成套装置运行控制实验报告Word文件下载.docx

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1.1反应釜成套装置综合实验

1.1.1工艺原理

间歇反应在助剂、制药、染料等行业的生产过程中很常见。

釜式反应器也称为槽式反应器或锅炉反应器，在化工生产中具有较大的灵活性，能进行多品种的生产，它既实用于间歇操作过程，又和单釜或多釜串联用于连续操作过程。

釜式反应器具有适用温度和压力范围宽，操作弹性大，连续操作时温度、浓度易控制，产品质量均一等特点。

1.1.2工艺过程

双釜流程本装置为釜中和釜，反应反应器反应，反应原料储V102/V103中，由原料泵入高位槽V107/V111，由重力作用进入反应釜，反应釜带有搅拌加热、冷却、加压功能，其夹套内为导热油，和冷却管，加热有两种方式，一种为导热油加热，一种为加热器加热，导热油来源于导热油加热罐，经泵打到反应釜的夹套内，如若出现事故可以排泄放到导热油事故罐V105。

反应釜冷却可以通过冷却水的循环的进行冷却。

反应釜的加压由氨气加压泵加压，釜体上安有压力自动控制装置和安全阀，搅拌是由电机带动搅拌桨运动的，反应中的轻烃组分可以通过填料塔T101进行分离，部分回流釜内，再经换热器E103和E104进行分离，部最后进入冷凝器回收罐V108，釜内反应釜经氮气加压泵加压，打入产品罐V101/V106。

反应釜广泛应用于带压反应，就压力来分有低压反应釜、中压反应釜和高压反应釜。

实训装置分为反应釜实训对象，现场电力控制柜，上位机监控计算机，监控数据采集软件等几部分。

反应釜实训对象原料罐、3路进料系统、高位混合罐、中和反应釜、精馏反应釜、一级冷凝器、二级冷凝器、产品冷凝器、冷却水系统、产品罐、现场显示变送仪表等组成。

1.1.3实验操作步骤

开机准备 

正常开机 

a、开启电源；

b、开启计算机及控制柜电源，启动监控软件；

1）皂化

a、加入原料1操作；

b、往反应釜R101里加入清水；

c、开启导热油炉加热；

d、从反应釜R101“手孔”中加入火碱4-5公斤。

以火烧至火碱全部化开后，在从“手孔”中加入油泥50公斤继续加热并不停搅拌；

e、1#釜搅拌电机的开启。

2）盐析

3）成品生产 

4）切块打印装箱

5）正常关机 

a、停止1#釜和2#釜加热；

b、停止1#釜和2#釜搅拌电机电源；

c、停止1#冷凝水泵；

d、停止2#冷凝水泵；

e、仪表电源关闭；

f、控制柜总电源关闭。

1.1.4所用设备

表1-1双反应釜重要设备

V101

中和釜成品罐

V102

1#原料罐

V103

反应釜成品罐

V104

2#原料罐

V105

3#原料罐

V106

导热油储罐/事故泵

V107

原料罐

（1）高位槽

V108

原料罐

（2）高位槽

V109

水箱

D101

反应釜

D102

中和釜

E101

反应釜出料口冷凝器

E102

中和釜出料口冷凝器

E103

中和釜竖式一级冷凝器

E104

中和釜竖式二级冷凝器

E105

反应釜内胆冷却盘管

T101

中和釜填料塔节

P101

1#原料液泵

P102

2#原料液泵

P103

3#原料液泵

P104

1#冷凝水泵

P105

2#冷凝水泵

P106

导热油泵

P107

中和釜搅拌电机

P108

反应釜搅拌电机

2.1工艺流程图

见附图。

第2章成套装置运行控制综合实验

2.1单回路闭环控制实验

2.1.1实验目的

（1）通过实验熟悉两点式闭环控制系统的工作原理。

（2）观察系统在阶跃输入作用下，各种变量的变化情况。

（3）定性地研究两点式闭环控制在变量控制系统中的作用。

2.1.2控制系统组成

一个自动控制系统主要由测量变送，控制器，执行器等，被控对象四部分组成。

2.1.3调节器的调节规律与特点

调节器的控制规律是指调节器的输出信号随输入信号变化的规律或是指控制器的输出信号P与输入偏差信号e之间的关系。

常用的基本调节规律有：

位式，比例，积分，微分等，以及它们的组合控制规律如PI，PD，PID。

（1）位式调节

位式调节的输出只有几个特定的数值，或它的执行机构只有几个特定的位置。

最常见的是双位控制。

，它们输出只有两个数值（最大或最小），其执行机构只有两个特定的位置（开或关）。

位式调节结构简单，成本较低，易于实现，应用较普遍。

但它的控制作用不是连续变化的，由它所构成的位式控制系统其被控变量的变化将是一个等幅振荡过程，不能使被控变量稳定在某一数值上。

（2）比例调节

比例调节是指调节器的输出信号变化量与输入信号变化量e（t）成比例关系，比例调节的特点是反应快，控制及时，其缺点是当系统的负荷改变时，控制结果有余差存在，即比例控制不能消除余差，因此只在对被控变量要求不高的场合，才单独使用比例控制。

（3）积分调节

积分调节的调节器输出信号的变化量与输入偏差的积分成正比，积分调节控制不及时，但能消除余差。

由于输出变化量总要滞后于偏差的变化，因此不能及时有效地克服扰动的影响，加剧了被控变量的波动，使系统难以稳定下来，故不单独使用积分控制规律。

（4）微分调节

微分调节指调节器输出信号的变化量与输入偏差的变化速度成正比，微分控制规律的特点是有一定的超前控制作用，能抑制系统振荡，增加稳定性；

由于其输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差的存在无关，因此，不能克服确定不变的偏差。

故也不单独使用。

2.1.4调节器参数整定

当一个控制系统设计安装完成后，系统各个环节及其被控对象各通道的特征不能改变了，而唯一能改变的就是调节器的参数，即调节器的比例度、积分时间TI、微分时间TD。

通过改变这三个参数的大小，就可以改变整个系统的性能，获得较好的过渡过程和控制质量。

调节器参数整定的目的就是按照己定的控制系统求取控制系质量最好的调节器参数，工程上常用的整定方法有：

（1）经验试凑法

根据被控变量的性质在己知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的值做为调节器的参数值，然后直接在运行的系统中，人为地加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过渡曲线的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过渡过程曲线为止。

（2）临界比例度法

首先求取比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期TK，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数

（3）衰减曲线法

以在纯比例下获得4：

1衰减振荡曲线为参数整定和依据，方法同临界比例度法，获得4：

1衰减曲线的TS，然后求解相应的值。

2.1.5闭环负反馈控制系统

闭环控制是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制，即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，而被控变量又通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，构成了一个闭合回路。

开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制而没有反向联系的自动控制系统。

即操纵变量通过被控对象去影响被控变量，但被控变量并不通过自动控制装置去影响操纵变量，从信号传递关系上看，未构成闭合回路。

定值控制系统要求给定值恒定不变，控制系统的输出即被控变量应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在工艺指标的上下一定范围内变化，因此需要闭环控制。

另外负反馈其反馈信号的作用方向与设定信号相反，是系统稳定工作的基本条件，因此定值控制系统必须是一个闭环负反馈系统。

2.2实验操作

2.2.1液位控制

如图2-1所示图为单回路上水箱液位控制系统，泵P101中的液体容量是操纵值。

控制的任务是通过控制泵的转速使大水箱的液位达到给定值所要求的高度。

由上水箱顶部的液位传感器测量实际液位,与液位设定值进行比较后得到偏差信号，根据偏差信号的大小使用PID控制算法计算输出的控制信号调节泵的转速以实现对液位的控制。

系统控制质量的好坏与各控制参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以获得满意的控制效果。

反之，控制器的控制参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，甚至不能正常工作。

因此，参数的整定是十分重要的工作。

仪表流程图、方框图和曲线如下：

图2-1液位控制工艺流程图

扰动

给定

计算机/

PLC

液位

上水箱

泵

─

+

液位变送器

图2-2液位控制方框图

图2-3液位控制过度过程曲线

2.2.2流量控制

图2-4为紧凑型过程控制系统结构图，流量自调节（比例P-控制系统）控制系统没有延时，易于控制。

泵经过管道系统从蓄水缸输送液体。

利用光电叶片传感器B102

（2）可检测实际流速。

控制系统采用连续闭环控制，有2种控制模式：

（1）利用泵P101进行流量控制，通过改变泵的转速调节液体流量

控制值是泵的电压，可设定泵的转速。

（2）利用比例阀V106进行流量控制，通过改变比例阀的开度调节液体流量

控制值是阀线圈的电压，可设定阀活塞的动作。

此时泵P101以恒定转速运转。

流量传感器测量实际流量,与流量设定值进行比较后得到偏差信号，根据偏差信号的大小使用PID控制算法计算输出的控制信号来调节泵的转速或比例阀的开度以实现对流量的控制。

图2-4流量控制工艺流程图

PLC

流量

管内流量量

流量变送器

图2-5流量控制系统泵控制方框图

流量

管内流量

比例阀V

图2-6流量控制系统比例阀控制方框图

图2-7流量控制系统过度过程曲线

2.2.3压力控制

图为紧凑型过程控制系统结构图，通过管道系统，泵P101从水箱抽水输入充有气体的压力容器B103

（1）。

压阻式压力传感器可检测压力容器中的气体压力。

如果发生干扰，实际值应保持在固定压力。

采用连续控制对压力容器B103中的液体和气体的压力进行控制。

打开手动阀V107，液体可流入压力容器。

建议在闭环控制时最好通过阀V107将压力容器中的液位设定成半级。

（1）利用泵P101进行压力控制，通过改变泵的转速调节压力容器中的压力。

（2）利用比例阀V106进行压力控制，通过改变比例阀的开度调节压力容器中的压力。

泵P101以恒定转速运转。

压力传感器测量实际压力,与压力设定值进行比较后得到偏差信号，根据偏差信号的大小使用PID控制算法计算输出的控制信号来调节泵的转速或比例阀的开度以实现对压力的控制。

图2-8压力控制系统工艺流程图

压力

B103

压力变送器

图2-9压力控制系统泵控制方框图

图2-10压力控制系统泵控制过度过程曲线

比例阀

图2-11压力控制系统比例阀控制方框图

图2-12压力控制系统比例阀控制过度过程曲线

2.2.4温度控制

图2-13为紧凑型过程控制系统管路连接图，通过控制电加热棒接通触点的通断来控制水箱中水的温度，控制的任务是使下水箱的温度达到给定值所要求的温度。

温度控制系统是自调节控制系统（PT1-控制系统）。

因为能量转换发生缓慢，可控系统会有延时。

下水箱B101中的水利用加热单元加热，通过泵进行再循环。

由下水箱的温度传感器测量实际温度,与温度设定值进行比较后得到偏差信号，根据偏差信号的大小通过两点控制器进行电压转化，输出的控制信号调节泵的启停实现对温度的控制。

可利用冷却液或上部水缸的水增加干扰。

图2-13温度控制工艺流程图

下水箱

温度

温度变送器

图2-14温度控制方框图

图2-15温度控制过度过程曲线

2.3筛板式酒精精馏塔过程控制综合实验

2.3.1实验目的

（1）了解精镏塔控制再沸器功率的工艺要求

（2）熟悉再沸器功率控制系统的硬件组成。

（3）了解精镏塔控制灵敏板温度的工艺要求。

（4）熟悉灵敏板温度控制系统的硬件组成。

（5）了解被控制对象的特性，它对控制规律的特殊要求。

（6）熟悉进料温度控制系统的硬件组成。

（7）了解精镏塔灵敏板温度的特点和用途。

（8）熟悉精镏塔塔节温度测试系统的硬件组成。

（9）理解P、I参数对本控制系统性能指标的影响。

2.3.2实验原理

精馏分离是根据溶液中各组分挥发度（或沸点）的差异，使各组分得以分离。

其中较易挥发的称为易挥发组分（或轻组分），较难挥发的称为难挥发组分（或重组分）。

它通过汽、液两相的直接接触，使易挥发组分由液相向汽相传递，难挥发组分由汽相向液相传递，是汽、液两相之间的传递过程。

2.3.3实验操作步骤

1、开车准备

1）检查公用工程水电是否处于正常供应状态（水压、水位是否正常、电压、指示灯是否正常）。

2）熟悉设备工艺流程图，各个设备组成部件所在位置（如加热釜、原料罐、）。

3）熟悉各取样点、温度测量、压力测量与控制点的位置。

4）确认设备所有阀门初始状态为关闭状态。

5）在精馏现场电力控制柜上，合上总电源空气开关，在现场电力控制柜上检查总电源电压表电压是否正确如出现缺相，欠压等问题应及时按序检查电压表接线是否接触不良，打开仪表电源开关。

6）启动计算机点击桌面”UWinTech2.0”快捷方式启动DCS监控软件。

并将所有现场控制参数设置为初始状态零。

7）配料：

a.如果是第一次配料，打开原料罐上阀门VA003、VA004，按体积浓度15%在容器中配好料，从原料罐V101的加料漏斗倒入原料罐中，达2/3位置，按体积浓度30%在容器中配好料，从原料罐V102的加料漏斗倒入原料罐中，达2/3位置。

b.如果不是第一次做实验，打开阀门VA001、VA009、VA010、VA011、VA014、VA016、VA017、VA020；

放空阀VA212、VA113、VA231，打开控制柜电源，启动循环泵P101，把再沸器、塔底产品罐、塔顶产品罐中剩余的料打到原料罐1中混合再使用。

c.打开低浓电磁阀：

在上位机DCS监控系统中的精馏控制界面上单击“低浓电磁阀关”按钮，将低浓电磁阀设置到打开的位置。

8）输送原料到再沸器E105：

打开阀门VA201、VA203，在控制柜上开启“进料泵电源”开关，再在上位机上将进料流量SV值设置为30l/h，让进料泵往再沸器里进料。

当再沸器液位达到20cm（设置范围为15~30之间）时，在上位机上将进料流量SV值设置为0，同时关闭阀VA212、VA213、VA216，此时再沸器内进料结束，通过AI01取样检测并记录此时的原料浓度。

9）打开进料阀VA215、回流罐V106放空阀VA226，关闭冷凝器E104的排空阀VA225及VA501；

10）打开筛板回流罐下的阀VA224、VA218、VA219、VA220、VA221、VA228，关闭取样阀AI229、VA223，为全回流实验和部分回流实验做准备。

11）打开冷却水泵进口出口阀门VA401、VA402、VA403、VA404、VA405、VA406、VA407、VA408、VA409。

2、开车

1）在确定了实验之前应该先检查各个阀门的状态是否正确，是否能达到需要的实验结果的目的。

2）在精馏现场电力控制柜上，按下“再沸器加热管电源”启动按钮。

在上位机上控制方式设置为手动，输出OP值设置为100%。

3）在精馏现场电力控制柜上，按下“冷凝水泵电源”启动按钮，开启冷凝水。

3、全回流

1）随着加热的进行，再沸器温度的上升，当再沸器内温度达到混合物的沸点后，蒸汽从塔底往上升，经塔顶冷凝器E102冷凝后到回流罐，待回流液罐V106积累到5cm之后，在精馏现场电力控制柜上打开“回流泵电源”启动按钮，进行全回流实验操作，在上位机上设置回流流量为4l/h（一般为7l/h），并注意观察回流罐液位，如果液位上升，则增大回流流量到6l/h，若液位降低，则把回流流量减小到3l/h，总之注意保持回流罐液位基本不变，若回流罐液位保持基本不变，则此时的流量为最大回流量。

2）全回流稳定10分钟时间后，可以在取样口AI02取样并记录。

4、部分回流

1）全回流稳定后，并达到产品浓度要求后，就可以准备进入部分回流，

2）进料操作

a.检查并打开原料罐1放空阀、出料阀VA004、VA201、VA203。

b.检查打开进料泵出口阀VA212、VA215。

c.在精馏现场电力控制柜打开“精馏进料泵电源”启动开关，在上位机上把进料流量SV值设定为4l/h，等5分钟后，在控制柜上开启“精馏预热电源”启动按钮，在上位机上把进料温度控制改为“手动”，将输出OP设置为100%，等进料温度达到60度时，把进料流量调整为10l/h的进料流量原料进料流量，开始进料，进料流量控制及进料温度控制结构图如下：

3）成品泵操作

a.根据合适的回流比调整进料流量为4l/h，

b.检查打开采出泵进口、出口阀门VA220、VA221、VA228，打开成品罐放空阀门VA231。

c.在精馏现场电力控制柜上打开“精馏成品泵电源”启动开关，成品泵工作，在上位机上设置成品流量为2l/h，成品泵控制结构图如下：

4）打开再沸器出料阀门VA114，塔底残液罐放空阀门VA113，关闭塔底产品罐出口阀门VA105、VA011，。

5）按照物料平衡慢慢调整进料流量10l/h、回流流量4l/h、成品流量2l/h、残液流量6l/h。

6）取样操作

部分回流稳定一段时间后，在取样点AI01、AI02取出残液、成品样品，检测浓度。

5、停车

1）在精馏现场电力控制柜上依次关闭预热加热电源、再沸器加热电源、回流泵电源、成品泵电源；

2）待塔顶温度降到60度以下时，在精馏现场电力控制柜上关闭冷却水泵电源。

3）在精馏现场电力控制柜上关闭总电源空气开关。

4）关闭原料罐、回流罐、成品罐、残液罐所有阀门。

5）清理打扫卫生。

2.3.4控制方案的选择

由于精馏塔是以复杂控制系统，根据不同的控制要求，控制方案多种多样。

图2-16精馏塔提馏段单回路温度控制方案

方案一：

图2-16是精馏塔提馏段示意图，在再沸器中，用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降物料进行传热传质。

为了保证生产过程顺利进行，需要把提馏段温度θ保持恒定。

为此在蒸汽管路上装上一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。

从调节阀的做到温度θ发生变化，需要相继通过很多热容积。

实践证明，加热蒸汽压力的波动对θ的影响很大。

此外，还有来自液相加料方面的各种干扰，包括它的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质过程，以及再沸器中传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度θ。

很明显当加热蒸汽压力波动较大时，如果采用如图3-1所示的简单单回路温度控制系统，调节品质一般不能满足生产要求。

而且精馏塔温度过高或过低会引起精馏塔控制质量变差，由于存在这些扰动故考虑串级温度控制系统。

方案二：

如图2-17所示在蒸汽输入端引入串级控制系统，在塔釜出料端引入选择性控制系统。

其P&

ID图如下图所示

串级控制系统就是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；

主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：

作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：

作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

为了提高精馏效率和保证产品纯度，我们采用灵敏板温度调节器与再沸器加热蒸汽流量调节器串级控制系统来对灵敏板温度进行控制。

其中灵敏板温度调节器是主调节器，再沸器加热蒸汽流量调节器是副调节器，对映的主被控变量为提馏段温度，副被控变量为蒸汽流量。

图2-17精馏塔提馏段复杂控制系统

图2-18串级控制方块图

在串级控制回路中，根据安全运行准则，当系统出现故障时，蒸汽阀门应

处于关闭状态，所以选择阀门1为气开阀，所以

。

根据工艺条件确定副被控对象的特性。

阀打开，蒸汽量增加，可确定

根据负反馈准则，选反作用控制器，即：

蒸汽量增加，提馏段温度升高，

根据负反馈准则，选反作用控制器，即

副控制器是反作用，主控制器从串级切换到主控时，主控制器的作用方式不变。

通过实际改造和使用，串级控制系统增加副控制回路，是控制系统性能得到改善，表现在下列方面。

1、抗干扰性强。

由于主回路的存在，进入副回路的干扰影响大为减小。

同时，由于串级控制系统增加了一个副回路，具有主、副两个调节器，大大提高了调节器的放大倍数，从而也就提高了对干扰的克服能力，尤其对于进入副回路的干扰。

表现更为突出。

2、及时性好。

串级控制对克服容量滞后大的对象特别有效。

3、适应能力强。

串级控制系统就其主回路来看，它是一个定值控制系统，但其副回路对主调节器来说，却是一个随动控制系统，主调节器能够根据对象操作条件和负荷的变化情况不断纠正副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。

4、能够更精确控制操纵变量的流量。

当副被控变量是流量时，未引入流量副回路，控制阀的回差、阀前压力的波动都会影响到操纵变量的流量，使它不能与主控制器输出信号