10千吨甲醇合成精制工艺自控模拟系统设计Word下载.docx

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然后，根据控制回路的控制指标搭建不同的PID控制器，实现各个回路的精确控制，能够进行现场仿真和DCS仿真。

最后，教师站可以控制工艺模型的时标、工况、事故状态，从而实现甲醇合成精制工艺的全流程仿真培训系统。

论文根据甲醇合成精制的实际生产装置和工艺操作展开的控制系统研究，最终设计的仿真培训系统将能为员工培训、工况模拟发挥一定作用。

关键字：

甲醇合成精制；

仿真培训；

LabVIEW；

DCS；

AutomaticControlSimulationSystemDesignof

10,000t/yearofMethanolSynthesisandPurificationProcess

Abstract：

Withthereductionoftheworld'

soilresourcesandmethanolproductioncosts,methanolasalternativeenergydevelopmentisthetrend.China'

scurrentsituationislackofoilandgasresourcesbutrelativelyabundantcoal,sothedevelopmentofcoalmethanol,replaceoilwithcoalisthecountry'

senergysecurityneeds,butalsothedevelopmentneedsofthechemicalindustry.

Thepaperisbasedonthe10,000t/yearofmethanolsynthesisandpurificationprocessofautomaticsimulationsystem,mainlyusesLabVIEWdevelopmentplatformanddevelopmenttoolkitstoachievefullmethanolsynthesisandpurificationprocesssimulation,ultimatelyitwillprovideacompletesetofsimulationtrainingsystemforprocessoperation.Themainresearchofthetopicareasfollows:

First,weestablishthemodeldatabaserequiredformethanolsynthesisandpurificationprocessrequirements,andusetheadvancedlanguagewritedynamiclinklibraryofprocessmodel,developmentplatforminordertodirectlycallprocessmodels,andreadfromthemodeldatabasemodelparameters.Then,typePIDcontrollerbasedonthecontrolindexofthecontrolloopstructurestoachieveprecisecontrolofeachloop,itispossibletocarryoutfieldsimulationandDCSsimulation.Finally,theteachercancontroltheprocessmodelstationtimescale,workingconditions,accidentcondition,inordertoachievethemethanolsynthesisandpurificationprocessthewholeprocesssimulationtrainingsystem.

Thepaperisbasedonthemethanolsynthesisandpurificationoftheactualproductionequipmentandprocessoperationtoresearchconductedbythecontrolsystem,thefinaldesignofsimulationtrainingsystemplayaroleinstafftrainingandcasesimulation.

Keywords:

MethanolSynthesisandPurification；

Simulationtraining；

1.绪论

1.1课题研究的背景及意义

煤化工是以煤为原料，经过化学反应，生成各种化学品和油品的产业。

煤通过高温干馏生产焦炭，通过气化生产合成气，进而生产合成氨和甲醇甲醚，煤烯烃和油等无机有机化工产品，其中甲醇是重要的化工原料。

当前，我国的煤化工正逐渐步入快速发展的新时期，产业化呼声空前高涨，并成为当今能源化工发展的热点。

甲醇，化学分子式是CH3OH，又名木醇，是无色、透明、易燃、有毒的液体，略带酒精味。

相对密度0.7915，沸点64.8℃，熔点-97.8℃，自燃点47℃，闪点12.22℃，爆炸极限上限36.5%，下限6%，能与水、乙醚、乙醇、丙酮、苯和大多数有机溶剂相混溶。

化工生产中主要用于制造二甲醛、甲氨、氯甲烷、醋酸、硫酸二甲脂等多种有机产品，是重要有机化工原料和优质燃料，也是农药、医药的重要原料[1-2]。

甲醇不但是重要的化工产品与原料，而且被定位于未来清洁能源。

随着世界石油资源的减少和甲醇生产成本的降低，发展使用甲醇为新的替代燃料，已成为能源发展的必然趋势。

如果从我国能源需求和能源环境的角度考虑，生产甲醇为新的替代燃料，降低对石油的依赖性，也是大势所趋。

甲醇的合成主要以天然气、石油和煤作为原料，中国是资源和能源相对匮乏的国家，缺油，少气，煤炭资源相对丰富，大力发展煤化工，合理开发利用煤炭资源已成社会共识。

发展煤制甲醇，以煤代替石油，是国家能源安全的需要，也是化学工业高速发展的需求[3-4]。

针对甲醇合成精制的工艺要求和操作流程，运用现有的计算机软件和硬件技术，开发出一套能模拟出真实工艺操作流程的仿真培训系统意义重大，可以为从事化工操作的各类人员的提供多种技能培训，包括冷态开车，停车，正常运行的操作技能，紧急事故的操作技能。

仿真系统的运行，无需实际投料，不存在任何的安全隐患，不仅可以大大提高培训效率，而且可以节省大量培训经费，缩短培训时间，绝对是高效的培训方式[5]。

1.2国内外研究现状

随着计算机仿真理论与技术的发展，目前各个科学与工程领域都开展仿真技术的研究。

系统仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在或设计中的系统。

系统仿真技术已经被公认为新的实验手段，在科学与工程领域发挥着越来越重要的作用。

早期的控制系统设计用纸笔就可以很容易地设计出来。

但随着控制理论的迅速发展，只用纸笔以及计算器等简单的运算工具难以达到预期的效果，加之计算机领域迅速发展，于是很自然地出现了控制系统的计算机辅助设计方法。

而且控制系统的计算机辅助设计技术目前已发展到相当高的水平，一直受到控制界的普遍重视。

控制系统仿真的研究与计算机仿真理论与技术的发展是密不可分的，国际上控制系统计算机辅助设计软件的发展大致分为三个阶段：

软件包阶段、交互式语言阶段和当前的面向对象的程序环境阶段。

其中影响较大具有代表性的软件有：

瑞典Lund工学院KarlAstron教授主持开发的一套交互式CACSD软件INTRAC；

日本的古田胜久（KatsuhisaFuruta）教授主持开发的DPACS-F软件；

英国Manchester理工大学的控制系统计算机辅助设计软件包；

英国剑桥大学推出的线性系统分析与设计软件CLADP；

NASALangley研究中心的Armstrong开发的LQ控制器设计的ORACLS；

美国Mitchell与GauthierAssociate公司推出的仿真语言ACSL；

美国IBM公司开发的仿真语言CSMP；

美国学者CleveMoler等人推出的交互式MATLAB语言；

TheMathWorks公司推出的图形化的基于框图的Simulink仿真环境等[6-7]。

我国比较有影响的控制系统仿真与计算机辅助设计成果有：

中科院系统科学研究所韩京清研究员等主持的国家自然科学基金重大项目开发的CADCSC软件；

清华大学孙增圻、袁曾任教授的编写的著作和程序；

北京化工学院吴重光、沈成林教授的著作和程序，以及中科院沈阳自动化研究所马纪虎研究员主持开发的CSMP-C仿真语言等。

以上所述的软件中MATLAB语言几乎反映当今系统仿真领域的最高水平，同时也是最实用的软件之一。

但是这并不意味着我们在控制系统仿真方面仅仅满足于使用MATLAB语言而不考虑新的可行方案。

例如NI公司的LabVIEW既可以实现控制系统仿真又可以弥补MATLAB人机界面设计不方便、无法进行端口操作、不能实现实时监控等缺点，在很大程度上可以替代MATLAB成为控制系统仿真的有力工具。

同时，运用LabVIEW平台进行控制系统仿真具有如下优势：

（1）LabVIEW具有特别出色的数据可视化能力；

（2）LabVIEW具有强大的数字及信号处理能力；

（3）LabVIEW具有丰富的函数模块使得仿真效率非常高；

（4）LabVIEW具有强大的I/O功能使仿真程序可以很方便的应用到实际生产过程中。

1.3主要研究内容

论文主要研究内容是10kt/a甲醇合成精制工艺自控模拟系统的设计，首先要根据甲醇合成精制实际的生产装置和操作流程，选择合理有效的控制方案，实现甲醇合成精制的全流程仿真，最终要设计出一套完整的甲醇合成精制的仿真培训系统，能够为从事化工操作的各类技术人员提供工况和事故状态下的基本技能培训。

基于以上研究内容，论文的章节安排如下：

第1章：

绪论，主要介绍课题研究的背景意义、控制系统仿真技术的国内外研究现状、论文主要研究内容。

第2章：

主要介绍仿真系统的总体设计方案，包括甲醇合成精制的工艺流程介绍、仿真系统总体方案设计、仿真系统开发平台和开发流程。

第3章：

主要介绍工艺模型的设计，包括化工流程建模的技术要求、基本建模方法以及仿真模型数据库接口开发流程。

第4章：

主要介绍教师站的功能设计和控制回路设计，功能设计包括时标设定、工况设定、事故设定、变量监视、趋势画面、用户评分以及控制系统的设计。

第5章：

主要介绍学员站的功能设计，包括用户登录，现场站操作、DCS站操作、趋势画面、报警画面、PID参数整定等。

第6章：

主要介绍教师站运行调试、学员站运行调试以及总体的运行调试。

第7章：

主要介绍课题研究结论以及对未来的展望。

2.仿真系统总体方案设计

2.1工艺流程介绍

界外的合成气与压缩机C101出口的循环气混合后，在换热器E101内与反应器R101底部出来的高温气体换热后，进入反应器R101顶部。

反应气体经换热器E101与合成气换热后，进入反应器E102顶部。

反应气体经换热器与合成气换热后，在冷却器内用水冷却后进入气液分离器V101，分离得到的气体经过压缩机压缩后循环利用，液体进入甲醇精制工段。

反应热由循环水带走，即循环水泵P101经反应器的壳程，与反应物料换热后进入汽包，产生的蒸汽进入蒸汽管网。

而气液分离器内的粗甲醇液体由泵进入脱氢塔T201，在塔顶脱除低沸点组分，进行去火炬燃烧。

塔底物料进入中间罐V202，由泵P203进入甲醇精制塔T202，塔底得到合格的甲醇产品，塔底为废水。

而塔底再沸器产生的冷凝水，混合后进入凝水罐V204，由凝水泵P205送入预热器E201加热物料。

甲醇合成精制的具体工艺流程如图2.1所示。

图2.1甲醇合成精制工艺流程图

甲醇合成装置包括蒸汽透平K101、中间换热器E101、精制水预热器E102、甲醇合成塔R101、循环气压缩机C101、甲醇分离器V102、最终冷却器E103、蒸汽冷凝水罐V105等。

甲醇合成反应是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度大于210℃才能反应，而低压甲醇合成催化剂铜基触媒大于280℃时容易过热失活，因此必须将甲醇合成反应放热及时移走，反应系统将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用。

蒸汽通过驱动透平来带动压缩机运转，提供循环气连续运转的动力，还可以给循环系统中补充混合气和H2，使合成反应能够连续进行下去。

反应放出的大量热通过蒸汽包移走，合成塔入口气在中间换热器E101中被合成塔出口气预热至46℃后进入合成塔R101，合成塔出口气由255℃依次经中间换热器E101、精制水预热器E102、最终冷却器E103换热至40℃，与补加的H2混合后进入甲醇分离器V102，分离出的粗甲醇送往精馏系统进行精制，气相的小部分送往火炬，气相的大部分作为循环气被送往压缩机C101，被压缩的循环气与补加的混合气混合后经E101进入反应器R101。

反应气体经换热器与合成气换热后，在冷却器内用水冷却后进入气液分离器，分离得到的气体经过压缩机压缩后循环利用，液体进入甲醇精制工段。

反应热由循环水带走，即循环水泵经反应器的壳程，与反应物料换热后进入汽包，产生的蒸汽进入蒸汽管网[8]。

合成甲醇流程控制的重点是反应器的温度、系统压力以及合成原料气在反应器入口处各组分的含量。

反应器的温度主要是通过导热油及汽包来调节，如果反应器的温度较高并且升温速度较快，这时应将汽包蒸汽出口开大、导热油开口减少，如果反应器的温度较低并且升温速度较慢，这时应将汽包蒸汽出口关小、增大导热油开口，减少蒸汽采出量，慢慢升高汽包压力，使反应器温度升高或温降速度变小。

增加蒸汽采出量，同时降低汽包压力，使反应器温度降低或温升速度变小；

系统压力主要靠混和气入口量、H2入口量、放空量以及甲醇在分离罐中的冷凝量来控制；

在原料气进入反应塔前有个安全阀，当系统压力高于5.7MPa时，安全阀会自动打开，当系统压力降回5.7MPa以下时，安全阀自动关闭，从而保证系统压力不至过高。

合成原料气在反应器入口处各组分的含量是通过混和气入口量、H2入口量以及循环量来控制。

甲醇精制装置包括脱氢塔顶冷凝器E201、脱氢塔再沸器E202、甲醇塔顶冷凝器E203、甲醇塔再沸器E204、脱氢塔T201、甲醇精制塔T202、脱氢塔回流罐V202、甲醇回流罐V203等。

脱氢塔的主要目的是除去粗甲醇中溶解的气体（如CO2、CO、H2等）及低沸点组分（如二甲醚、甲酸甲酯等），精制塔的目的是除去水及高沸点杂质（如异丁基油），同时获得高纯度的优质甲醇。

另外，为减少废水排放，增设甲醇回流罐，进一步回收甲醇，减少废水中甲醇的含量。

从甲醇合成工段来的粗甲醇进入粗甲醇预热器E103后，为保证脱氢塔内的操作温度，粗甲醇液进入脱氢塔再沸器E202，被低压蒸汽加热至气相甲醇，温度为62℃~65℃。

送入脱氢塔中下部进口。

控制T201塔底温度85℃~88℃（塔底由热虹吸式再沸器循环加热），热源为0.45MPa蒸汽，塔底液位为50%，塔顶温度为73℃，塔顶压力为0.145MPa，塔顶气经过预塔冷凝器E201冷却，进入脱氢塔回流罐V202，其中不凝气CO2等和二甲醚等轻组分排出后进入膨胀器冷却器，部分甲醇回流到V202，其余高点放空。

脱氢塔回流罐中的冷凝液由回流泵P201抽出送至塔顶全回流，由回流量控制回流槽液位。

经T201分离后，塔顶气相为二甲醚、甲酸甲酯、二氧化碳、甲醇等蒸汽，经脱氢塔顶冷凝器E201冷凝后，不凝气通过火炬排放，冷凝液中补充脱盐水返回T201作为回流液，塔釜为甲醇水溶液，经P202增压后进入精制塔T202。

脱去轻组分后，温度约为83℃的粗甲醇自脱氢塔底经加压塔进料泵P202抽出，精制塔塔底温度控制在111℃，塔底由再沸器E204加热，热源为加压塔顶出来的甲醇蒸汽。

塔底液位控制在50%，压力为0.153MPa。

从精制塔的甲醇蒸汽进入精制塔冷却器E203，甲醇在此冷凝下来并被冷却到约50℃进入精制塔回流槽。

由精制塔回流泵P204加压，将其中部分甲醇回流至精制塔T202,另一部分作为产品采出进入成品库精甲醇计量槽。

精制塔回流槽液位控制在40%，液位高低由回流量及精甲醇产品采出量控制。

为保证塔顶甲醇质量，在精制塔下部塔板上分别设有杂醇油采出口，操作时结合生产情况，将杂醇采出送入杂醇油储罐，根据分析情况再回收利用。

精制塔T202塔釜出料液为含微量甲醇的水，经P203增压后送污水处理厂。

同时两个塔底再沸器产生的凝水，混合后进入凝水罐，由凝水泵送入预热器加热物料。

2.2系统设计方案

仿真培训系统大多数采用微机作为教师站和学员站，通过局域网的TCP/IP协议将教师站和学员站连接起来，实现实时数据通讯。

教师站通过运行总体监控软件，可以向学员发出指令，选择学员的培训内容或指导学员培训等。

学员站运行培训系统进行仿真操作培训，学员的培训信息如系统运行状态、学员操作质量等可以通过局域网反馈给教师站[9]。

仿真培训系统的基本结构组成如图2.2所示。

图2.2仿真培训系统结构框图

因为甲醇合成精制工艺相对简单，控制要求不高，该设计的教师站和学员站集成于一台电脑，也能实现同样的功能，比如教师站可以监控学员站控制回路状态，选择学员的培训内容，设定时标，设定工况，设定事故，还能对学员进行用户评分和管理。

同时教师站可以设置三种不同的运行模式：

练习模式、培训模式、考核模式。

练习模式时学员以游客身份登录，教师站不记录学员姓名；

培训模式时学员以用户名身份登录，教师机可同时培训一组学员，可以全流程培训，也可以分单元培训；

考核模式时学员必须以用户名身份登录，学员操作不同，培训成绩也不同，教师站可以进行评分和排序。

教师站和学员站之间通过工艺模型数据库实现数据实时交互，所有控制回路的测量值，给定值都会记录在工艺模型数据库，教师站和学员站都可以直接读取和更新数据库中的数据。

真正投入实际的员工培训时，一台教师机可以同时监控多台学员机模型数据库，一次培训一批学员，并且可以给每个学员设置不同的培训内容，如此就可以大大提高培训效率。

综上所述，甲醇合成精制仿真培训系统包括教师站、学员站以及帮助。

教师站仿真系统可以设定学员的培训内容和监控学员的控制曲线，培训设定包括时标设定，工况设定和事故设定，还可以对参加培训的学员进行用户评分和管理，可以以此量化学员操作技能。

学员站仿真系统可以进行仿DCS操作和现场操作，包括现场阀门操作，控制回路PID参数整定，工艺画面监控、趋势画面监控、报警画面监控。

帮助系统简单介绍10kt/a甲醇合成精制工艺和操作规程。

该设计仿真培训系统结构框图如图2.3所示。

图2.3仿真培训系统结构框图

2.3技术实施方案

由前文分析可知美国国家仪器公司（NI，NationalInstruments）推出的虚拟仪器软件LabVIEW具有出色的数据可视化能力，强大的数字及信号处理能力，丰富的函数模块使得仿真效率非常高和强大的I/O功能，使得仿真程序可以很方便的应用到实际生产过程中。

在人机界面设计，数据端口操作，实施监控方面优势突出，远远超过MATLAB语言，因此运用LabVIEW开发甲醇合成精制仿真培训系统是最佳的选择。

2.3.1系统开发平台

LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWokbench，实验室虚拟仪器工程平台）是直观的前面板与流程图式的编程方法的结合，是构建虚拟仪器的最理想工具。

LabVIEW是基于图形化编程G语言的开发环境，可以与仪器系统的数据采集、分析、显示部分协调工作，图形化开发方式使得编程更为简便直观，方便非专业人士使用。

同时LabVIEW易于学习，使用者可以在短时间内掌握图形化编程，不需使用文本编程语言，直接用流程图形式进行编程，很容易应用到自己的工程设计，如此大大降低工作难度，提高工作效率。

经过20多年的发展，LabVIEW功能得到不断丰富和完善，集成很多仪器硬件库，如GPIB/VXI/PXI/RS232/485协议、插入式数据采集、模拟/数字/计数器I/O、分布式数据采集、信号调理、运动控制、图像获取和机器视觉、PLC/数据日志等。

与传统的编程方式相比较，使用LabVIEW设计开发设计仿真系统，可以提高效率4～10倍。

同时利用其模块化和递归方式，用户可以在短时间内构建设计模型、开发虚拟仪器系统[10-14]。

2.3.2系统开发流程

根据甲醇合成精制的工艺流程，选择合理有效的控制方案，运用LabVIEW2009开发平台和开发工具包设计甲醇合成精制工艺自控模拟系统，实现整个仿真系统程序运行稳定，数据实时交互，流程操作简单，画面和谐友好。

首先运用数据库链接工具包建立开发平台LabVIEW与SQLServer2000数据库的连接，实现数据实时交互；

再用VisualStudio2010建立基于动态链接库DLL的甲醇合成精制的工艺模型，然后用C#语言开发VisualStudio2010编程环境下基于ADO.NET技术对SQLServer数据库的操作；

再根据控制要求选择单回路控制，串级回路控制，分程控制，比值控制实现整个控制系统的精确控制；

LabVIEW平台下使用控制仿真工具包搭建不同PID控制器，实现控制系统快速稳定地达到控制指标；

最终实现甲醇合成精制仿真培训系统正常运行。

该设计仿真培训系统技术实施方案如图2.4所示。

LabVIEW2009开发平台主要完成仿真系统的界面开发设计和控制系统控制算法设计；

SQLServer2000数据库提供工艺模型运行时所有数据的存储与交换平台；

VisualStudio2010开发平台主要实现动态链接库DLL编写和SQL数据库访问，LabVIEW2009平台下直接调用DLL实现工艺模型数据库运行。

写

读

调用

图2.4仿真系统技术实施方案

3.工艺模型的设计

3.1仿真建模技术要求

对于某个特定过程系统都是由各种特定的过程单元（如反应过程单元、换热过程单元、分离过程单元等）按照特定的方式连接起来形成的网络，常常表示为：