8典型化工單元的控制方案

1、對于同一的化工單元，了解各種控制方案的異同。熟悉各種控制方案的優(yōu)缺點及應用。能夠為化工單元操作過程設計合理的自動控制方案。學習要點 第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案一、離心泵的控制方案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致存在以下三種方法：1. 控制泵的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，控制結果使流量回到給定值。 8/27/20224第十一章 典型化工單元控制方案轉(zhuǎn)速n一定時，泵的流量特性曲線A與管路特性曲線的交點C即為泵的實際工作點，此時泵所提供的壓頭H正好用來克服管路阻力，其對應的流量即為泵

2、的實際流量。實質(zhì)是改變管路特性。改變泵出口阻力控制流量泵的流量特性曲線與管路特性曲線這種方案簡單，使用廣泛，但通過改變管路阻力，使泵提供的部分壓頭消耗在閥門上，故能量消耗大，效率低，不經(jīng)濟。注意一、離心泵的控制方案8/27/20225第十一章 典型化工單元控制方案一、離心泵的控制方案2.控制泵的轉(zhuǎn)速改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量曲線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)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。 8/27/20226第十一章 典型化工單元控制方案 控制蒸

3、汽大小即可達到控制轉(zhuǎn)速的目的。 適用于輸送粘度大的介質(zhì)(如焦油、重油等)及易燃、易爆介質(zhì)。一、離心泵的控制方案8/27/20227第十一章 典型化工單元控制方案一、離心泵的控制方案3.控制泵的出口旁路改變旁路閥控制流量 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，使總的機械效率降低，故很少采用。 8/27/20228第十一章 典型化工單元控制方案這類泵的運動部件每往復一次或每轉(zhuǎn)一周，所需介質(zhì)的量是一定的，因而對這類泵既不允許控制進口，也不允許控制出口

4、。主要原因是：若出口量減少，出口壓力立即達到最大值，從而導致泵殼及運動部件損壞；若進口量減少，會造成較大的負壓，同樣也會使運動部件損壞。二、位移式泵（容積泵）的控制方案齒輪泵（運動部件：齒輪）計量泵（運動部件：柱塞）往復泵（運動部件：活塞）位移式泵8/27/20229第十一章 典型化工單元控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案1.改變原動機的轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)速的方案 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(zhuǎn)速，進而控制往復泵的出口流量。 8/27/202210第十一章 典型化工單元控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案2.控制泵的出口旁路改變旁路流

5、量 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。 8/27/202211第十一章 典型化工單元控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案3.改變沖程 s 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，也有可在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進行的。8/27/202212第十一章 典型化工單元控制方案這里不作詳細介紹，它與泵的控制相似。但一般采用控制旁路的方案，以防“喘振”現(xiàn)象的發(fā)生而對風機造成損害。三、壓氣機的控制方案8/27/202213第十一章 典型化工單元控制方案 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制方案一、冷熱介質(zhì)都不發(fā)生相變的換熱器控制方案（1）控制載熱體的流量改

6、變載熱體流量控制溫度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。采用該控制方案時，載熱體必須是可控的才行。 這種方案是應用最廣泛一種，多用于載熱體流量的變化對溫度影響較靈敏的場合。注意8/27/202214第十一章 典型化工單元控制方案一、冷熱介質(zhì)都不發(fā)生相變的換熱器控制方案換熱器串級控制系統(tǒng) 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)。 8/27/202215第十一章 典型化工單元控制方案采用該法時，載熱體為工藝主要介質(zhì)，其總量是不可控的。但應注意的是不能直接將控制閥置于旁路而采用控制載熱體流經(jīng)旁路的量。主要是因為若換熱器內(nèi)部阻力小

7、，則控制閥前后的壓差就小，阻力比S就小，一方面導致控制閥的流量特性發(fā)生突變，另一方面導致控制閥口徑DN要大KV=10Q（/P）0.5，P小，KV大，DN大。一、冷熱介質(zhì)都不發(fā)生相變的換熱器控制方案（2）控制載熱體旁路流量用載熱體旁路控制溫度8/27/202216第十一章 典型化工單元控制方案一、冷熱介質(zhì)都不發(fā)生相變的換熱器控制方案（3）控制被加熱流體自身流量用介質(zhì)自身流量控制溫度 只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場合。 8/27/202217第十一章 典型化工單元控制方案一、冷熱介質(zhì)都不發(fā)生相變的換熱器控制方案（4）控制被加熱流體自身流量的旁路用介質(zhì)旁路控制溫度 當被加熱流體的總流量不允許控制

8、，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。 8/27/202218第十一章 典型化工單元控制方案（1）控制蒸汽流量用蒸汽流量控制溫度 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。 加熱器串級控制系統(tǒng)凝液蒸汽二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案8/27/202219第十一章 典型化工單元控制方案該方法實質(zhì)是控制換熱器的有效傳熱面積。二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案（2）控制換熱器的有效換熱面積用凝液排出量控制溫度溫度-液位串級控制系統(tǒng)溫度

9、-流量串級控制系統(tǒng)8/27/202220第十一章 典型化工單元控制方案二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案控制換熱器的有效換熱面積法缺點：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：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學變化的熱敏性介質(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。 8/27/202221第十一章 典型化工單元控制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案（1）控制冷卻劑的流量用冷卻劑流量控制溫度 該方案不以液位為被控變量，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

10、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，自動把液氨閥關小或暫時切斷。 8/27/202222第十一章 典型化工單元控制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案（2）溫度與液位的串級控制溫度-液位串級控制 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。 8/27/202223第十一章 典型化工單元控制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案（3）控制汽化壓力用汽化壓力控制溫度工作原理：基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了。 這種方案控制作用迅速，只要汽化

11、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。 8/27/202224第十一章 典型化工單元控制方案底部產(chǎn)品頂部產(chǎn)品冷卻劑回流罐精餾塔加熱劑精餾塔的物料流程回流進料再沸器冷凝器精餾是將液體混合物分離使其達到規(guī)定純度的傳質(zhì)過程。精餾塔是精餾過程的關鍵設備。在精餾操作中，被控變量多，可選用的操縱變量也多，被控對象的通道多，內(nèi)在機理復雜，變量又互相關聯(lián)，而要求一般又較高。 第三節(jié) 精餾塔的自動控制8/27/202225第十一章 典型化工單元控

12、制方案精餾操作的工藝要求 操作要處于合適的工況，以保證塔的平穩(wěn)操作，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高塔的效率。 節(jié)能降耗 能耗：熱劑(主要是蒸汽)、冷劑(水、冷凍鹽水)的消耗。 物耗：產(chǎn)出(產(chǎn)品量)與投入(原料量)的比例。 第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾操作對控制方案的要求 盡量預先克服進塔前主要的可控干擾（如進料量波動、進料溫度波動等） 保證質(zhì)量指標（頂、底產(chǎn)品的純度達到質(zhì)量指標的要求） 保證塔的平穩(wěn)操作（滿足F=DW物料平衡關系）8/27/202226第十一章 典型化工單元控制方案一、精餾塔的提餾段溫度控制方案 采用以提餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標的間接指標，而以改變再沸器加熱量作為控制手段的方案，就稱為提餾

13、段溫控。 （見控制流程圖）這種方案主要用于以塔底為主要產(chǎn)品，對塔釜的成分要求比塔頂餾出液高時。此外，對塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量要求相近，在液相進料時，也往往采用此方案。因為液相進料流量 的變化先影響到釜液成分，故用提餾段控制較及時。采用該方案時，冷劑消耗較大。8/27/202227第十一章 典型化工單元控制方案提餾段溫控的控制方案示意圖返回冷卻劑回流罐精餾塔再沸器冷凝器TCLCLCFCFCPC8/27/202228第十一章 典型化工單元控制方案二、精餾塔的精餾段溫度控制方案 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。 （見控制流程圖）這種方案主要

14、用于以塔頂為主要產(chǎn)品，對塔頂?shù)某煞忠蟊人尊s出液高時。此外，對塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量要求相近，在氣相進料時，也往往采用此方案。因為氣相進料流量 的變化先影響到頂液成分，故用精餾段控制較及時。采用該方案時，熱劑消耗較大。8/27/202229第十一章 典型化工單元控制方案精餾段溫控的控制方案示意圖返回冷卻劑回流罐精餾塔再沸器冷凝器TCLCLCFCFCPC8/27/202230第十一章 典型化工單元控制方案 第四節(jié) 反應器的自動控制. 改變進料溫度的控制方案改變進料溫度控制釜溫以反應釜溫度為被控變量，以加熱劑為控制手段，用改變進料溫度的方法使反應器溫度穩(wěn)定。一、釜式反應器的溫度自動控制方案8/27/

15、202231第十一章 典型化工單元控制方案2. 改變傳熱量的控制方案 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。 改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫一、釜式反應器的溫度自動控制方案8/27/202232第十一章 典型化工單元控制方案3. 串級控制方案一、釜式反應器的溫度自動控制方案如果冷卻水壓力波動不大，則以反應釜溫度為主環(huán)，夾套水溫為副環(huán)構成溫度-溫度串級控制方案。如果冷卻水壓力經(jīng)常波動為主要擾動，以反應釜溫度為主環(huán)，冷卻水流量為副環(huán)構成溫度-流量串級控制方案。釜溫與冷劑流量的串級控制釜溫與夾套溫度的串級控制8/27/202233第十一章 典型化工單元控制方案1. 改變進料濃度的控制方案以氧化爐溫度為被控變量，溫度控制作為主環(huán)，氨和空氣的比值控制系統(tǒng)為副環(huán)，構成串級控制系統(tǒng)?？刂崎y裝在氨管道上，可使總氣體流量穩(wěn)定。而且當空氣中斷時，可把氨氣切斷，保證安全。氨氧化爐溫度-比值串級控制二、固定床反應器的自動控制方案8/27/202234第十一章 典型化工單元控制方案二、固定床反應器的自動控制方案2. 改變