化工過(guò)程控制

1、第七章 過(guò)程控制 控制要求： 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力控制 液位控制 溫度控制 流量控制串級(jí)控制 分程控制 超馳控制 前饋控制1控制要求為了達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，必須對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)視和控制?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求： 抑止外部擾動(dòng)的影響 使過(guò)程在優(yōu)化的工況下操作2控制要求為了達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，必須對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)視和控制。控制系統(tǒng)應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求： 抑止外部擾動(dòng)的影響擾動(dòng)外界因素變化如原料和公用工程流量、溫度和壓力的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。干擾不可避免3過(guò)程變量 x，如溫度、壓力、流量、濃度等，在受到外部因素影響時(shí)，可能有兩種變化：穩(wěn)定系統(tǒng)的響應(yīng)特性

2、（1）穩(wěn)定系統(tǒng)在開(kāi)始時(shí)受到外界的影響而波動(dòng)，但隨時(shí)間的變化，x 無(wú)需外界干預(yù)就能穩(wěn)定，即不需要利用控制機(jī)構(gòu)就能回復(fù)到初值。4過(guò)程變量 x，如溫度、壓力、流量、濃度等，在受到外部因素影響時(shí)，可能有兩種變化：（1）穩(wěn)定系統(tǒng)在開(kāi)始時(shí)受到外界的影響而波動(dòng)，但隨時(shí)間的變化，x 無(wú)需外界干預(yù)就能穩(wěn)定，即不需要利用控制機(jī)構(gòu)就能回復(fù)到初值。（2）不穩(wěn)定系統(tǒng)受到外界的影響不能隨著時(shí)間的變化恢復(fù)原狀。不穩(wěn)定系統(tǒng)的一種響應(yīng)特性5設(shè)在冷卻夾套的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中，進(jìn)行串聯(lián)反應(yīng):副反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其放熱量通過(guò)器壁傳給夾套中的冷劑。通過(guò)分析，可知反應(yīng)放熱量可用釜溫T的S 形函數(shù)A 來(lái)表示，而冷劑吸收的熱量是釜溫T 的線性函

3、數(shù)B。6控制要求為了達(dá)到設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求，必須對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)視和控制?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求： 抑止外部擾動(dòng)的影響 使過(guò)程在優(yōu)化的工況下操作7設(shè)在某氣固催化反應(yīng)，其催化劑失活迅速，需定期切換，副反應(yīng)的活化能高于主反應(yīng)。反應(yīng)器全年利潤(rùn)：每年反應(yīng)器再生次數(shù)操作周期若反應(yīng)器高溫操作：反應(yīng)選擇性低，原料消耗費(fèi)用增加；應(yīng)采用變溫操作，在操作周期內(nèi)逐步升溫。反應(yīng)速度低，產(chǎn)率低；同樣產(chǎn)量，催化劑再生費(fèi)用增加若反應(yīng)器低溫操作：最優(yōu)化控制8第七章 過(guò)程控制 控制要求： 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制外部擾動(dòng)，使過(guò)程在優(yōu)化的狀態(tài)下操作壓力控制 液位控制 溫度控制 流量控制串級(jí)控

4、制 分程控制 超馳控制 前饋控制9控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟例如，苯（B) 和乙烯（E）氣相烴化的反應(yīng)方程式如下：確定達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需測(cè)量的參數(shù)乙苯二乙苯二甲苯甲苯反應(yīng)采用的催化劑較易失活，若苯過(guò)量能減緩催化劑的失活并能提高反應(yīng)的選擇性。試決定需測(cè)量的參數(shù)。10苯和乙烯氣相烷基化流程圖11(1)產(chǎn)品數(shù)量：生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品是乙苯，決定乙苯數(shù)量的控制因素是原料乙烯的流量。為了計(jì)量目的，應(yīng)測(cè)量乙苯的流量；為了控制的目的應(yīng)測(cè)量乙烯的進(jìn)料量。12苯 和乙烯氣相烷基化流程圖13(1)產(chǎn)品數(shù)量：生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品是乙苯，決定乙苯數(shù)量的控制因素是原料苯的流量。為了計(jì)量目的，應(yīng)測(cè)量乙苯的流量；為了控制的目的應(yīng)測(cè)量乙烯的

5、進(jìn)料量。(2)產(chǎn)品質(zhì)量：乙苯的質(zhì)量由乙苯精餾塔塔頂產(chǎn)品的組成決定。為確保該組成為預(yù)期值，測(cè)量參數(shù)有以下三種方案：反饋控制前饋控制推斷控制14反饋控制乙苯精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量反饋控制-利用被控變量的直接測(cè)量值調(diào)節(jié)控制變量15前饋控制乙苯精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量前饋控制-利用直接測(cè)量的擾動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)被控制變量的方法16推斷控制乙苯精餾塔產(chǎn)品質(zhì)量推斷控制-利用塔板溫度與餾出液組成的嚴(yán)格關(guān)系，控制精餾塔塔頂出口組成17(3)安全：為了防止燃燒與爆炸事故，應(yīng)防止設(shè)備的超溫和超壓。對(duì)于反應(yīng)器R101應(yīng)測(cè)量其進(jìn)出口溫度和床層溫度，并設(shè)置超溫報(bào)警及緊急情況下切斷乙烯進(jìn)料的裝置。對(duì)于精餾塔應(yīng)測(cè)量其塔頂或塔釜的壓力。(4)可操作可操

6、作的基本要求是滿足各個(gè)設(shè)備內(nèi)在的約束條件。例如儲(chǔ)罐不應(yīng)溢流或抽空，精餾塔不應(yīng)液泛或漏液。因此，應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)罐V101，V102，V103的液面測(cè)量，精餾塔T102，T103的壓降測(cè)量等措施。18(5)經(jīng)濟(jì)：優(yōu)化控制設(shè)備：例如反應(yīng)器R101的優(yōu)化控制問(wèn)題，是否采用優(yōu)化控制要根據(jù)可能性和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)結(jié)論確定；在乙烯、苯、乙基苯、冷卻水總管、蒸汽總管等管道上設(shè)置流量計(jì)，為計(jì)算車(chē)間成本提供所必須的產(chǎn)量和原料、輔助材料以及公用工程的消耗量。重要的流量計(jì)不僅能提供和顯示瞬間值，而且有累計(jì)功能。19苯和乙烯氣相烷基化流程圖202)選擇控制變量對(duì)于某個(gè)測(cè)量參數(shù)，可能有多個(gè)可任意調(diào)節(jié)的輸入變量，需選擇一個(gè)或多個(gè)變量作為

7、控制變量，即確定控制方案。-該項(xiàng)工作是過(guò)程控制的核心內(nèi)容。若有多個(gè)方案可供選擇而定性分析不能作出判斷時(shí)，則有必要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬以得出定量的結(jié)論?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟確定達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需測(cè)量的參數(shù)212)選擇控制變量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟確定達(dá)到設(shè)計(jì)要求所需測(cè)量的參數(shù)3)確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)規(guī)律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)223)確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)按照被調(diào)參數(shù)值與給定值的偏差大小和方向，發(fā)出與偏差成比例的控制信號(hào)。例如：盤(pán)管加熱器處于穩(wěn)態(tài)工況下的熱量平衡式為：式中F、Cp 、T1和T2分別是物料的流量、密度、熱容、進(jìn)口和槽內(nèi)溫度。Q為蒸汽傳遞給物料

8、的熱量，上標(biāo)0表示穩(wěn)定狀態(tài)。23若有外界干擾T1升高，如果不改變Q，T2將隨著時(shí)間 t逐漸升高。設(shè)儲(chǔ)槽內(nèi)液體體積穩(wěn)定為V，則0要使偏差等于0，需要按照T2與T20的偏差調(diào)節(jié)Q。設(shè)控制規(guī)律使Q的變化與偏差T2- T20成比例，即比例增益24比例反饋控制的溫度響應(yīng)曲線比例調(diào)節(jié)不適用于負(fù)荷變化較大而又不允許有殘余偏差的系統(tǒng)。25確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)規(guī)律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)26比例積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)是指它的輸出不是與偏差保持比例關(guān)系，而與偏差對(duì)時(shí)間的積分保持比例關(guān)系。即：27比例積分反饋控制的溫度響應(yīng)曲線比例積分調(diào)節(jié)不適用于純滯后和慣性滯后較大的系統(tǒng)。比例積

9、分調(diào)節(jié)適用于負(fù)荷變化較大而又不允許有殘余偏差的系統(tǒng)。28確定調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用的調(diào)節(jié)規(guī)律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)比例積分微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)規(guī)律是：與比例積分調(diào)節(jié)相結(jié)合，如果微分時(shí)間選擇恰當(dāng)，能提高慣性滯后較大的對(duì)象的調(diào)節(jié)品質(zhì)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。29第七章 過(guò)程控制 控制要求： 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制外部擾動(dòng)，使過(guò)程在優(yōu)化的狀態(tài)下操作壓力控制 液位控制 溫度控制 流量控制串級(jí)控制 分程控制 超馳控制 前饋控制30簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制31壓力控制有大量不凝氣體的精餾塔壓力控制控制排放量調(diào)節(jié)下游壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速壓力控制的方式取決于過(guò)程特

10、征32壓力控制有少量不凝氣體的精餾塔壓力控制，可采用改變塔頂蒸汽冷凝量的方法：調(diào)節(jié)冷劑的流量；33壓力控制有少量不凝氣體的精餾塔壓力控制，可采用改變塔頂蒸汽冷凝量的方法：調(diào)節(jié)冷劑的流量；當(dāng)不允許調(diào)節(jié)冷劑流量時(shí)，可接三通使一部分冷劑不進(jìn)入冷凝器；34簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制35液位控制氣液兩相的界面控制，通常有三種控制方案：用溢流保持液面恒定；36液位控制氣液兩相的界面控制，通常有三種控制方案：用溢流保持液面恒定；用出料控制液面穩(wěn)定；37液位控制氣液兩相的界面控制，通常有三種控制方案：用溢流保持液面恒定；用出料控制液面穩(wěn)定；用進(jìn)料控制液面穩(wěn)定；38液位控制兩個(gè)液相的界面控制：

11、對(duì)臥式容器39液位控制兩個(gè)液相的界面控制：對(duì)立式容器40液位控制液相與其他參數(shù)的交叉控制：例如精餾塔塔釜液位受再沸器內(nèi)供熱影響較大，液位對(duì)塔釜排出量調(diào)節(jié)不靈敏時(shí)，應(yīng)采用交叉控制。41簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制42溫度控制熱交換器溫度控制也即傳熱量Q的控制傳熱面積；傳熱溫差；傳熱系數(shù)；在正常的物流流量和溫度范圍內(nèi)變化很少傳熱量Q的控制可通過(guò)調(diào)節(jié)換熱面積 A 和傳熱溫差T來(lái)實(shí)現(xiàn)。43溫度控制熱交換器溫度控制也即傳熱量Q的控制無(wú)相變換熱器通過(guò)改變冷（熱）介質(zhì)或物料的流量調(diào)節(jié)物料出口溫度。a) 控制冷熱媒流量b) 冷熱媒流量旁通c) 改變物料流量44溫度控制熱交換器溫度控制也即傳熱量

12、Q的控制有相變換熱器，若壓力不可調(diào)，則溫差一定，溫度調(diào)節(jié)可通過(guò)改變換熱面積實(shí)現(xiàn)；若壓力可調(diào)，如使用蒸汽加熱，可通過(guò)改變蒸汽壓力，即冷凝溫度的辦法來(lái)調(diào)節(jié)物料溫度。a) 調(diào)節(jié)蒸汽壓力45溫度控制熱交換器溫度控制也即傳熱量Q的控制有相變換熱器，如使用蒸汽加熱，若物料溫度低，且熱負(fù)荷低時(shí)，蒸汽冷凝溫度低于1000C, 壓力低于飽和蒸汽壓力，可將調(diào)節(jié)閥裝在凝液排出管道上，通過(guò)凝液排出量的變化，調(diào)節(jié)有效傳熱面積。b) 調(diào)節(jié)有效傳熱面46溫度控制2）精餾塔的溫度控制若在線組分分析技術(shù)復(fù)雜，靠人工分析又不能及時(shí)得到控制信息，可用溫度控制代替質(zhì)量控制。a)精餾段回流調(diào)節(jié)控制溫度b)提餾段調(diào)節(jié)蒸汽量控制溫度47溫

13、度控制2）精餾塔的溫度控制若在線組分分析技術(shù)復(fù)雜，靠人工分析又不能及時(shí)得到控制信息，可用溫度控制代替質(zhì)量控制。對(duì)于一個(gè)精餾塔，精餾段和提餾段兩者中只能采用一個(gè)溫度控制，下列情況可采用提餾段溫度控制：塔底產(chǎn)品純度要求比塔頂產(chǎn)品的高；精餾段板上溫度不能很好的反映組成的變化或不靈敏；進(jìn)料為液相，進(jìn)料的溫度或組成的波動(dòng)對(duì)提餾段的影響較精餾段更迅速和顯著，因而提餾段溫控滯后較?。痪s塔的回流量取決于塔釜脫除輕組分的要求時(shí)，回流量大于塔頂脫除輕組分的實(shí)際需要；48簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制49流量控制1）簡(jiǎn)單流量控制要保持一個(gè)單元的穩(wěn)定操作，必須保持物料的流量穩(wěn)定。流量控制方式與泵的形式

14、有密切關(guān)系。離心泵：調(diào)節(jié)閥可安裝在泵的出口管道上；齒輪泵和旋渦泵：應(yīng)將調(diào)節(jié)閥安在泵出口的旁路管道上；蒸汽往復(fù)泵：可以用改變進(jìn)泵的蒸汽流量或壓力的方法來(lái)調(diào)節(jié)流量；50流量控制2）比例控制要保持兩個(gè)流量之間的比例一定，例如反應(yīng)器的兩個(gè)進(jìn)料要求保持比例一定，應(yīng)采用比例控制。常用比例控制有兩種：?jiǎn)伍]環(huán)比例調(diào)節(jié)：用于主流量不能定量控制，從動(dòng)量需與主流量保持一定比例的情況。如：乙炔加氫反應(yīng)；工業(yè)上H2與C2H2的比例為1. 32.0；乙炔加氫反應(yīng)器的進(jìn)料取決于脫乙烷塔的壓力51單閉環(huán)比例調(diào)節(jié)2）比例控制52此系統(tǒng)不僅能控制兩個(gè)流量的比值，而且每個(gè)流量的絕對(duì)值也可得到控制流量控制2）比例控制雙閉環(huán)比例調(diào)節(jié)5

15、3流量差值控制有側(cè)線出料時(shí)，側(cè)線板以下回流為F2-F3流量控制54第七章 過(guò)程控制 控制要求： 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制外部擾動(dòng)，使過(guò)程在優(yōu)化的狀態(tài)下操作壓力控制 液位控制 溫度控制 流量控制串級(jí)控制 分程控制 超馳控制 前饋控制55 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)控制用一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定，使調(diào)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)的主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)品質(zhì)更為穩(wěn)定的調(diào)節(jié)過(guò)程。a) 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)b) 串級(jí)調(diào)節(jié)1蒸汽壓力不穩(wěn)定時(shí)采用，但兩個(gè)調(diào)節(jié)閥增加壓損和投資蒸汽壓力不穩(wěn)定時(shí)不宜采用56 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)c) 串級(jí)調(diào)節(jié)2控制器TC的輸出作為FC 的設(shè)定值，可及時(shí)消除干擾，克服過(guò)大的滯后，即FC起到了

16、初調(diào)和先調(diào)的作用，改善了調(diào)節(jié)質(zhì)量57 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)分程控制根據(jù)輸出值的范圍分別控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥門(mén)。反應(yīng)器進(jìn)口溫度分程控制 調(diào)節(jié)器輸出與閥行程的關(guān)系58超馳控制將工藝過(guò)程限制條件所構(gòu)成的邏輯部分疊加到通常的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)方式。 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)超馳控制兩個(gè)或三個(gè)調(diào)節(jié)器一個(gè)高值或低值選擇器可同時(shí)對(duì)兩個(gè)或三個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視與控制，當(dāng)生產(chǎn)操作趨于極限條件時(shí)，一個(gè)用于控制不安全變量的超馳調(diào)節(jié)器代替正常工作情況下的調(diào)節(jié)器，使各個(gè)參數(shù)保持在預(yù)定的安全界限內(nèi)。到過(guò)程回到安全范圍后，正常調(diào)節(jié)器再重新啟用。保證生產(chǎn)安全進(jìn)行，減少開(kāi)停車(chē)次數(shù)59 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)超馳控制將工藝過(guò)程限制條件所構(gòu)成的邏輯部分疊加到

17、通常的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)方式。精餾塔超馳控制超馳調(diào)節(jié)器低值選擇器60 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)前饋控制及時(shí)測(cè)出干擾信號(hào)，通過(guò)較正環(huán)節(jié)產(chǎn)生較正信號(hào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方式。前饋系統(tǒng)適用的場(chǎng)合：被調(diào)參數(shù)必須確保穩(wěn)定;主要干擾是可測(cè)而不可控的參數(shù)。干擾幅值大而頻繁，對(duì)被調(diào)參數(shù)影響劇烈，單純的反饋系統(tǒng)達(dá)不到工藝要求；61精餾塔前饋控制62第七章 過(guò)程控制 控制要求： 簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及步驟 復(fù)雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)抑制外部擾動(dòng)，使過(guò)程在優(yōu)化的狀態(tài)下操作壓力控制 液位控制 溫度控制 流量控制串級(jí)控制 分程控制 超馳控制 前饋控制63設(shè)在冷卻夾套的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜中，進(jìn)行串聯(lián)反應(yīng):副反應(yīng)為放熱反應(yīng)，其放熱量通過(guò)器壁傳給夾套中的冷劑。通過(guò)分析，可知反應(yīng)