第17章典型單元控制

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化第十七章第十七章 典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制n離心泵的自動控制方案離心泵的自動控制方案n往復泵的自動控制方案往復泵的自動控制方案n壓氣機的自動控制方案壓氣機的自動控制方案n 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制n兩側均無相變化的換熱器控制方案兩側均無相變化的換熱器控制方案n載熱體進行冷凝的加熱器自動控制載熱體進行冷凝的加熱器自動控制n冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制n 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求精餾塔的干擾因素

2、及對自動控制的要求1內(nèi)容提要內(nèi)容提要n精餾塔的控制方案精餾塔的控制方案n 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n化學反應器的控制要求化學反應器的控制要求n釜式反應器的溫度自動控制釜式反應器的溫度自動控制n固定床反應器的自動控制固定床反應器的自動控制n流化床反應器的自動控制流化床反應器的自動控制2第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制n 一、離心泵的自動控制方案一、離心泵的自動控制方案3 離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。 當干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結果使流量回到給定值。 第一節(jié)第一節(jié)

3、流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制4圖17-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線 控制閥一般應該安裝在泵的出口管線上，而不應控制閥一般應該安裝在泵的出口管線上，而不應該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。 圖17-1 改變泵出口阻力調(diào)流量第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制52.2.控制泵的轉速控制泵的轉速圖17-3 改變泵的轉速調(diào)流量 圖17-3中曲線1、2、3表示轉速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1n2n3。 該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)速機構一般較復雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離

4、心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉速。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制6 將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實際排出量。 控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。 該方案不經(jīng)濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，該方案不經(jīng)濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的機械效率降低，故很少采用。使總的機械效率降低，故很少采用。 圖17-4 改變旁路閥調(diào)流量第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制n 二、往復泵的自動控制方案二、往復泵的自動控制方案7 往復泵往復泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合

5、，它是利用活塞在汽缸中往復滑行來輸送流體的。 往復泵提供的理論流量可按下式計算 h/m603nFsQ 理（17-1）第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制8 該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉速。圖17-5 改變轉速的方案第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制9 該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟性較差。 圖17-6 改變旁路流量第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制10圖17-7 往復泵的特性曲線 計量泵常用改變沖程s來進行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進行

6、，也有可在運轉狀態(tài)下進行的。第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制n 三、壓氣機的自動控制方案三、壓氣機的自動控制方案11壓力機的分類壓力機的分類 其作用原理不同可分為離心式和往復式兩大類； 按進、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風機、壓縮機等類型。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制12 對于低壓的離心式鼓風機，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。因為氣體的可壓縮性，所以這種方案對于往復式壓縮機也是適用的。 為了減少阻力損失，對大型壓縮機，往往不用控制吸入閥

7、的方法，而用調(diào)整導向葉片角度的方法。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制13圖17-9 分程閥的特性圖17-8 分程控制方案第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制14 對于壓縮比很高的多段壓縮機，從出口直接旁路回到入口是不適宜的。這樣控制閥前后壓差太大，功率損耗太大。 為了解決解決這個問題，可以在中間某段安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。 圖17-10 控制壓縮機旁路方案第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制15 壓氣機的流量控制可以通過調(diào)節(jié)原動機的轉速來達到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。 在于調(diào)速

8、機構一般比較復雜，沒有前兩種方法簡便。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制16“喘振喘振”現(xiàn)象現(xiàn)象 當負荷降低到一定程度時,氣體的排送會出現(xiàn)強烈的振蕩,從而引起機身的劇烈振動。這種現(xiàn)象稱為“喘振喘振”。 喘振會造成事故,操作中必須防止喘振現(xiàn)象產(chǎn)生。 防喘振的控制方案有很多種,其中最簡單的是旁路控旁路控制方案制方案。第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的自動控制流體輸送設備的自動控制17圖17-11 簡單的防喘振方案第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制n 一、兩側均無相變化的換熱器控制方案一、兩側均無相變化的換熱器控制方案18 圖17-12表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定

9、被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。 12222111ttcGTTcGQ若不考慮傳熱過程中的熱損失圖17-12 改變載熱體流量控制溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制19mtKFQ傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算mtKFTTcGttcG21221222整理后，得1222tcGtKFtm移項后改寫為第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制20 如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。 圖17-13 換熱器串級控制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制21 采用三通控制閥來改變

10、進入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。 旁路的流量一般不用直通閥來直接進行控制，因為在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。 圖17-14 用載熱體旁路控制溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制22圖17-15 用介質(zhì)自身流量調(diào)溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制23 當被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。 圖17-16 用介質(zhì)旁路調(diào)

11、溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制n 二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制24 在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200以上或30以下時，常采用一些有機化工物作為載熱體。 這種傳熱過程分兩段進行，先冷凝后降溫。 21211GttcGQ當僅考慮汽化潛熱時，熱量平衡方程式為 傳熱速率方程式仍為mtKFGQ2第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制25 當被加熱介質(zhì)的出口溫度t2為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。 通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽

12、總管加設壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。 圖17-17 用蒸汽流量調(diào)溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制26圖17-18 用凝液排出量調(diào)溫度圖17-19 溫度-液位串級系統(tǒng)圖17-20 溫度-流量串級系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制27兩種方案比較兩種方案比較控制蒸汽流量法控制蒸汽流量法 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺點：缺點：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側會產(chǎn)生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動

13、控制28控制換熱器的有效換熱面積法控制換熱器的有效換熱面積法缺點：缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點：優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制n 三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制29 該方案不以液位為操縱變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制，當液位高于某

14、上限值時，自動把液氨閥關小或暫時切斷。圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制30 該方案的實質(zhì)是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將液氨壓力變化而引起液位變化的這一主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)，從而提高了控制質(zhì)量。 圖17-22 溫度-液位串級控制第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制31 基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了。 圖17-23 用汽化壓力調(diào)溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制32 這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達到控制工藝介質(zhì)出口溫

15、度的目的。但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道上，故要求氨冷器要耐壓，并且當氣氨壓力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n 一、精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求一、精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求33圖17-24 精餾塔的物料流程圖（1 1）進料流量）進料流量F的波動的波動（）（）（2 2）進料成分）進料成分ZF的變化的變化（）（3 3）進料溫度及進料熱焓）進料溫度及進料熱焓QF的變化的變化（4 4）再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量）再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化的變化（5 5）冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化）

16、冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化（6 6）環(huán)境溫度的變化）環(huán)境溫度的變化 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制34第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n 三、精餾塔的控制方案三、精餾塔的控制方案35 如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控提餾段溫控。圖17-25 提餾段溫控的控制方案示意圖第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制36（1）采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達到規(guī)定值。（2）當干擾首先進入提餾段時，用提餾段溫控就比

17、較及時，動態(tài)過程也比較快。 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制37 如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控精餾段溫控。 圖17-26 精餾段溫控的控制方案示意圖第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制38 采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴格時，一般宜采用精餾段溫控方案。 如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制39 在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產(chǎn)品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小

18、，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實際上卻很難滿足。解決這一問題的方法，是將測溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制40 采用溫差作為衡量質(zhì)量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。 圖17-27 T-X曲線第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制41 能利用成分分析器，例如紅外分析器、色譜儀、密度計、干點和閃點以及初餾點分析器等，分析出塔頂（或塔底）的產(chǎn)品成分并作為被控變量，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，就可實現(xiàn)按產(chǎn)品成分的直接指標控制。第四節(jié)

19、第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 一、化學反應器的控制要求一、化學反應器的控制要求42 化學反應器的質(zhì)量指標一般指反應的轉化率或反應生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為Hxgcyiio第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制43 以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標，有時并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。 當有干擾作用時，轉化率和反應生成物組分等仍會受到影響。 特別是在有些反應中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應關系，這就需要不斷地根據(jù)工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。 在有催化劑的反應器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變

20、。 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制44 為使反應正常，轉化率高，要求維持進入反應器的各種物料量恒定，配比符合要求。 對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)。 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 二、釜式反應器的溫度自動控制二、釜式反應器的溫度自動控制45圖17-28 改變進料溫度調(diào)釜溫第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制46 由于大多數(shù)反應釜均有傳熱面，引入或移去反應熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。 圖17-29 改變加熱劑或冷卻劑流量調(diào)釜溫第四節(jié)第四節(jié)

21、 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制47為了針對反應釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。圖17-30 釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制48圖17-31 釜溫與夾套溫度串級控制示意圖圖11-37 釜溫與釜壓串級控制示意圖第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 三、固定床反應器的自動控制三、固定床反應器的自動控制49 固定床反應器固定床反應器是指催化劑床層固定于設備中不動的反應器，流體原料在催化劑作用下進行化學反應以生成所需反應物。 控制進料濃度 控制進料溫度 控制段間進入的冷氣量 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反

22、應器的自動控制50圖17-33 改變進料濃度調(diào)反應器溫度圖17-34 用載熱體流量調(diào)溫度第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制51圖17-35 用旁路調(diào)溫度圖17-36 用改變段間冷氣量調(diào)溫度圖17-37 用改變段間蒸汽量調(diào)溫度第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制n 四、流化床反應器的自動控制四、流化床反應器的自動控制52圖17-38 流化床反應器原理示意圖圖17-39 改變?nèi)肟跍囟日{(diào)反應器溫度第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制53圖17-41 流化床差壓指示系統(tǒng)圖17-40 改變冷劑流量調(diào)溫度例題分析例題分析 1.試判斷圖17-42(a)

23、、(b)控制方案是否正確。圖17-42 泵的控制方案54例題分析例題分析要分析圖17-42所示控制方案是否正確,首先必須了解離心泵和往復泵的特性。 圖17-42(a)是離心泵的流量控制方案。為了控制出口流量的大小,控制閥一般應該直接裝在出口管線上。這是因為離心泵吸入高度是有限的,如果控制閥裝在吸入管線上,會產(chǎn)生壓降,這樣一來,進口端壓力就有可能過低,因為液體氣化,使泵失去排液能力,這叫氣縛?；蛘邏旱匠隹诙擞旨彼倮淠?沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要避免發(fā)生。所以控制閥一般不應安裝在離心泵的入口管線上。 55例題分析例題分析 圖17-42(b)為往復泵出口流量控制方案。從往復泵的特性來看,只要轉速一定,排出的流量是基本不變的。因此采用出口節(jié)流的方法來控制出口流量是不行的。56例題分析例題分析2.圖17-43所示的加熱器,如果兩側無相變,載熱體流量很大,且進出口溫差(T20-T21)很小時,采用圖示溫控方案是否合理?圖17-43 加熱器控制方案57例題分析例題分析202122101111TTCFTTCF從分析對象(加熱器)的靜態(tài)特性來看，采用圖示控制方案是不合理的。 設載熱