训练任务十一　精馏塔的控制方案

一、训练目的

对于简单控制系统来说，控制方案的确定包括被控变量的选择、操纵变量的选择、调节阀的选择和控制规律的确定等内容。本任务是熟悉精馏塔被控变量的选择、操纵变量的选择、精馏塔的基本控制方案等内容。

二、工作原理

精馏塔的主要控制目标是实现产品质量控制，所以其被控变量的选择应是表征产品质量指标的选择。精馏塔产品质量指标的选择有两类：直接产品质量指标和间接产品质量指标。在此重点讨论间接产品质量指标的选择。

三、精馏塔被控变量的选择

1.精馏塔最直接的质量指标是产品成分

近年来成分检测仪表的发展很快（特别是工业色谱分析仪的在线应用），出现了直接按产品成分来控制的方案，此时检测点就可放在塔顶或塔底。然而由于成分分析仪表价格昂贵，维护保养复杂，测量滞后较大，可靠性不够，所以其应用受到了一定限制。

2.精馏塔最常用的间接质量指标是温度

温度之所以可选作间接质量指标，是因为对于-个二元组分精馏塔来说，在一定压力下，沸点和产品成分之间有单值的函数关系。因此，如果压力恒定，塔板温度就反映了成分。对于多元精馏塔来说，情况就比较复杂。炼油和石油化工生产中，许多产品由一系列碳氢化合物的同系物组成，在一定压力下，保持一定的温度，成分的误差就可忽略不计。

由上述分析可见，在保证精馏塔塔内压力稳定的前提条件下，用温度作为反映质量指标的被控变量，是较为合理且易于实现的。选择塔内哪一点的温度作为被控变量，应根据实际情况加以选择。一般来说，如果希望保持塔顶产品符合质量要求，即主要产品在顶部馏出时，以塔顶温度作为控制指标，可以得到较好的效果。同样，为了保证塔底产品符合质量要求，以塔底温度作为控制指标较好。为了保证另一产品质量在一定的规格范围内，精馏塔的操作要有一定裕量。例如，如果主要产品在顶部馏出，操纵变量为回流量，再沸器的加热量要有一定富裕，以使在任何可能的扰动条件下塔底产品的规格都在一定限度以内。

图2-11所示为精馏塔的精馏段指标的控制方案之一。该控制方案主要采取了以下几个控制措施。

①为了保证塔顶馏出物的产品质量，选取塔顶温度这一间接质量指标作为被控变量，构成一个塔顶温度定值控制系统。

②为克服再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量的变化，在蒸汽压力稳定的前提下，可通过控制蒸汽流量将再沸器加热量维持一定。故选择蒸汽流量为被控变量，设置蒸汽流量控制系统来实现这一要求。

③为保证精馏塔的分离效果和塔内操作稳定，以塔底液位为被控变量，构成了塔底液位控制系统。

④为使塔顶保持一定的回流量，又以冷凝液回流罐液位为被控变量，构成回流罐液位控制系统。

四、操纵变量的选择

在过程控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响实现控制作用的变量成称为操纵变量，具体来说，就是调节阀的输出变量。操纵变量一般选系统中可以调整的物料量或能量参数。最常见的操纵变量是某种介质的流量。一个系统中，可作为操纵变量的参数往往不止一个。操纵变量的选择，对控制系统的控制质量有很大的影响。

生产中要对工艺进行分析，在影响被控变量的诸多输入中选择一个可控性良好的输入变量，而其他未被选中的所有输入量，则称为系统的干扰因素。原则上，应将对被控变量影响较显著的可控因素作为操纵变量。

操纵变量和干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量的变化，如图2-12所示。干扰变量由干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离设定值。操纵变量由控制通道加到对象上，使被控变量回复到设定值，起着校正作用，这是一对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与对象特性有密切的关系，因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特性，以提高控制系统的控制品质。

概括起来，选择操纵变量的原则有以下几点：

①所选的操纵变量必须是可控的，即工艺上允许调节的变量；

②所选的操纵变量应是调节通道放大倍数比较大的，最好大于扰动通道的放大倍数；

③所选的操纵变量应使扰动通道时间常数越大越好，而调节通道时间常数应适当小一些为好，但不宜过小；

④所选的操纵变量其通道纯滞后时间应越小越好；

⑤所选的操纵变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近调节阀；

⑥在选择操纵变量时还需考虑到工艺的合理性（一般来说，生产负荷直接关系到产品的产量，不宜经常变动，在不是十分必要的情况下，不宜选择生产负荷作为操纵变量）；

⑦在选择操纵变量时，还应考虑工艺的合理性，尽可能地降低物料和能量的消耗。

五、精馏塔的基本控制方案

精馏塔有多个被控变量和多个操纵变量，合理选择它们的配对，有利于减小系统的关联，并使精馏塔的操作平稳。

欣斯基（Shinsky）经研究提出了精馏塔控制中变量配对的三条准则：

①当仅需要控制塔的一端产品时，应选用物料平衡方式控制该端产品的质量；

②塔两端产品流量较小者，应作为操纵变量去控制塔的产品质量；

③当塔两端产品均需按质量控制时，一般对含纯产品较少、杂质较多的一端采用物料平衡方式控制其质量，对含纯产品较多、杂质较少的一端采用能量平衡方式控制其质量。

当选用塔顶产品馏出物流量D或塔底采出液量B作为操纵变量控制产品质量时，称为物料平衡控制方式；当选用塔顶回流量L_R或再沸器加热蒸汽量V_S作为操纵变量时，称为能量平衡控制。

1.产品质量的开环控制

精馏塔产品的质量开环控制是不采用质量指标作为被控变量的控制。这里，质量开环控制指没有根据质量指标的控制。因此，精馏塔的质量开环控制主要是根据物料平衡关系，从外围控制精馏塔的D/F（或B/F）和V_S/F，使其产品满足工艺要求。

①固定回流量L_R和蒸汽量V_S　当进料量及其状态恒定时，采用回流量L_R、蒸汽量V_S定值控制，就能使D和B固定，产品的成分就可确定。控制方案如图2-13所示，变量的配对见表2-1。

为消除进料量的扰动，可对进料量进行定值控制。当进料量来自上一工序，变化很大时，可将进料量作为前馈信号，与回流量和蒸汽量组成前馈-反馈控制系统。

②固定塔顶馏出液量D和蒸汽量V_S当回流比（L_R/D）很大时，控制馏出液量D比控制回流量L_R更有利。例如，L_R=50，D=1，则控制回流量L_R变化1％，D将变化50％，因此，采用控制D可使操作更平稳。控制系统的变量配对见表2-2，控制方案如图2-14所示。

③固定塔底采出液量B和回流量L_R　控制塔底采出液量B与控制再沸器蒸汽量V_S的控制方案与方案①相似。方案①直接控制蒸汽量V_S，从而使V_S/F恒定，本控制方案则控制塔底采出液量B，根据物料平衡式，同样恒定V_S，塔釜液位则改用蒸汽量控制。变量配对见表2-3，控制方案如图2-15所示。

2.按精馏段指标的控制

按精馏段质量指标进行控制是将精馏段温度或成分作为被控变量的控制。如果操纵变量是产品出料，则称为直接物料平衡控制；如果操纵变量不是出料，则称为间接物料平衡控制。

①直接物料平衡控制　该控制方案的被控变量是精馏段温度，可以是塔顶温度、中温或灵敏板温度，通常采用灵敏板温度。操纵变量是塔顶馏出液量D，同时控制塔釜蒸汽加热量恒定。变量配对见表2-4，控制方案如图2-16所示。

该控制方案的优点是物料和能量平衡之间的关联最小，内回流在环境温度变化时基本不变，产品不合格时不出料。该控制方案的缺点是控制回路的滞后大，改变D后，需经回流罐液位变化并影响回流量，再影响温度，因此动态响应较差。适用于塔顶馏出液量D很小（回流比很大）、回流罐容积较小的精馏操作。

当馏出液量D有较大波动时，还可将精馏段温度作为被控变量，馏出液量D作为副被控变量组成串级控制系统。

②间接物料平衡控制　该控制方案的被控变量是精馏段温度（同①直接物料平衡控制），操纵变量是回流量L_R。由于回流量变化后再影响馏出液量D，因此是间接物料平衡控制。精馏段的变量配对见表2-5，控制方案如图2-17所示。

该控制方案的优点是控制作用及时，温度稍有变化就可通过回流量进行控制，动态响应快，对克服扰动影响有利。该控制方案的缺点是内回流受外界环境温度影响大，能量和物料平衡直接的关联大。主要使用于回流比L_R/D小于0.8及需要动态响应快速的精馏操作，是精馏塔最常用的控制方案。

当内回流受环境温度影响较大时，可采用内回流控制；当回流量变动较大时，可采用串级控制；当进料量变动较大时，可采用前馈-反馈控制等。

3.按提馏段指标的控制

按提馏段质量指标进行控制是将提馏段温度或成分作为被控变量的控制，可分为直接物料平衡控制和间接物料平衡控制。

①直接物料平衡控制　根据提馏段温度控制塔底采出液量B的控制方案是直接物料平衡控制，同时保持回流比或回流量恒定。变量配对见表2-6，控制方案如图2-18所示。

该控制方案具有能量和物料平衡关系的关联小、塔底采出液量B较小时操作较平稳、产品不合格时不出料等特点。但与精馏段直接物料平衡控制方案相似，动态响应较差，滞后较大，液位控制回路存在反向特性。适用于B很小且B/V<0.2的精馏操作。

②间接物料平衡控制　采用再沸器加热量V_S作为操纵变量，控制提馏段温度的控制是间接物料平衡控制，采用回流量或回流比定值控制。变量配对见表2-7，控制方案如图2-19。

与精馏段间接物料平衡控制类似，采用再沸器加热蒸汽量V_S作为操纵变量，控制提馏段温度的控制是间接物料平衡控制。精馏段则采用回流量定值控制或回流比定值控制。该控制方案具有响应快、滞后小的特点，能迅速克服进入精馏塔的扰动影响，也是精馏塔最常用的控制方案。缺点是物料平衡和能量平衡关系有较大关联。适用于V/F<2.0的精馏操作。

4.精馏塔的塔压控制

精馏塔压的恒定是以温度作为间接质量指标为前提。影响塔压的因素有进料流量、进料成分、进料温度、塔釜加热蒸汽量、回流量、回流液温度、冷却剂压力等。

①液相采出，流出物含大量不凝物。控制方案如图2-20所示。

当冷凝器阻力较小，用回流罐气相压力能反映塔压变化时，可取自回流罐气相压力，以提高动态响应。

②液相采出，流出物含小量不凝物。采用分程控制，控制方案如图2-21所示。

塔压先通过改变冷却剂量调节，当冷剂全开后，塔压仍不能下降时，说明塔内已积存较多不凝性气体，这时打开气相排气阀，将不凝性气体排放，降低塔压。

③液相采出，流出物含微量不凝物（图2-22）。

方案（a）用塔压控制冷却水量，最节省冷却水量。

方案（b）用冷凝液面控制冷却量，动态响应差。

方案（c）用热旁路，改变进入冷凝器的气体推动力，即改变冷凝器两端的压差，动态响应较灵敏。

④气相采出。以气相采出量作为操纵变量组成单回路控制系统，如图2-23所示。

当气相采出是下一工序进料时，可采用塔压为主被控变量、气相出料流量为副被控变量的串级均匀控制系统。

5.减压精馏塔的压力控制

当减压塔的压力控制采用蒸汽喷射泵抽真空时，可采用如图2-24所示的控制方案。由于蒸汽喷射压力与真空度有一一对应关系，因此可采用蒸汽喷射压力恒定的控制系统，同时采用吸入支管的调节阀进行微调。当减压塔的压力采用电动真空泵时，常采用调节不凝气体的抽出量来保证塔顶的真空度，调节阀安装在真空泵回流管上。

6.常压精馏塔的压力控制

对塔顶压力的恒定要求不高时，可采用常压精馏。它不需要压力控制系统，仅需在精馏设备（冷凝罐或回流罐）上设置一个通大气的管道，用于平衡压力。如果空气进入塔内会影响产品质量或引起事故时，或对塔顶压力的稳定要求较高时，应采用类似加压塔的压力控制，防止空气吸入塔内并稳定塔压。

有时亦采用常压塔的塔压力控制，塔釜的压力恒定等效于控制塔压力降恒定。被控变量是塔釜气相压力，操纵变量是加热蒸汽量。分离要求不太严格的常压塔常采用该方案。