目的是為了將混合物分離為產品，因此產品的質量必須符合預定的要求。一般來說，塔頂或塔底產品應保證一定純度，另一部分產品質量也應在一定范圍之內。

②物料平衡：餾出液和釜液的平均采出量之和，應等于平均進料量，而且這兩個采出量的變動應該比較緩慢，以利于上下工序的平穩操作。塔內及塔底容器的蓄液量應介于規定的上下限之間。

③3約束條件:為了使塔正常操作，必須滿足一些約束條件。例如，塔內汽液二相的流速不能過高，否則將引起泛液，流速又不能過低，否則使塔盤效率大幅度下降。此外，塔內壓力的穩定與否，對塔的平穩操作有很大的影響。

(2)干擾因素分析

蒸餾塔作為一個整體還應包括再沸器，冷凝器和儲存槽等。在生產上可能遇到的主要干擾有:

進料流量/的變動;

進料成分的變動;

③進料溫度或熱狀態的變動;

④冷劑或熱劑進口溫度、壓力變動及環境溫度變動。

上述各種干擾中有些是可控的，有些是不可控的。一般情況下，塔的進料流量受前一工序的影響，是不可控的;有些情況下進料流量也可以控制，如煉油初餾塔的原油流量可控制為定值，流量定值定量可選擇紹興中儀電子有限公司生產的ZYW204系列定量無紙記錄儀。

進料成分x的變化是無法控制的。它由上一道工序所決定，但多數是變化緩慢的。

進料溫度和狀態對塔的操作影響很大。為了維持塔內的熱量平衡和穩定運行，在單相進料時采用進料溫度控制，以便克服這種干擾:在二相進料時應采用控制熱燴來保證。對于冷劑和熱劑的參數，一般都用設置定值調節系統的辦法加以穩定。

綜上所述，大多數情況下，進料流量F和進料成分x的變化是精餾操作的主要干擾。

為了克服干擾的影響，就需要進行控制，常用的方法是改變餾出液D、釜液采出量B、回流量l及塔內上升蒸汽流量V(見圖9-2)。通過上述四個調節參數的組合得到各種控制方案，但是要使控制方案比較完善、合理，在設計時必須有塔與生產過程互相聯系的整體概念。首先要使蒸餾塔平穩操作，應該處理好物料平衡，這是由于進料流量中組分變動對塔操作工況的改變，影響了塔內物料之間的平衡關系。為了獲得合格的產品，還要有反映產品質量指標的反饋調節方案。

(3）精餾塔的靜態特性

在考慮整體控制方案時，首先必須滿足進入及離開塔的物料平衡關系。塔的主要干擾是進料流量和成分的變化。物料平衡應遵循以下算式關系。

在穩態下，進塔的物料必須等于出塔的物料，所以總的物料平衡關系為

F=D+B

輕組分的物料平衡關系為

F,,=D,+B.

式中，F、D、B分別為進料流量、塔頂餾出物和塔底產品量。K、布、x分別為進料、塔頂餾出物和塔底產品中輕組分的含量。

解聯立方程式可得

為了獲得合格的產品質量，即x及x皆達到規定濃度，根據式就必須是:

若x不變，則D應與成比例增減。

若/不變，則x增大，餾出液D亦增大。

由此可知，DIF是決定、的關鍵因素，也是有效的控制手段。減少D(亦即增加B)將使x上升,冶也上升;減少B(亦即增加D)將使x下降，后也下降。

然而，單是物料平衡關系只能確定與x的關系，還不能完全決定后、。因為一個方程式不能確定兩個未知數，還必須引入能量平衡關系來建立另一個方程式。根據精餾過程的能量關系，塔內上升蒸汽流量V與產品成分關系的芬斯克(Fenske)方程，引入分離度

影響S的因素很多，對于一個既定的塔，分離度S可簡化為V//的函數，即

s=f(Vs/F)

該式表明，W/「一定，則分離關系(1-后)/冶(1-x）就被確定，因而據式(9-3）和式(9-4)可知，只要保持D/F和V/F一定(或者/一定時，保持D及V一定)這個塔的分離結果x、K就完全確定了。

以上討論說明塔操作和控制的概念，塔的控制系統必須滿足精餾過程本身的規律，就是物料平衡、能量平衡，以保證分離結果的濃度合乎質量要求。

(4)被調參數的選擇

精餾塔被調參數的選擇，指的是實現質量調節，表征產品質量指標的選擇。

當然，反映質量指標zui直接的參數是成分或物性參數。近年來，成分物性檢測儀表已有發展，特別是工業色譜儀的應用，實現直接指標的質量調節已有了可能。但是，至今在精餾塔上應用的還不多的原因是，一方面質量儀表尚不夠可靠，二是分析過程滯后大，反應緩慢。迄今，在精餾塔操作上，溫度仍是zui常用的間接參數。對精餾塔的被調參數的選擇常用以下幾種。

塔頂溫度:選擇溫度代表產品質量是有條件的.對于二元混合物，在一定的壓力下，沸點與成分之間存在單值對應關系。若壓力恒定，塔盤溫度間接反映成分。對于多元混合物，溫度與質量之間無一一對應關系，僅可能近似反映成分的變化。測溫點zui好取在塔頂以下若干塊塔盤處成分和溫度變化較大的位置，從而提供一個組分變化比塔頂更大的測量信號。

②溫差控制:如果塔頂為主要產品區，宜將一個測量點放在塔頂稍下、溫度變化較小的位置;另一個測量點放在靈敏板附近，即成分和溫度變化較大位置。然后，取上述兩測點的溫度差△T為被調參數。這里，塔頂溫度實際上起參比作用。壓力變化對兩點溫度都有影響，但相減之后幾乎相互抵消了。

③蒸汽壓差控制:此法基于一定成分的混合液，其蒸汽壓和溫度之間存在者固定的函數關系，在恒定溫度下，蒸汽壓可以反映成分的原理。將待測混合液與標準成分試樣置于相向溫度中，混合液中待測成分等于標準成分時，蒸汽壓相等;倘若成分不相等，便有壓差出現，壓差值反映出混合液中成分的差別。使用中，是把標準產品試樣封在溫包中放在某一塔板上，溫包的蒸汽壓與測出該塔板上蒸汽壓相比較而得之。

3.蒸餾塔儀表控制系統

圖9-3是常壓蒸餾裝置的流程圖和檢測、控制儀表。在熱交換器中，原料與來自蒸餾塔的半成品交換熱量，然后利用管式加熱爐將原油的溫度加熱到一定數值。溫度調節器TIC/1用來控制燃料系統。蒸餾過程中產生的甲烷、乙烷氣體和重油還可以作為燃料來使用，可以把它們混合在一起燃燒，也可以把它們分開單獨來燃燒。重油燃燒時，應使燃燒爐中噴霧用水蒸氣壓力與重油壓力之間形成一定的壓差。為達到這一目的，專門設置了現場用的壓差調節器。用氣體燃燒時，也設置了隨氣體壓力的下降而自動切斷供氣的控制回路和檢測器等安全裝置。

圖3：常壓蒸餾裝置的流程和儀表

為了在一定條件下使生產過程運行起來，輸入常壓蒸餾塔的原油流量只要用FIC/1來控制。一般情況下，石油生產過程中的測定流量，大都采用孔板和差壓變送器。FIC/1就是其中一例。但是，對于像重油那樣的高黏度液體，不能采用孔板進行準確測量，因此，就要用容積式流量計，如橢圓齒輪流量計進行測量。注入蒸餾塔中的原油，按上述過程進行蒸餾分離，但是在分離時，必須控制蒸餾塔的狀態，使之物料、能量達到平衡狀態。

TIC/2、FIC/2的串級控制回路被稱為回流控制，是蒸餾塔控制系統中zui重要的部分之一。在蒸餾塔內，要加熱原油遇到從塔下部吹入的熱蒸汽而蒸發，蒸汽上升進入較上層的塔盤中與盤中液體接觸而凝結，在各層塔盤上都發生沸點高的蒸汽凝結和沸點低的液體蒸發現象，就形成了各層間的自然溫度分布。

在蒸餾塔底部，積存著zui難蒸發的重油。為了使重油中的輕質成分蒸發.就需要維持一定的液面，吹入蒸汽使之再蒸發，由LIC/4和FIC/6組成的串級控制系統就是為此而設置的。塔底液面高度的檢測，一般都使用差壓變送器為檢測傳感器。但是，對于重油來說，由于變送器的導壓管很容易受外界氣溫的影響而使其內部蒸汽凝結，為此需要施行蒸汽管并行跟蹤加熱，才能使用。在蒸餾塔中間部分適當的位置上，分別設有粗汽油、煤油和柴油的出口管線。用FIC/3~5對它們分別進行流量控制，并且裝有流量調節器。因為這些流量與蒸餾塔內的溫度分布(各種油的成分）有著重要的關系。由于這些中間餾分中還含有輕質油，所以與蒸餾塔并列還設置有汽提塔，將蒸汽吹入其中，使餾分中的輕質油蒸發排出LIC/1~3，即為此目的而設置的。

從塔頂排出的蒸汽被冷卻而積存于回流罐中，其中，氣體、汽油以及水的混合物等將在回流罐中被分離，汽油的一部分作為回流又循環流入蒸餾塔內，另一部分被導入后面的生產裝置。為保持回流罐中液位在一定范圍內，以LIC/5控制排出液流量。

蒸餾塔的塔頂蒸汽經冷凝變成汽油和水而積存在回流罐內，設置LIC/4水位調節器是為了維持水和汽油有一定的分界面，又可以從中把下部的水分分離出來。一般情況下都采用低差壓變送器和顯示器等作為分界液面的變送器。

蒸餾塔可以用一系列儀表來檢測和控制。石油煉制過程中，還有許多像本例所舉的那樣儀表控制系統。僅在要求高的場合，用一般儀表未必能控制好，還必須使用有特殊功能，如計算功能的儀表來控制。

4.蒸餾塔YS-80儀表控制系統

(1）蒸餾塔用于分餾石油混合物，在石油化工廠中起著重要的作用。蒸餾塔的控制目標是保證塔頂和塔底產品的成分在規定的范圍內，并使再沸器熱能消耗zui小。一般來說，蒸餾塔式比較難控制的，因為它特性復雜，塔內反應緩慢，時滯大，需要相當長的時間才能使產品成分穩定。

使用模擬儀表的簡單控制系統，蒸餾塔常處于消耗過量的回流量和加熱能量的操作狀態，結果是損失大量能量。這是由于控制系統要優先保證產品質量，克服外界干擾，如進料流量和成分的波動等。一般控制塔頂成分往往使塔底成分發生偏差。反之亦然。采用YS—80SLPC儀表控制系統，進行前饋控制，解耦控制，非線性控制和高精度的計算操作。在蒸餾塔控制操作中，它有可能節約大量能量和資源。這種控制系統快速地自動補償外界擾動的影響，保證蒸餾塔的穩定操作，能穩定產品的產量和提高質量，力求使塔操作在成分純度允許變化的zui小限度內，達到減少回流量和再沸器耗熱量的目的。并希望系統能同時控制塔頂和塔底產品成分。

(2）蒸餾塔YS—80儀表系統圖例:蒸餾塔儀表控制系統示于圖9-4中，系統主要檢測溫度差T，并將壓力差P的信號輸入到TdRC/l調節器中進行壓力補償，這樣的控制使塔內溫度變化較小。TdRC/1的輸出，作為串級系統中流量調節器FRC/2的給定值。FRC/2進行流量反饋控制。另外，為了控制產品成分，中間塔盤溫度調節器TRC/2的輸出控制再沸騰器的氣流量FRC/3調節器的給定值，FRC/3進行蒸汽流量反饋控制，這是一個典型串級控制系統。整個系統還進行前饋、解耦和非線性控制。

(1）前饋控制

一般情況下，蒸餾塔的zui大外界干擾是進料流量和進料成分的波動。因而采用前饋控制是抑制干擾的有效方法，根據檢測進料擾動來控制回流量和再沸器的加熱量有可能使系統不發生大的波動。這時，超前、滯后部件LL1和LL2進行動態補償，它控制輸出變量變化的結果能及時消除外界擾動的作用。前饋控制是開環控制，它是一種粗略的調節，而任何其他干擾造成的溫度(或成分）偏差可依靠閉環反饋控制進一步加以調整，這樣可以保證產品成分穩定，克服加載或減載的外界干擾。

()解耦控制

如果有必要同時控制塔頂與塔底的產品質量，采用解耦控制是很有效的。生產實踐中，由于對象特性經常改變，超前—滯后環節是作為解耦部件進行近似的時間補償。在圖9-4所示的情況下，只有單向的解耦部件LL3，它用于要求嚴格控制塔頂產品的成分的場合。這里塔底溫度指示調節器TRC/2只是進行簡單的PI控制，它調節塔頂產品的成分，使之保持在一定的允許變化范圍內。

(3）非線性控制

如果有必要將塔底流體送到下一級蒸餾塔去，希望保持流量恒定而沒有流速的波動，這是非常有效的控制方法，系統中LIC/1水位調節器是具有非線性死區的PI調節器，它使水位在預先規定的誤差范圍內保持流量穩定。這種水位調節能使下─級裝置獲得較均勻穩定的輸入流速。

YS-80儀表控制系統可以取得較好的控制效果:該系統反應迅速，自動補償外界的擾動，穩定產品質量;使回流流量和再沸器加熱量能耗減少，穩定蒸餾塔的生產操作，節能效果比較顯著;解耦控制使塔底與塔頂耦合影響減少，可進行產品成分控制。

本文摘自《自動化儀表與自動控制（第四版）》，版權歸原作者所有！