空分精馏塔仪表控制系统设计

《过程控制系统设计》之课堂讨论论文

空分精馏塔的仪表控制系统设计

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空分精馏塔仪表控制系统设计

目录

1

空分精馏塔的流程介绍与分析............................................................................. 3 1.1 1.2 1.3 1.4 2

流程分析................................................................................................... 3 工作原理................................................................................................... 4 流程特点................................................................................................... 5 流程缺点................................................................................................... 5

各管道线路中被控变量及其相应的操作变量、被测变量的确定..................... 6 2.1 2.2

相关准则................................................................................................... 6 确定变量................................................................................................... 8

3 4

选择控制策略和控制结构..................................................................................... 9 PID调节器参数整定............................................................................................ 10 4.1 4.2 4.3

产品出口压力的串级控制..................................................................... 10 主换热器出口处气体流量的反馈控制................................................. 14 下塔液空液位控制................................................................................. 15

5 仪表选型............................................................................................................... 18 5.1

温度类仪表的选择................................................................................. 18 5.1.1 温度传感器TE ................................................................................ 18 5.1.2 温度变送器TT ................................................................................ 20 5.1.3 温度显示仪表TI ............................................................................ 21 5.2

压力类仪表的选择................................................................................. 21 5.2.1 压力传感器PE ................................................................................ 21 5.2.2 压力变送器PT ................................................................................ 23 5.2.3 压力显示仪Pdi .............................................................................. 24 5.3

流量类仪表的选择................................................................................. 25 5.3.1 流量计FE ........................................................................................ 25 5.3.2 流量变送器FT ................................................................................ 26 5.4

其他类型仪表的选择............................................................................. 27 5.4.1 纯度检测仪AIAS ............................................................................ 27 5.4.2 PID调节器....................................................................................... 27

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6 阀门的选型........................................................................................................... 28 6.1 6.2 6.3

产品氧气出口处阀门选型：................................................................. 28 产品氮气出口处阀门选型：................................................................. 30 液氮出口阀门选型................................................................................. 32

7

总结及感想........................................................................................................... 33

摘要：为了充分了解控制系统的设计过程，小组以空分精馏塔为研究对象，选择其仪表控制系统的设计作为研究课题，从最初的确定各类变量，到后续的控制系统的确定，再到最后的具体仪表的选型，小组成员逐一进行了分析和讨论。最终绘制了精馏塔部分的仪表控制系统流程图，并给出了各仪表的具体型号、量程、精度等技术数据。

关键词：仪表控制系统 空分精馏塔 选型 变量

1 空分精馏塔的流程介绍与分析

1.1 流程分析

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图 1-1空分精馏塔流程图

上图为分子筛吸附增压空气膨胀空分设备流程简图，简明详细地将空气分离过程表达出来。这套设备与过去的空分设备最大的不同在于分子筛吸附器的使用，因此也被称为“第四代空分”，而分子筛净化空气的“前端净化”技术，代表着20世纪70年代国际空分设备流程发展的主导方向。该流程设备主要由空气过滤压缩、空气预冷、分子筛净化、膨胀制冷、换热、精馏等系统组成。

1.2 工作原理

利用氧氮沸点不同，低温分离。洁净工艺空气大部份进入冷箱内的主换热器，被返流出来的气体冷却，接近露点的空气进入下塔的底部，进行第一次分馏；在精馏塔中，上升气体与下流液体充分接触，传热传质后，上升气体中氮的浓度逐渐增加。纯氮进入下塔顶部的主冷凝蒸发器被冷凝，在气氮冷凝的同时，主冷凝

蒸发器中的液氧得到气化。一部份液氮作为下塔的回流液下流，另一部分液氮经 过冷后，除少量作为产品液氮抽出外，其余节流后送入上塔。

在下塔中产生的液空也经过冷器过冷，节流后进入上塔参与精馏，在上塔内，经过再次精馏，得到产品氮气、产品氧气和污氮及产品液氧。从主冷抽出的适量

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的液氧，送入液氧自增压器，被空气加热蒸发后，再进入主换热器复热后，送出冷箱。

1.3 流程特点

(1)利用分子筛吸附剂在常温下吸附空气中水分和二氧化碳及碳氢化合物的特性，将切换式换热器的传热传质和换热两种功能分家，在冷箱外用分子筛吸附器清除空气中水分和CO2，在冷箱内的换热器仅起换热作用，这样不仅使进冷箱的空气较纯净，而且延长了换热器的寿命。冷箱内不再需要设置自动阀箱、液空液氧吸附器循环液氧泵及相应的切换阀门管道等，使空分流程简化，冷箱内设备减少，操作维护方便。

(2)由于主换热器没有自清除要求，冷端温差不用严格限制，使纯氮气和氧气产量比大大提高，可达到2.3～2.5，可以满足需要大量纯氮气的用户要求。 (3)分子筛吸附器切换周期为108分钟，远远长于切换式换热器切换周期3.5分钟，因此空气切换损失就大大减少，由通常的占加工空气总量的2%下降到0.5%，有利于氧提取率的提高。同时切换次数的减少，精馏塔受切换而引起的波动干扰减少，有利于氩的提取。

(4)分子筛吸附器清除空气中有害杂质较彻底，空分设备的操作安全性好，连续运行周期可达二年以上。

(5)启动和操作过程中，不需考虑自清除的影响，因而操作简便，有利于实现变负荷操作和提高自动化控制水平。

(6)氧提取率提高到90～92%，氩提取率～52%。

1.4 流程缺点

为了保证分子筛吸附器能在较佳的温度8～10℃下工作，以充分发挥分子筛吸附剂的吸附效果，设置了制冷机组；同时为了分子筛吸附剂的加温解吸，设置了电加热器。为了保证再生时污氮气有足够的压力，空压机的排压应适当提高，这些导致了能耗比切换式换热器流程要高～4%，约为0.51～0.57kWh/m3O2。

采用常温分子筛虽然具有切换损失少、操作维护方便等优点，但由于能耗较高，所以它存在致命的缺点，很快就被新的带增压膨胀机的常温分子筛净化空分

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流程所代替。

2 各管道线路中被控变量及其相应的操作变量、被测变量的确定

2.1 相关准则

为了实现控制系统的设计目标，首先应确定空分流程各部分的被控对象及相应的操作变量、被测变量。在确定各类变量时，应注意遵照以下准则。 （1）从可用输出变量中选择被控变量

在一个生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的变量都要加以控制。一个化工厂的操作控制大体上可以分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。因而在进行自动控制系统设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量来设计自动控制系统。以下为几个选择的基本原则： 准则1

所有没有自平衡能力的变量都要控制 准则2

所选择的输出变量必须保持在仪器和操作条件限制之内(例如温度、压力和成分)。限制条件来源于安全、环境和操作等方面的要求。 准则3

选择那些可以直接反映产品质量(例如成分、折射率)或对于产品质量有较强影响(例如温度、压力)的变量作为输出变量。 准则4

选择那些与其他被控变量有较强耦合作用的变量。 准则5

选择那些具有理想的动态和静态特性的变量作为输出变量

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（2）从输入变量中选择操作变量

在生产过程中，工艺总是要求被控变量能稳定在设计值上，因为工艺变量的设计值是按一定的生产负荷、原料组分、质量要求、设备能力、安全极限以及合理的单位能耗等因素综合平衡而确定的，工艺变量稳定在设计值上一般都能得到最大的经济效益。然而由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰，因而在进行自动控制系统设计时必须深入研究工艺过程，认真分析干扰产生的原因，正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，以确保生产过程的平稳操作。选择操纵变量时，主要应考虑如下的原则： 准则6

选择对于被控变量有较大影响的输入。 准则7

选择能够快速影响被控变量的输入。 准则8

操作变量应该直接影响被控变量而不是间接影响。 准则9 避免干扰循环

（3）选择被测变量

安全有效地操作过程装置要求对关键过程变量进行在线测量。显然，被控变量需要测量。对其他输出变量进行测量可以给装置操作人员提供更多的信息，或者提供给基于模型的控制策略，例如推理控制。我们也希望能够测量操作变量，因为它们能够为控制器整定和控制回路故障诊断提供有用信息。测量干扰变量可以为前馈控制策略提供偏差信息。主要由以下几个准则： 准则10

可靠准确的测量是良好控制系统的基础。 准则11

选择具有足够敏感度的测点。 准则12

选择具有最小纯迟延和时间常数的测点。

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2.2 确定变量

由以上准则，从空气进入分离流程开始，各环节的变量确定如下： 空气进入压缩机后，压力和温度都有所升高，但是进入分子筛吸附器的气体温度不能过高，所以先用水冷却器使气体温度适度下降，再经由预冷机组，使气体温度进一步下降，达到进入分子筛吸附器的适当温度，同时，经过预冷机组的气体达到饱和状态，则由准则3和准则1，应选择水冷却器的出口温度和预冷机组的出口温度、压力作为被控变量，再由准则6和准则7，水冷却器中冷却水的流量和预冷机组的功率应分别作为上述两个被控变量的操作变量。

为了使分子筛吸附器正常工作，从精馏塔上塔抽出的气体流经电加热器进入分子筛吸附器的温度不能过低或过高，由准则3和准则4，则电加热器出口处气体温度应作为被控变量之一，由准则7和准则8，再取电加热器的功率作为其操作变量。

从分子筛吸附器出来的气体分为两部分，进入压缩机的那一部份气体被压缩，由准则4，压缩机的出口气体压力应作为被控变量之一。而压缩机与透平膨胀机由同一根轴连接，所以透平膨胀机的出口气体压力也要作为被控变量之一，从透平膨胀机中出来的气体温度下降幅度很大，由准则1和准则2，进入精馏塔的温度应作为被控变量之一，又由准则8，与上述几个被控变量相匹配的操作变量均为与透平膨胀机相连的电动机转速。

从压缩机出来的气体要进入换热器进行换热，则其温度需要保持在适当范围内，即由准则2，水冷却器的出口温度（主换热器的进口温度）及出口气体压力作为被控变量，由准则7和准则8，与之相匹配的操作变量则是水冷却器中冷却水的流量。

流入气体在换热器内进行换热，随后进入透平膨胀机膨胀对外做功，驱动压缩机，则由准则4，进入透平膨胀机的气体温度应作为被控变量之一，由准则6，与之相匹配的操作变量时换热器出口处的两条管道内气体流量。

从冷凝蒸发器中引出的液氧以及氮气、氧气、污氮等气体要进入容器中需要达到适当的压力和温度，则由准则2，上塔底部液氧出管口压力及温度都应作为被控变量，由准则6，各气体及液氧出口阀门开度应作为与之匹配的操作变量。 经过过冷器的液空进入上塔前要达到适当的工况，经过过冷器的液氮一部分要作

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为产品进入容器，一部分进入上塔受蒸发后作为氮气收集起来，也需要达到相应的工况，则由准则2，各管道进入精馏塔前的压力和温度、作为产品进入容器前的压力和温度都应作为被控变量。由准则6，各气体及液氧、液氮出口阀门开度应作为与之匹配的操作变量。

由准则10，上述各被控变量和操作变量中涉及压力、温度和流量的变量都需要测量。

3 选择控制策略和控制结构

确定了各环节的相关变量之后，需要在此基础上进一步选择适当的控制策略和控制结构。

前馈是按照干扰作用的大小来进行控制的，当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号产生调节作用，及时补偿扰动造成的被控对象的波动。而液氮液氧等产品温度极低，所以为了使得精馏塔的各产品保持一定的压力，不出现较大偏差，避免安全事故的发生，出口处均应采用前馈控制系统。测量出口处压力，并将测量结果送到压力变送器中，压力变送器将操作变量送至流量阀，控制气体或液体流量大小，以保持压力恒定。

透平膨胀机的出口气体需降至较低温度，以出口气体压力为副参数，由于温度总是伴随着压力的变化而改变，因而以压力为副参数，将压力变送器的信号送至与膨胀机相连的电动机的串级控制系统能够提前感受扰动的影响，提前产生控制作用，因而提高了控制精度。

考虑到透平膨胀机的工作原理，其进气口处气体的压力和温度都要由其流量来控制，故采用温度-压力串级控制系统。

同时将上述温度的测量结果送至主换热器出口处流量阀变送器中，构成反馈控制系统，可精确调整换热器出口的气体温度。

在确定了以上各部分具体的控制系统之后，初步绘制了以下的仪表控制系统流程图：

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图 3-1空分精馏塔仪表控制系统流程图

4 PID调节器参数整定

4.1 产品出口压力的串级控制

我们的控制目的是使出口压力保持恒定，现选用精馏段的出口压力, 与流量来构成串级随动控制.如图所示 图中PIT表示压力调节器，FIC表示流量调节器，PIT通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。当压力发生变化时，由主调节器（ PIT）进行控制，其输出作为副调节器（FIC）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，流量一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了流量的变化对出料压力的影响 如果流量是恒定的，只需测量实际压力，并使其与压力设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持压力的恒定回路中，以补偿过程的动态特性，使被控对象的滞后时间

超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大流量调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了

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系统的工作频率[5]。

在这个串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使塔压的控制达到了良好的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在副回路内，例如流量发生波动引起精馏段的压力变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起提馏段的压力变化，压力调节器及时改变其输出信号，由副控回路去改 变流量，克服了扰动影响[6]。

图 4-1压力串级控制流程图

图 4-2压力串级控制系统方框图

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图 4-3压力串级控制系统方框图

Kc2KvK02K'02es（s)式W02(s)'中K'02为等效被控过程的放大系数，

1Kc2KvK02T02S1'T02’T02等效被控过程的时间常数。

1Kc2KvK02Km2可见等效被控过程的时间常数小于被控过程的时间常数，随着Kc2的增大，时间常数减小的效果更明显，副回路的动态响应快的多。

(4-1)

一次扰动作用下，扰动回路传递函数为

(4-2)

系统输出对输入的传递函数为

(4-3)

主回路系统采用PID控制，副回路采用P控制能最大限度的满足被控对象的控制通道的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较小[18]。

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(4-5)

上式p为出口流量，而本课题研究的是对出口压力P的控制，所以上式需转变为压力的函数，由于存在G(s)KTs，则精馏塔主对象传递函数可简化为：

K01esG(s)

TS1(4-6)

副对象是采用典型的惯性环节，传递函数是调节阀Wv(s)Kv，取Kv=1

副调节器采用比例调节（P）规律，传递函数为Wc2sKc2，调节阀和副测量变送器分别为Wv(s)K，Wm2(s)假设KP1510MPa/(T/hr)

,

,

Km2。.

1Tm2sK02 1TsKd11（）0.5MPa/(T/hr)

,,。而介质出口处压力的变化范围为

()200Pa/(T/hr)，选取

Kp10.5MPa/(T/hr),

,,

, 。

Kd10.5MPa/(T/hr）当氮气出口压力在增加时，由工艺分析得出，为但其出口压力减小，要求控制阀的开度也要减小，则主控制器应选“反”作用。

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4.2 主换热器出口处气体流量的反馈控制

图 4-4流量反馈控制的流程图

图 4-5流量反馈控制方框图

选用比例控制器G(s)=K

闭环系统传递函数为：1+G(s)G(p)=0 假设： KP=5-100C/(T/hr);T=5-10min

1则受控对象传递函数为:

（Ts1)4所以10000s44000s3600s240s1KP0 劳斯阵列为

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s4 10000 600 1+ KP

s3 4000 40 s2 500 1+ KP s1 32-8KP

s0 1+KP

当KP=4时，s1行元素为0.这时系统发生持续震荡，因此临界增益为：KPCR4 把s=jw代入特征方程

(10000w4600s25)jw(4000w240)0

21/100 当 wcr20.1(rad/s)时，振荡周期为 即 wcr TCR62.8s 比例控制器G(s)=KP KP=0.5KCR=2 则控制器的传递函数为

G(s)=2

当进入透平压缩机的空气温度升高时，为使得空气温度下降到适当范围内，应使更多的空气流经主换热器，将温度降低，则阀门开度应该减小，控制器选择反作用。

4.3 下塔液空液位控制

首先分析下塔液位的动态特性。 塔内液位和进气流量液位之间的模型为：

W1(s)K1T0s1 (3.7)

T1s115 / 35

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但是下塔液位时间常数远远大于进气流量的时间常数，即T1T0，所以模型可以近似为一阶惯性模型：

W1(s)K1 T1s1 电磁流量初始稳态值h1=2.90，进气流量近似为阶跃响应，计算其幅值时可

以把最大值和最小值换算成100%的阶跃： x%=0.25170.1885100%=0.091

0.6948重新达到稳态值h2=13.60。可以计算出：

（0）（）h=1.18 K0=hx同时可以计算出T0时刻电磁流量值： hT013.602.900.6322.909.66

可以对应查找h1(63.2%)的值如下表所示：

表 下塔液位T1时刻表

下塔液位 时刻 由此可以计算出T0的值：

T1t1t08s

综上所述，得出空气流量与液位高度之间的数学模型为：

h0(0%) 04:04:13 h1(63.2%) 04:06:53 W1(s)=

1.18160s+1

然后利用临界比例度法进行PID参数整定。由于求出来的液位传递函数为一阶，而对于一阶和二阶的传递函数，状态方程始终稳定，无法求出具体参数。特选择了一个有自平衡能力的三阶传递函数，利用临界比例度法进行PID参数整定： (S)=

=0为16 / 35

+

=0,即

闭环系统的特征方程为1+

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125+75+15s+1+所以劳斯阵列为： 125 15 75 1+ 15-5/3(1+ 1+ 当

=0

)

=8时，行元素为零。这使系统发生持续振荡，因此临界增益为 =8

当=8时，控制系统的特征方程变成

125+75+15+1+=0

可把s=ｊω带入特征方程，先求出等幅振荡的频率得到 （75

+9）-ｊω（125

-15）=0

，求出

。带入s=ｊω，

由此可得=0.35rad/s，则==17.95s

(s)=

时

由参数整定准则，且设计为比例控制器=0.5

=4

(s)=4

则控制器传递函数

当设计为PI控制器

(s)=(1+)时

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=0.45=3.6，0.85=15.26s

则控制器传递函数为

当设计为PID控制器

(s)= 3.6(1+)

(s)=(1+)时，

=0.67=5.36，=0.5=8.98s，=0.15=2.69s

则控制器传递函数为(s)=5.36(1+

)

对此控制液位的控制器：当液位变送器检出液位偏离（高于）设定值，设变送器、控制阀、系统都为正作用此时如果控制器选正作用，则控制器输出就变大，阀的开度变大，液空排出量变大，这样就能实现了自动控制。

5 仪表选型

5.1 温度类仪表的选择 5.1.1 温度传感器TE

在空分精馏过程中，经常涉及信号的远传和处理，而远传接触式测温仪表有热电偶和热电阻两大类，且热电偶和热电阻具有测量精度高、结构简单、使用方便等特点，可以进行远距离的指示、记录、报警和自动控制。

由空气组分及相应压力查氮-氧混合物T-i-p-x-y图得到来自透平膨胀机的空气进入下塔温度T=100.2K， 由液空组分及相应压力查氮-氧混合物T-i-p-x-y图得到液空出料口温度T=99.5K，由污液氮组分及相应压力查氮-氧混合物T-i-p-x-y图得到污液氮出料口温度T=95.4K，由纯液氮组分及相应压力查氮-氧混合物T-i-p-x-y图得到纯液氮出料口温度T=95.1K。

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在下塔中，认为上升蒸汽为饱和蒸汽，下流液体为饱和液体，并认为是饱和

N2O2混合物，由氮-氧混合物T-i-p-x-y图并根据

塔顶 塔底

3xCN99.99% PF0.58MPa 查得 T顶96.3K

x36%

1KPF0.58MPa 查得

T底101.2K

可确定下塔平均工作温度：

TT顶T底96.3101.298.8K 22由上述数据可知，空分精馏设备中涉及的气体或液体温度均为超低温。而铂的化学稳定性强，容易得到高纯度的铂丝，比电阻较大，测温精度高，在-200—0℃范围内电阻与温度成近似的线性关系。铜虽然具有价格便宜，电阻温度系数高等优点，但是测温范围比铂小，一般在-50一150℃之间，比电阻较小，体积大，灵敏度低。铁镍等虽有很高电阻温度系数，但电阻与温度的关系不是线性的，且难以提纯，一般很少用。因此测量液氮、液空和液氧等超低温液体时常用铂电阻温度计。

型号：WZB-210温度传感器 分度号：Pt100 量程：-200～+500℃ 精度等级：A级

允许偏差℃：±(0.15+0.002ltl) 材料:金属

材料物理性质:半导体 材料晶体结构:非晶 制作工艺:集成 输出信号:模拟型 重复性:1（%F.S.） 灵敏度:1

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漂移:1 分辨率:1

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响，所以热电偶的测量精度高。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，构造简单，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。250℃下以及负温测量一般用T型电偶，在低温时T型热电偶稳定而且精度高。而通常从可逆式换热器(或蓄冷器)出来的污氮气、氮气温度在27～28℃，基本属于室温范围，氧气经主换热器复热至12℃。铠装式热电偶可以提高响应速度。而铜-康铜热电偶灵敏度高、稳定可靠、抗震抗摔、互换性好、价格低廉、适用于远距离测温和自动控制, 在-35～100℃范围内的线性及一致性都较好。因此选用此类热电偶测量其他气体温度。 类型：铜-康铜热电偶（铠装热电偶） 型号：WRCK 分度号：T

测量范围：0-400（°C） 允差等级：A 允差值：±1°C 热响应时间：<=5(s)

5.1.2 温度变送器TT

经由温度传感器所测数据为了准确、及时的显示出来，我们对温度变送器的反馈部分采用非线性反馈，结果保证被测温度t与输出I间成线性关系，使结果直观，准确。为了变送器能在 出口等环境下正常工作，我们需要变送器能适应低温，高压等环境。同时，为确保安全，在线路中要采用安全火花防爆措施，经查找资料，我们选择： 型号：KETH热电阻温度变送器 环境温度:-25-+75℃ 相对湿度：5%-95%

机械振动:f≤50hz, 振幅≤0.15mm

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环境影响系数：δ≤0.05%/℃ 输出信号：4-20mA 工作电压：12v-35v

适用介质：酸、碱、盐或对聚四氟乙烯无腐蚀的任意介质 承压范围：负压、常压、高压(32MPa以下)

5.1.3 温度显示仪表TI

型号：SM300 温度LCD显示记录仪

输入信号：分度号E（EA－2）、K热电偶；分度号Pt100热电阻 测量范围：热电偶K 0～1000℃ E 0～600℃ 热电阻－100～199.9℃

显示方式：液晶数字显示，3位或3.5位 显示基本误差：±0.5﹪ FS±1个字

分辨力：1℃（热电偶输入）或0.1℃（热电阻输入） 附加功能及符号：1）显示值保持“↑”

2）热电偶、热电阻断线指示“－1” 3）电池电压降低指示“B” 热电偶冷端温度：内部自动补偿 工作环境温度：0～45℃

电源：9V干电池6F22单节，可连续工作100小时以上

5.2 压力类仪表的选择 5.2.1 压力传感器PE

液氮的储存压力约为0.8MPa，温度为-196℃。液氧氧的临界压力5.079MPa，临界温度为-118.4℃。可以测量此类超低温度的液体，只能采用超低温压力传感器，而此类传感器型号较多，为了能将测量数据迅速传递并处理，以免造成安全事故，特选择响应频率较高的一种传感器。

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空分精馏塔仪表控制系统设计

型号：PPM-SY03超低温压力传感器（高频响）

被测介质：对17-4PH、15-5PH、316L不锈钢不腐蚀的气体和液体 压力类型：绝对压力

量程：0～0.2MPa…15MPa…60MPa 之间任意范围可选 响应频率：固有频率约100kHz 精度： 0.5%FS%～3%FS 工作温度：-196℃～+125℃ 供电电源：5-15VDC推荐（10VDC） 零点输出：±5% FS （典型值）

满量程输出：10mV 、20mV、100mV三种输出可选择 （典型值） 非线性：0.1%FS、0.2%FS 重复性：0.05%FS

热零点温漂：1～4%FS（全温区） 热满量程温漂：1～4.5%FS（全温区） 绝缘电阻：≥100 MΩ/50V

安全过载压力：150%FS （1.5倍满量程） 破坏压力：300%FS （3倍满量程）

振动：5～1000Hz，振幅2mm，X、Y、Z每向30分钟，输出变化小于0.1%FS 冲击：50g；X、Y、Z三向，每向20ms；输出变化小于0.1%FS 连接方式：M3、M4、M5、M6、M8、M10、M12×1或指定 接液材料：15-5PH、17-4PH、316L不锈钢 相对湿度：95% RH

外壳防护等级：IP65或IP67

从透平膨胀机出来的气体进入下塔进行精馏，则气体压强应与下塔塔内压强相同，上塔压力Pup=0.136MPa ，下塔压力Pdown=0.58MPa 。产品氧气的出口压力比较高，约为8.5MPa，温度约为12℃。产品氮气出口压力为0.45MPa，温度誉为27℃。为了避免超负荷而破坏，被测压力的额定值为压力计满量程的2/3；为了满足测量精度的要求，被测压力的最小值也不应低于满量程的1/3。而且由于氧气的压力比较高，须严格控制其测量精度，以免造成安全事故。同时传感器

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的长期稳定性要较高，保证仪表不会在长期使用之后出现故障影响工业生产。 测量氮气及其他气体时选用： 型号：LYC3001通用低压力传感器 精度：±0.25%FS 量程：0 ～1MPa

工作温度：-10℃ — +70℃ 零位：≤±2mA 长期稳定性：±0.3%FS 供电电压：5.0±0.5VDC 工作电流：＜ 1.5mA 输出阻抗：≤10Ω 输出电压：0.5 ～4.5VDC

测量氧气压力时选用Kulite压力传感器 型号：XTL系列压力传感器 量程：0 ～14MPa 过载压力：2倍额定压力 输入阻抗：1000Ω(最小) 输出阻抗：1000Ω(额定值) 满量程输出（FSO）：100mV(额定值) 零位不平衡：±5mV (典型值) 固有频率：1250kHz（典型） 工作温度：-55℃到175℃ 热零点漂移：±1%FS

5.2.2 压力变送器PT

压力变送器主要用于测量气体、液体和蒸汽的压力、负压和绝对压力等参数，然后将其转换成电流信号输出。压力变送器包括GP型（表压力）和AP型（绝对压力）两种类型。我们要在低温、高压的情况下测量气体的表压，要求变送器有

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良好的稳定性，单向过载保护特性好，有良好的安全防爆措施。同时，因为过程工业仪表普遍遵循4-20mADC的标准信号范围和两线制的连接方式，我们选择： 型号：1151DP型差压变送器（安徽康乐仪表电缆厂) 测量范围：0-0.25kPa至0-40MPa 精度：±0.2％

静压：4、10、25、32MPa

稳定性：六个月内不超过最大量程的基本误差绝对值

振动影响：在任意轴向上，振动频率为200Hz时，误差为最大测量范围上限的±0.05％/g。

电源影响：小于输出量程的0.005％/V 输出信号：4～20mADC

供电电源：12～45VDC，一般为24VDC

指示表：指针式：0～100％刻度和平方根指示0-10刻度；3 1/2位LCD液晶显示(0～100％线性) 壳体材料：低铜铝合金

防爆：a.隔爆型 Ex dⅡBT5； b.本安型 Ex iaⅡCT6 防护等级：IP65

温度范围：放大电路：-25℃～+70℃； 测量元件：-40℃～+104℃ 启动时间：2秒，不需预热

5.2.3 压力显示仪Pdi

型号：XMY-20 压力数字显示仪 输入信号：0~10MA

配套一次仪表型号：YSG-2（02） 电感压力（微压）变送器 显示范围：与配套一次仪表压力测量范围相同 工作环境温度：5～40℃ 工作电源：AC220V

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5.3 流量类仪表的选择 5.3.1 流量计FE

空分精馏塔中对流量的控制较多。而涉及到的流体分为两类，一类是0摄氏度以上的产品气体，如，氮气和氧气，以及精馏之前的空气，一类是液空、液氮、液氧等超低温的液体。氧产量VO2=10000m3/h , 氮产量VN2=10000m3/h , 加工空气量Vk=55000m3/h 。在压力0.58Mpa，温度97.9K下（标况下空气密度 ），下塔蒸汽量V=2345.32m3/h ，液体量L=61.958m3/h 。产品气体的流量测量精度要求较小。且在进行流量测量时应尽量减少压力损失。而RC调整型流量计线性度比孔板提升了5～10倍，重复性提高了54％。在同样的测量工况下，与孔板相比减少了2.5倍的永久压力损失，长期稳定性好。 型号：RC调整型流量计 测量介质：液氧、液空和液氮 介质温度：-196℃～+125℃ 精度等级：≤±0.5%； 量程比：10:1 线性度：±1.0％ β值:0.25～0.9 Re:200～107

公称压力：PN≤16MPa

与涡轮流量计相比，涡街流量计没有可动的机械零件，因此寿命长，维护量小，仪表系数稳定，容易在各种工作环境中保持精度。与差压式流量计相比，涡街流量计的量程范围大，压力损失小，精度也高，并且在测量体积流量时不收留体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。 型号：FBLU 涡街流量计

测量介质：气体（空气、氮气、氧气和污氮等） 介质温度：－40～250℃（普通型） 工作压力：1.6MPa，6.3～16MPa

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测量范围：Re5000～7000000 正常工作范围：Re20000～7000000 精度：±1.5%FS 重复性：0.2%FS 工作电源：＋24VDC

输出信号：三线制脉冲输出信号、高电平≥4V、低电平0～1V、占空比约50% 二线制电流信号4～20mA

环境条件：温度-40～80℃；湿度≤90%RH 防爆等级：iaII CT5

5.3.2 流量变送器FT

精馏塔O2、N2的出口流量为10000m3/h，所以我们需要一种能测大流量的高可靠性和高精度，具有卓越的测量能力的仪表， 同时为了使气体存储方便，我们希望变送器能几乎可用于任何线压或储罐液位测量领域。变送器还应该具有长时间稳定性好，操作简单，宣示结果及时准确，安全性好，综合经济性，我们选择：

型号：罗斯蒙特8732E型电磁流量变送器 测量范围：0-100000（m3/h） 精度等级：0.15% ; 0.25% 输出信号：4-20（MA）

工作电压：24VDC ; 250VAC（V） 精度:：0.15%（量程比为13:1时）

电源：90-250 VAC±10%，50–60Hz或12–42 VDC 功率消耗：最大10瓦

外壳等级：NEMA 4X CSA 4X型，IEC 60529，IP66， 污染等级：2

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5.4 其他类型仪表的选择 5.4.1 纯度检测仪AIAS

型号：2600 紫外可变波长检测器 波长范围：200－370 mm 压力范围：1.96－24.5 M pa 最小检测浓度：cm≦1×10-4g/ml

型号：HGAS-N4型氮气纯度分析仪 测量范围： 75.00 ～ 99.99%N2/O2 测量精度： ≤±0.1%

显示器：4位动态数码LED显示器，可视窗口为89.7mm×25mm 传感器原理：离子流氧传感器 气体流速：150～300ml/min 测量方式：气体通入式或对流扩散式 响应时间：10S达到95% 响应时间：<20s 环境温度：-10～50℃

模拟输出：一个可编程4-20mA电流输出或一个可编程0-5V.DC电压输出 环境湿度：<80%RH

稳定性：<±0.1%.FS (168h)

使用寿命：传感器 25000 小时，分析仪 50000 小时。

5.4.2 PID调节器

型号：XMA5000系列智能型PID调节器西安奥信流量技术仪表有限公司。 使用条件：环境温度0～50℃ 相对湿度≤90% 电源电压：AC90V~260V

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电源频率：50±2.5Hz或24VDC±10% 基本误差：δ=0.5%

显示分辨率：根据领域不同，可分为0.001、0.01、0.1、1四种 输出特性：继电器容量为常开5A/220VAC或3A/24VDC 输入特性：电偶型、电压信号型：输入阻抗大于500kΩ 标准电流型：输入阻抗小于250Ω 电阻型：引线电阻要求0～5Ω，三根相等 内部冷端补偿温度范围：0～50℃

直流电源输出：电压24V，最大电流50mA，可直接配接二线制无源变送器 功耗：＜5W

安装方式：横表、竖表为卡入式安装，方表、小横表、小竖表为支架固定式安装

6 阀门的选型

6.1 产品氧气出口处阀门选型：

阀前压力为P1，阀后压力为P2，氧气体积流量为q，密度为ρ，出口温度为T1 。

P10.136MPa136kPaP28.5MPa

q10000m3/h H1.43kg/m3 qvg=qH1.43104kg/h

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T1285.5K 查气体压缩系数表可得 Z0.9676 k1.398

压差比xoP1P261.5 P1比热容比系数FkCO0.63 C空气选用偏心旋转阀：xt0.61

Fkxt0.3843xo

选用公式Cqvg2.9P1T1HZ1.431042.9136kxt285.51.430.9676=779.81

1.40.61单位常数5.94 阻力系数ξ由CA3.5810-5D4 对照偏心旋转阀的技术参数表

由C779.81试选C780 由表可选D=250mm25cm 求得阻力系数13.98

选用阀门为带手轮及定位器气动调节阀，其技术参数如下： 规格：DN250气动调节偏心旋转阀 型 号：ZTGZ/ZNAZ－64型 流量特性：直线、等百分比 阀体材质：WCB/SCPH2、CF8/SCS13

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6.2 产品氮气出口处阀门选型：

阀前压力为P1，阀后压力为P2，氧气体积流量为q，密度为ρ，出口温度为T1。

P10.136MPa136kPaP20.45MPa

q10000m3/h H1.25kg/m3

qvg=qH1.25104kg/h

T1300K 查气体压缩系数表可得 Z0.999 k1.411

压差比xNP1P22.31 P1CN0.72 C空气比热容比系数Fk选用碟阀，90°全开：xt0.20

Fkxt0.144xN

选用公式Cqvg2.9P1T1HZ1.251042.9136kxt3001.250,999=1155.17

1.410.20单位常数5.94 由CA1.6310-5D4 蝶阀(90°)

阻力系数

公称直径 流量系数 阀直节流面积 单位常数 30 / 35

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径 DN 80 100 125 2 250 3 350 4

Cv 265 480 750 3740 6860

D(cm) A=1/4ЛD2 8 10 12.5 25 35

50.264 78.538 122.715 6.709 .150 490.859 .838 962.084 6.600

5.94 5.94 5.94 5.94 5.94 5.94 5.94 5.94 5.94 5.94

§=(5.94*A)2/Cv2 1.269 0.945 0.945 0.605 0.653 0.608 0.678 0.694 0.694

试选C1350由表可得D=15cm,则阀门公称通径为DN150 。 解得阻力系数0.825

选择阀门为带手轮气动蝶，其技术参数如下： 规格：DN150高性能蝶阀 型号：710E

流量特性：近似等百分比

阀体材质：ZG230-450、ZG1Cr18Ni9

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6.3 液氮出口阀门选型

由阻塞流判断式，

PP1-P2和

的大小关系可以确定C的计算公式

阀体前后压力差Δp=-=0.8-0.58=0.22MPa 饱和蒸气压p=1026.42kPa 热力学临界压力pc=3.4MPa 液体临界压力比系数=0.96-0.28*(所以Δp>

=0.96-0.281.026420.806

3.4)=0.9*0.9*（0.58-0.806*1.02642）=-0.20Mpa

因此，查表可得流量系数C的计算公式为： C=10

C10qVLL/FL2(p1FFpV)1061.958808/2011242.2

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又由公式由CA 其中单位常数α=5.94，查深冷手册可得，角阀的阻力系数取为ξ=2.7可解得： A=1242.22.7/5.94=343.63cm2，可得： D=20.9cm，故选择公称通径DN200

阀门选择为带手轮及定位器气动角阀，其技术参数如下： 规格：DN200气动低温角型调节阀 型号：HAA单座角型调节阀

高精度流量特性:金属密封--等百分比特性(%CF)和线性特性(LCF)

软 密 封--等百分比特性(%TF)和线性特性(LTF)

阀体材料：不锈钢(1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti、17-4PH、9Cr18、316L)、不

锈钢堆焊司太莱合金、钛和耐腐蚀合金等

7 总结及感想

总结：

相比于其他组的题目而言，空分精馏塔的仪表控制系统设计虽然是个简单的题目，却也让我们小组成员头痛不已。从最初的流程图分析开始就遇到了一些问题，在网络上找不到对空气分离精馏流程的具体讲解，我们只能向系里的老师求助，在弄清楚各环节的作用之后我们开始对精馏塔这一部分相关的管道流程做具体分析。小组成员按照控制系统设计的三个步骤，细致分工，逐一完成相关任务。当然也会经常遇到一些问题，比如调节阀如何进行具体选型，为什么要选择这个仪表，PID控制器如何进行参数整定，等等。这些问题都是进行控制系统设计的核心问题，重点问题，我们小组成员为了解决这些问题，经常交流讨论，发表自己的见解，同时也经常向指导老师请教，上网查询相关资料，请教同学，最终基本解决了所有的问题。我们在此过程中，对各类常见仪表、阀门的选型有了深刻

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的认识，温习了PID参数整定的方法，也对空气精馏的具体过程有了清晰的认识。在结束了这个控制系统的设计之后，我们小组成员发现问题，解决问题的能力得到了充分的锻炼。 感想：

作为组长，课题开展前期我没有把握好整体进度，导致后期的工作量比较大，给组员造成了一些不必要的麻烦，这是我应该检讨和改进的地方。在参与控制系统的设计过程中，我参考杭州氧气厂的十分详细的精馏塔设计图纸，绘制了简化版的空分精馏塔仪表控制系统流程图，感觉要做好一个控制系统的设计真心不容易，需要考虑的东西太多了。随后按照工作进度给组员安排下一步任务，并督促他们尽快完成，在这个过程中我也经常由于私人问题，监督不到位，导致个别组员不能在规定时间内完成任务，拖了整体进度。在进行仪表选型和参数整定时，我深刻感觉到，书本知识还是很重要，有些东西网络上都不一定查得到，我们也不能凭空想像，所以要认真看书，查找我们所需要的信息。

在做这个课题中，我们是先自己查找资料，再四个人汇总，找出最优方案。在确定出最佳方案后，我们各自对这些资料进行阅读、学习，了解工作原理、熟悉流程图等。最后分块负责。在这过程中，我既感到了团队合作带来的宽广的思路、充足的资料以及高效率的工作、自己又通过一个人工作中学会了若何查找资料、了解了空分精馏塔的工作原理，工艺流程，控制系统以及仪器仪表等，极大的充实了自己。同时，这次任务也让我知道了实际应用中是如何运用过程控制对系统进行控制的。

这次我们组做的是空分设备的仪表控制系统的设计，由于这学期我们学习《过程装备控制技术及应用》课程，而且上学期我们也学习了张老师的《自动控制原理》课程，所以对控制系统的设计有个大概的了解，同时也感觉自动控制非常重要，这个课题也可以说是对我们课本知识学习的一个实践，在实际的设计过程当中，我们查阅了有关测量仪器，变送器和执行器等知识内容，同时在网上也查阅了大量的关于化工工业上仪表的选型和控制系统的选择，了解了各种仪表的种类和使

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用范围，以及前馈，反馈，前馈—反馈控制的适用条件，在化工工业中，反馈控制是最主要的控制方式，因此在我的液位控制当中，我也是选择了反馈控制，同时在整定过程中，我使用了临界增益法整定PID控制器参数，空分过程中一般会采用PI控制，就可以满足生产需要，在有些特殊情况会加入D控制，使控制更加高效。在这次的空分设备仪表设计当中，仪表的选型是最重要的环节，我们组长陈振兴做的工作最多，任务最重，包括画整个系统的流程图和仪表图，以及执行器，控制阀的选择和数据整理，还有向宇做了关于测量变送器的工作，最后的PPT是由冯怡然整理，感谢整个团队给我的支持和帮助。

通过这次课题的学习，我深深感到实际生产中控制系统的复杂，书本中学到的只是很少的一部分，正是因为这样平时我们应该多接触实际生产，拓宽知识面，提高独立学习，钻研问题的能力。在琢磨空分流程的过程中，我们小组遇到了些困难，然而经过通力合作，查找资料，请教老师，我们最终克服了困难，有所收获。

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