化工儀表及自動化 厲玉鳴第17章ppt課件

1、化工儀表及自動化第十七章 典型化工單元的控制方案 內(nèi)容提要流體保送設(shè)備的自動控制離心泵的自動控制方案往復(fù)泵的自動控制方案壓氣機的自動控制方案傳熱設(shè)備的自動控制兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案載熱體進展冷凝的加熱器自動控制冷卻劑進展汽化的冷卻器自動控制精餾塔的自動控制精餾塔的干擾要素及對自動控制的要求1內(nèi)容提要精餾塔的控制方案化學(xué)反響器的自動控制化學(xué)反響器的控制要求釜式反響器的溫度自動控制固定床反響器的自動控制流化床反響器的自動控制2第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制一、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。 離心泵的流量控制大體的三種方法1. 控制泵的

2、出口閥門開度 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(jié)果使流量回到給定值。 第一節(jié) 流體保送設(shè)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 控制閥普通應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管線上特殊情況除外。 留意圖17-1 改動泵出口阻力調(diào)流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制52.控制泵的轉(zhuǎn)速圖17-3 改動泵的轉(zhuǎn)速調(diào)流量 圖17-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1n2n3。 該方案從能量耗費的角度來衡量最為經(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)速機構(gòu)普通較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場所，此時僅需控

3、制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制63.控制泵的出口旁路 將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改動旁路閥開啟度的方法來控制泵的實踐排出量。 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，由于旁路閥耗費一部分高壓液體能量，使總的機械效率降低，故很少采用。 圖17-4 改動旁路閥調(diào)流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制二、往復(fù)泵的自動控制方案7 往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場所，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來保送流體的。 往復(fù)泵提供的實際流量可按下式計算 17-1第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制81.改動原動機的轉(zhuǎn)速 該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作

4、原動機的場所，此時，可借助于改動蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速。圖17-5 改動轉(zhuǎn)速的方案第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制92.控制泵的出口旁路 該方案由于高壓流體的部分能量要白白耗費在旁路上，故經(jīng)濟性較差。 圖17-6 改動旁路流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制103.改動沖程 s 圖17-7 往復(fù)泵的特性曲線 計量泵常用改動沖程s來進展流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進展，也有可在運轉(zhuǎn)形狀下進展的。第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制三、壓氣機的自動控制方案11壓力機的分類 其作用原理不同可分為離心式和往復(fù)式兩大類； 按進、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風(fēng)機、緊縮機等類型。 第一節(jié) 流體保送設(shè)

5、備的自動控制121.直接控制流量 對于低壓的離心式鼓風(fēng)機，普通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。其他情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。由于氣體的可緊縮性，所以這種方案對于往復(fù)式緊縮機也是適用的。 為了減少阻力損失，對大型緊縮機，往往不用控制吸入閥的方法，而用調(diào)整導(dǎo)向葉片角度的方法。 第一節(jié) 流體保送設(shè)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) 流體保送設(shè)備的自動控制142.控制旁路流量 對于緊縮比很高的多段緊縮機，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。 為理處理這個問題，可以在中間某段

6、安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定任務(wù)范圍的需求。 圖17-10 控制緊縮機旁路方案第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制153.調(diào)理轉(zhuǎn)速 壓氣機的流量控制可以經(jīng)過調(diào)理原動機的轉(zhuǎn)速來到達，這種方案效率最高，節(jié)能最好。 問題在于調(diào)速機構(gòu)普通比較復(fù)雜，沒有前兩種方法簡便。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制16“喘振景象 當負荷降低到一定程度時,氣體的排送會出現(xiàn)劇烈的振蕩,從而引起機身的猛烈振動。這種景象稱為“喘振。 喘振會呵斥事故,操作中必需防止喘振景象產(chǎn)生。 防喘振的控制方案有很多種,其中最簡單的是旁路控制方案。第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動控制17旁路控制方案圖17-11 簡單的防喘振方案第

7、二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案181. 控制載熱體的流量 圖17-12表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱根本方程式的任務(wù)原理。 假設(shè)不思索傳熱過程中的熱損失圖17-12 改動載熱體流量控制溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制19傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算整理后，得移項后改寫為第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制20 假設(shè)載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)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) 傳熱設(shè)備的自動控制212.控制載熱體旁路 采用三通控制閥來改動進入換熱器的載流體流量與旁路流量的

8、比例，可以改動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。 旁路的流量普通不用直通閥來直接進展控制，由于在換熱器內(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) 傳熱設(shè)備的自動控制223.控制被加熱流體本身流量 只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場所。 圖17-15 用介質(zhì)本身流量調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制234. 控制被加熱流體本身流量的旁路 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

9、-16 用介質(zhì)旁路調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制二、載熱體進展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，經(jīng)過管壁加熱工藝介質(zhì)。假設(shè)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展，先冷凝后降溫。 當僅思索汽化潛熱時，熱量平衡方程式為 傳熱速率方程式仍為第二節(jié) 傳熱設(shè)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。1.控制蒸汽流量 經(jīng)過改動加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有動搖時，可對蒸汽總管加設(shè)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

10、量調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制262.控制換熱器的有效換熱面積圖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) 傳熱設(shè)備的自動控制27兩種方案比較控制蒸汽流量法 優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺陷：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較猛烈，有時凝液冷到100以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負壓，呵斥冷凝液的排放不延續(xù)，影響均勻傳熱。 第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制28控制換熱器的有效換熱面積法缺陷：控制通道長、變化緩慢，且需求有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點：防止部分過熱，對一些過熱后會引起化學(xué)變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽

11、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) 傳熱設(shè)備的自動控制三、冷卻劑進展汽化的冷卻器自動控制291.控制冷卻劑的流量 該方案不以液位為支配變量，但液位不能過高，過高會呵斥蒸發(fā)空間缺乏，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨緊縮機的操作事故。 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，當液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷。 圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制302.溫度與液位的串級控制 該方案的本質(zhì)是改動傳熱面積。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。

12、 圖17-22 溫度-液位串級控制第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制313.控制汽化壓力任務(wù)原理 基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改動，于是相應(yīng)的汽化溫度也就改動了。 圖17-23 用汽化壓力調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制32 這種方案控制造用迅速，只需汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，到達控制工藝介質(zhì)出口溫度的目的。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)的一致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) 精餾塔的自動控制一、精餾塔的干擾要素及對自動控制的要求33圖17-24 精餾塔的物料流程圖1進料流量F的動搖2進料成

13、分ZF的變化3進料溫度及進料熱焓QF的變化4再沸器加熱劑如蒸汽參與熱量的變化5冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6環(huán)境溫度的變化 1.干擾要素第三節(jié) 精餾塔的自動控制 2.精餾塔對自動控制的要求 保證質(zhì)量目的 保證平穩(wěn)操作 約束條件34第三節(jié) 精餾塔的自動控制三、精餾塔的控制方案351.精餾塔的提餾段溫控 假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。 圖17-25 提餾段溫控的控制方案表示圖第三節(jié) 精餾塔的自動控制36提餾段溫控的主要特點與運用場所： 1采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，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，

14、就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量到達規(guī)定值。2當干擾首先進入提餾段時，用提餾段溫控就比較及時，動態(tài)過程也比較快。 第三節(jié) 精餾塔的自動控制372.精餾塔的精餾段溫控 假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。 圖17-26 精餾段溫控的控制方案表示圖第三節(jié) 精餾塔的自動控制38精餾段溫控的主要特點與運用場所： 采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，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厲時，普通宜采用精餾段溫控方案。 假設(shè)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) 精餾塔的自動控制39 在采用精餾段溫控或提

15、餾段溫控時，當分別的產(chǎn)品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實踐上卻很難滿足。處理這一問題的方法，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) 精餾塔的自動控制403.精餾塔的溫差控制 采用溫差作為衡量質(zhì)量目的的間接變量，是為了消除塔壓動搖對產(chǎn)質(zhì)量量的影響。 圖17-27 T-X曲線留意：溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。第三節(jié) 精餾塔的自動控制414.按產(chǎn)品成分或物性的直接控制 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

16、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)品成分的直接目的控制。第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制一、化學(xué)反響器的控制要求42(1)質(zhì)量目的 化學(xué)反響器的質(zhì)量目的普通指反響的轉(zhuǎn)化率或反響生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制43 以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制目的，有時并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。 當有干擾作用時，轉(zhuǎn)化率和反響生成物組分等仍會遭到影響。 特別是在有些反響中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應(yīng)關(guān)系，這就需求不斷地根據(jù)工況變化去改動溫度控制系統(tǒng)的給定值。 在有催化劑的反響器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定

17、值也要隨之改動。 第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制44(2)物料平衡 為使反響正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進入反響器的各種物料量恒定，配比符合要求。(3)約束條件 對于反響器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，該當配備一些報警、聯(lián)鎖安裝或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。 第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制二、釜式反響器的溫度自動控制45(1)控制進料溫度圖17-28 改動進料溫度調(diào)釜溫第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制46(2)控制傳熱量 由于大多數(shù)反響釜均有傳熱面，引入或移去反響熱，所以用改動引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。 圖17-29 改動加熱劑或冷卻劑流量調(diào)釜溫第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制47(3)串級控制

18、為了針對反響釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。圖17-30 釜溫與冷劑流量串級控制表示圖第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制48圖17-31 釜溫與夾套溫度串級控制表示圖圖11-37 釜溫與釜壓串級控制表示圖第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制三、固定床反響器的自動控制49 固定床反響器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動的反響器，流體原料在催化劑作用下進展化學(xué)反響以生成所需反響物。常見的溫度控制方案有： 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) 化學(xué)反響器的自動控制50圖17-33 改動進料濃度調(diào)反響器溫度圖17-34 用載熱體流量調(diào)溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制51圖17-35 用旁路調(diào)溫

19、度圖17-36 用改動段間冷氣量調(diào)溫度圖17-37 用改動段間蒸汽量調(diào)溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制四、流化床反響器的自動控制52圖17-38 流化床反響器原理表示圖圖17-39 改動入口溫度調(diào)反響器溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動控制53圖17-41 流化床差壓指示系統(tǒng)圖17-40 改動冷劑流量調(diào)溫度例題分析 1.試判別圖17-42(a)、(b)控制方案能否正確。圖17-42 泵的控制方案54例題分析解：要分析圖17-42所示控制方案能否正確,首先必需了解離心泵和往復(fù)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,控制閥普通應(yīng)該直接裝在出口管線上。這是由于離心泵吸

20、入高度是有限的,假設(shè)控制閥裝在吸入管線上,會產(chǎn)生壓降,這樣一來,進口端壓力就有能夠過低,由于液體氣化,使泵失去排液才干,這叫氣縛?；蛘邏旱匠隹诙擞旨彼倮淠?沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要防止發(fā)生。所以控制閥普通不應(yīng)安裝在離心泵的入口管線上。 55例題分析 圖17-42(b)為往復(fù)泵出口流量控制方案。從往復(fù)泵的特性來看,只需轉(zhuǎn)速一定,排出的流量是根本不變的。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2.圖17-43所示的加熱器,假設(shè)兩側(cè)無相變,載熱體流量很大,且進出口溫差(T20-T21)很小時,采用圖示溫控方案能否合理?圖17-43 加熱器控制方案57例題分析解：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(shè)載熱體流量為F2，摩爾熱容為C2，冷流體流量為F1，摩爾熱容為C1。為了弄清主要問題，對圖17-43所示加熱器可忽略一些次要要素(如熱損失等)，那么可列出