典型化工單元的控制

1、化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 化工儀表及自動化化工儀表及自動化第十一章第十一章 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 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案n離心泵的控制方案離心泵的控制方案n往復泵的控制方案往復泵的控制方案離心式壓縮機的防喘振控制離心式壓縮機的防喘振控制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工藝要求工藝要求1內(nèi)容提要內(nèi)容

2、提要n精餾塔的干擾因素精餾塔的干擾因素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n 升化過程的控制升化過程的控制n常用生化過程控制常用生化過程控制n青霉素發(fā)酵過程控制青霉素發(fā)酵過程控制n啤酒發(fā)酵過程控制啤酒發(fā)酵過程控制2第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案n 一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案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

3、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) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案4圖11-1 改變泵出口阻力控制流量圖11-2 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）。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案52.2.控制泵的轉速控制泵的轉速圖11-3 改變泵的轉速控制流量 圖11-3中曲線1、2、3表示轉速分別為n1、n2、

4、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，但調速機構一般較復雜，所以多用在蒸汽透平驅動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉速。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案6圖11-4 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。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案n 二、往復泵的控制方案二、往復泵的控制方案

5、7 往復泵往復泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，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（11-1）第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案8圖11-5 改變轉速的方案 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速，進而控制往復泵的出口流量。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案9圖11-6 改變旁路流量 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。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案10圖11-7 往

6、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的調整可在停泵時進行，也有可在運轉狀態(tài)下進行的。第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案n 三、離心式壓縮機的防喘振控制三、離心式壓縮機的防喘振控制16圖11-11 離心式壓縮機特性曲線圖11-12 喘振現(xiàn)象示意圖第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案17是出現(xiàn)壓縮機工作點這種反復迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機忽進忽出，使轉子受到交變負荷，機身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅度擺動。 喘振是離心式壓縮機固有的特性。負荷減小是離心式壓縮機產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送

7、氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案（1 1）固定極限流量法）固定極限流量法 對于工作在一定轉速下的離心式壓縮機，都有一個進入喘振區(qū)的極限流量QB，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的最小值QP，且有QPQB。 圖11-13 防喘振旁路控制18第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案圖11-14 防喘振曲線 圖11-14上的喘振極限線是對應于不同轉速時的壓縮機特性曲線的最高點的連線。只要壓縮機的工作點在喘振極限線的右側，就可以避免喘振發(fā)生。 19第一

8、節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案12112TbQapp12112TbQapp安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示 （11-2）在時，工況是安全的。經(jīng)過換算，上述不等式可寫成如下形式1221appbkrp20（11-3）第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案21圖11-15 變極限流量防喘振控制方案 該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過運算得到的，因此能根據(jù)壓縮機負荷變化的情況隨時調整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運算部分放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。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

9、、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22圖11-16 改變載熱體流量控制溫度 圖11-16表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。 若不考慮傳熱過程中的熱損失12222111ttcGTTcGQ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mtKFQmtKFttcG122223傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算1222tcGtKFtm整理后，得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24圖11-17 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

10、量的串級控制系統(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25圖11-18 用載熱體旁路控制溫度 采用三通控制閥來改變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。 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11-19 用介質自身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27圖11-20 用介質旁路控制溫度 當被加熱流體的總流量不允許控制

11、，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。 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21211GttcGQ28 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。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。 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29 當被加熱介質的出口溫度t2為被控變量時，常采

12、用下述兩種控制方案。圖11-21 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。 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圖11-22 用凝液排出量控制溫度圖11-23 溫度-液位串級控制系統(tǒng)圖11-24 溫度-流量串級控制系統(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31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

13、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控制32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33圖11-25 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。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34圖11-26 溫度-液位串級控制 該方案的實質是改變傳熱面積。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)，從而提高了控制質量。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的