自動化儀表應(yīng)用實例課件

第7章

自動化儀表應(yīng)用實例

返回總目錄第7章

自動化儀表應(yīng)用實例

返回總目錄大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制石油蒸餾裝置中的檢測與控制傳熱設(shè)備的控制本章小結(jié)思考題與習(xí)題本章內(nèi)容大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制本章內(nèi)容大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制一、大中型工業(yè)鍋爐的工藝過程常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖7.1所示。由圖可知，燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生產(chǎn)的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。飽和蒸汽經(jīng)過熱器后形成一定氣溫的過熱蒸汽，匯集至蒸汽母管。壓力為的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還分別經(jīng)過省煤器和空氣預(yù)熱器對鍋爐給水和燃燒用空氣進(jìn)行預(yù)熱，以充分利用熱能，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。從鍋爐的生產(chǎn)過程和設(shè)備情況看，它是一個比較復(fù)雜的被控對象，其輸入變量主要有：負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等；輸出變量主要有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過?？諝?煙氣含氧量)等。如果將鍋爐等效為一個黑匣子，那么就可以用如圖7.2所示的簡圖表達(dá)它的輸入輸出變量之間的關(guān)系。由圖可以看出，這些輸入輸出變量之間并非簡單的一一對應(yīng)的關(guān)系，而是相互關(guān)聯(lián)的，具有一定的耦合特性，所以鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜被控對象。大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制一、大中型工業(yè)鍋爐的工藝過大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制假設(shè)其外部設(shè)備的用汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響到汽包水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓等參數(shù)；給水量的變化將直接影響汽包水位，同時還對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等產(chǎn)生間接影響。所以，要想精確地對鍋爐的所有輸出量進(jìn)行控制是一個比較困難的事。在目前控制系統(tǒng)中，大多數(shù)情況是對鍋爐進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)后，將鍋爐設(shè)備控制劃為若干獨(dú)立個子系統(tǒng)，通過各個子系統(tǒng)的分別對相應(yīng)的變量進(jìn)行控制，一般不需考慮變量之間的相互影響，從而是鍋爐控制變得比較簡單。本節(jié)僅就其中汽包的液位檢測與控制作相應(yīng)的討論。圖7.1鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制假設(shè)其外部設(shè)備的用大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制二、鍋爐汽包水位的檢測與控制1.汽包水位的控制要求汽包是鍋爐的重要組成部分，其水位高低會影響整個系統(tǒng)的安全性。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而氣化速度快，若控制不及時，就會在很短的時間內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部氣化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高將會影響汽包的水汽分離效果，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機(jī)動力的話，還會損壞汽輪機(jī)葉片，如果有大量的水進(jìn)入蒸汽管道，還會導(dǎo)致蒸汽管道爆管的嚴(yán)重后果?？梢钥闯?，汽包的水位直接影響鍋爐運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性，是鍋爐運(yùn)行的一個非常重要的指標(biāo)，無論過高或過低都會引起極為嚴(yán)重的后果，對它的控制必須是及時而又準(zhǔn)確的。圖7.2鍋爐對象簡圖大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制二、鍋爐汽包水位的檢測與控大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制2.汽包水位的動態(tài)特性對汽包水位控制的研究已經(jīng)經(jīng)歷的很長時間，逐漸形成了一套行之有效的控制方法。之所以對它進(jìn)行大量的研究，不僅是由于它的重要性，還在于它的對象特性具有很強(qiáng)的特殊性，主要表現(xiàn)在其水位在外界擾動作用下的變化過程與一般液位對象存在明顯區(qū)別，需要進(jìn)行特殊的分析。汽包內(nèi)的水位高低與蒸汽負(fù)荷量D、補(bǔ)充給水量W、補(bǔ)充水溫T、汽包蒸汽壓力PD等參數(shù)都有關(guān)系，而其中影響作用比較大的主要是蒸汽負(fù)荷和給水量。一般而言，通常用給水量來直接影響水位，所以把給水量對水位的影響稱為控制通道影響，把蒸汽負(fù)荷對水位的影響稱為干擾通道影響。1)干擾通道的動態(tài)特性蒸汽負(fù)荷(向外提供的蒸汽流量)對水位的影響主要指在燃料量不變的前提下，蒸汽流量突然變化導(dǎo)致的水位變化情況。假設(shè)給水量沒有同時變化，如果按照常規(guī)的物料平衡原則來考慮，必然是物料流出量大于流入量，水位應(yīng)該隨之下降。但是汽包是一個特殊對象，水位的變化情況遠(yuǎn)比常規(guī)對象來得復(fù)雜。由于蒸汽流量突然增加，就使短時間內(nèi)汽包內(nèi)飽和蒸汽壓力迅速下降，造成汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)突然降低，汽化過程加劇，水面以下氣泡不僅數(shù)量迅速增加而且體積增大，將水位整體抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，與一般對象的水位變化恰恰相反，這種現(xiàn)象被稱為假水位現(xiàn)象。

大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制2.汽包水位的動態(tài)特性式中，ξt

——曲線H1的飛升速度；K2——曲線H2的放大倍數(shù)；T2——曲線H2的時間常數(shù)。大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制(7-1)假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，一般蒸發(fā)量為100～300T/h的中高壓鍋爐在負(fù)荷突然變化10%時，假水位可達(dá)30mm～40mm。對于這種假水位現(xiàn)象，在設(shè)計控制方案時必須加以重視。2)控制通道的動態(tài)特性在給水流量作用下，汽包也不能僅僅當(dāng)作常規(guī)單容對象來考慮，其階躍響應(yīng)曲線如圖7.4所示。對于常規(guī)單容無自衡對象而言，水位響應(yīng)曲線如圖7.4中曲線所示；但由于給水溫度要大大低于比汽包內(nèi)飽和水的溫度，所以給水量增加后，汽包內(nèi)的水溫必然隨之下降，導(dǎo)致水中氣泡含量減少、體積下降，引起水位下降。因此實際的水位響應(yīng)曲線如圖中曲線所示，即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位并不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當(dāng)于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為：式中，ξt——曲線H1的飛升速度；大中型工在蒸汽流量擾動下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖7.3所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加時，由物料平衡原理得出的水位變化如曲線所示，而由于假水位導(dǎo)致的水位變化如曲線所示，整體水位的變化則為二者的疊加，即大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制其變化情況如曲線所示。從圖7.3中可以看出，在水位變化的初始階段水位不僅不會下降，反而先上升，過一段時間后才開始下降(反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升)。圖7.3蒸汽流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線曲線的傳遞函數(shù)為

在蒸汽流量擾動下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖7.3所示。當(dāng)一般而言，純滯后時間τ與給水溫度相關(guān)，水溫越低，滯后時間越長。一般τ約在15s～100s之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會使增加到100s～200s。3)其他干擾因素的影響除了上述兩個比較主要的影響之外，給水溫度變化、鍋爐排污、吹灰等過程也會對汽包水位造成影響。給水溫度會影響水面下的氣泡數(shù)量和體積；鍋爐排污則要排出汽包的部分陳水；吹灰時要使用鍋爐自身的蒸汽，這些都對是水位有影響，但都屬于短時間的擾動，可以很快被抑制下來，無需做特殊處理。3.汽包水位的控制方案1)單沖量控制系統(tǒng)大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制圖7.4給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線(7-2)一般而言，純滯后時間τ與給水溫度相關(guān)，水溫越控制汽包水位時常選給水量作為操作變量，由此可組成如圖7.5所示的普通單沖量控制系統(tǒng)。這里指的單沖量即汽包水位。這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。對于部分小型鍋爐來說，由于蒸發(fā)量少，水在汽包內(nèi)停留時間較長，所以在蒸汽負(fù)荷變化時，假水位的現(xiàn)象并不顯著，如果使用單沖量控制系統(tǒng)配用聯(lián)鎖報警裝置，也能夠保證系統(tǒng)的安全性操作，滿足生產(chǎn)的要求。而大中型鍋爐的蒸發(fā)量相當(dāng)大，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時，假水位現(xiàn)象比較明顯，調(diào)節(jié)器收到錯誤的假水位信號后，不但不開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，滿足蒸汽量增大的要求，反而關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開度，減少給水量。這種情況被稱為調(diào)節(jié)器的誤動作，是由假水位引起的。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加而送水量減少，將使水位顯著下降，嚴(yán)重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度以致發(fā)生事故。因此單沖量系統(tǒng)不能勝任對大中型鍋爐的控制，水位得不到保證。2)比值控制系統(tǒng)從物料平衡的角度來看，只要保證任一時刻蒸汽流出量與給水流入量之間是等量關(guān)系，就能夠保證水位的恒定，如圖7.6所示的比值控制系統(tǒng)就是建立在這樣的控制思想上的。這樣，給水量隨著蒸汽負(fù)荷的變化而變化，而且變化方向和數(shù)量是完全相同的，可以以此來避免在單沖量方案中出現(xiàn)的調(diào)節(jié)器誤動作。大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制控制汽包水位時常選給水量作為操作變量，由此可組成如圖7.大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制圖7.5單沖量控制系統(tǒng)圖7.6比值控制系統(tǒng)當(dāng)對蒸汽流量的測量是直接測量質(zhì)量時，圖中的比值系數(shù)可以定為1或稍大于1，此時就可以滿足給水量跟隨蒸汽量變化的要求。從圖中可以看出，這種方案也可視為一種前饋補(bǔ)償方案，補(bǔ)償器就是比值器。此方案對于蒸汽負(fù)荷方面的擾動具有很好的抑制作用，但是由于沒有真正監(jiān)視水位的變化情況，所以由其他擾動引起的水位變化完全不得而知，也就不可能對其他的擾動影響進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以只能是一種探討型方案，不能應(yīng)用在實際系統(tǒng)中。大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制圖7.5單沖量控制系統(tǒng)大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制3)雙沖量控制系統(tǒng)綜合單沖量控制系統(tǒng)和比值控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，不難設(shè)計出如圖7.7所示的雙沖量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)引入了對蒸汽流量的監(jiān)視，起到對水位的補(bǔ)充校正作用，就可以大大減弱假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動作。圖7.7(a)是雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖，圖7.7(b)是其框圖。由圖知，這其實是一個前饋與單回路的復(fù)合控制系統(tǒng)。其控制思路是：測量出蒸汽負(fù)荷的大小，根據(jù)物料平衡原理，只要給水量與蒸發(fā)量完全相等，那么水位將保持不變，從而克服假水位的影響，也就是利用前饋控制抑制負(fù)荷擾動；其他干擾因素引起的水位變化則由反饋控制來克服。這樣的設(shè)計思路不僅能削弱調(diào)節(jié)器的誤動作，還能使調(diào)節(jié)閥動作及時、水位波動減弱，起到改善控制品質(zhì)的作用。圖7.7(a)中的加法器輸出是圖7.7雙沖量控制系統(tǒng)原理圖與框圖大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制3)雙沖量控制系統(tǒng)圖7.大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制由框圖可知，起著靜態(tài)前饋控制器的作用，按前饋控制器設(shè)計原理，有(7-3)(7-4)因為KPD一般為負(fù)、KMD和KPH均為正，所以K2的符號取決于調(diào)節(jié)閥的符號。當(dāng)采用氣開閥時，KV為正，K2則為正；當(dāng)采用氣關(guān)閥時，則相反。調(diào)節(jié)閥氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機(jī)或汽輪機(jī)，那么為保護(hù)這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽僅用作加熱劑，為保護(hù)鍋爐采用氣關(guān)閥為宜。式(7-4)提供了求取K2的原理算式。事實上，由于鍋爐的情況特殊，K2一般不按照該式求取，而是按以下思路求取。設(shè)閥門安裝特性工作點(diǎn)斜率為KV，則(7-5)大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制由框圖可知，起著靜態(tài)前饋控大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制式中，ΔP——閥門輸入信號變化量；

ΔW——閥動作后引起的給水流量變化量。假定蒸汽流量的測量變送為線性(如孔板加開方器)，則由物料平衡關(guān)系可以得到靜態(tài)補(bǔ)償關(guān)系，即在蒸汽量負(fù)荷變化時，應(yīng)使(7-6)

(7-7)

將式(7-6)代入式(7-7)得(7-8)而由框圖7.7(b)知(7-9)由上述兩式可得(7-10)大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制式中，ΔP——閥大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制需要說明的是，蒸汽流量信號的引入只是削弱了由假水位現(xiàn)象引起的調(diào)節(jié)器誤動作，并沒有削弱假水位現(xiàn)象，假水位現(xiàn)象是大中型鍋爐汽包必然存在的物理過程，想要對它進(jìn)行限制或削弱是很困難的。同時，負(fù)荷擾動引起的水位變化速度比給水變化引起的水位變化速度要快得多，所以即使利用給水對符合擾動進(jìn)行調(diào)節(jié)，也會產(chǎn)生較大的水位波動，因此必須對符合符合變化的幅度加以限制。4)三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)中，還存在一些問題：對蒸汽流量的測量不可能完全準(zhǔn)確；給水流量是否與蒸汽流量相等無法得知；控制閥的工作特性不一定成為線性，對蒸汽負(fù)荷變化要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；不能克服給水?dāng)_動等。所以，就需要在雙沖量方案的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，如圖7.8所示。可以看出，這是前饋與串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。串級系統(tǒng)的主回路直接控制水位，用于抑制除負(fù)荷擾動之外的其他擾動；副回路是流量隨動系統(tǒng)，與蒸汽流量的靜態(tài)前饋系統(tǒng)一起控制負(fù)荷擾動。與一般的串級控制系統(tǒng)類似，主回路采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，副回路采用純比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。在這樣的三沖量復(fù)合控制系統(tǒng)中，串級控制和前饋控制組成了一個完善的整體，能夠比較全面、準(zhǔn)確地完成控制任務(wù)。

大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制需要說明的大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制圖7.8三沖量控制系統(tǒng)圖7.9三沖量控制系統(tǒng)的連接圖和框圖圖7.9所示是三沖量控制系統(tǒng)的連接圖和框圖。系數(shù)設(shè)置：系數(shù)K1通?？扇?或稍小于1；K2可按式(7-11)取值；至于的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。水位調(diào)節(jié)器和流量調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法與一般串級控制系統(tǒng)相同。(7-11)

大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制圖7.8三沖量控制系統(tǒng)大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制無論是雙沖量控制方案還是三沖量控制方案，都利用了蒸汽負(fù)荷作為前饋控制信號，所以，對蒸汽流量的檢測成為非常重要的環(huán)節(jié)。一般地，對蒸汽流量的檢測可以采用測體積或者測質(zhì)量兩種方式，從保持物料平衡的角度來看，采用測質(zhì)量的方法相對好一些。由于目前大多數(shù)場合下測量蒸汽流量都是使用孔板式差壓流量計測體積，所以可以在孔板后再增加一個測量蒸汽密度的裝置，利用體積流量和蒸汽密度計算出蒸汽的質(zhì)量流量，將它作為前饋信號來使用。如果不增加密度計，也可利用過熱蒸汽的壓力和溫度查出當(dāng)前狀態(tài)下飽和蒸汽的密度，把它作為系數(shù)與蒸汽體積流量相乘得到質(zhì)量流量。這兩個方案中，前者的實時性較好，能比較及時地反應(yīng)蒸汽質(zhì)量流量的變化；而后者的投資較小，但不能保證蒸汽質(zhì)量流量的瞬時準(zhǔn)確性。由于蒸汽流量的檢測精度對汽包水位的控制有著特殊意義，所以應(yīng)該在允許的情況下盡可能地提到蒸汽流量的檢測精度。

大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制無論是雙沖石油蒸餾裝置中的檢測與控制一、連續(xù)精餾的工藝流程和裝置精餾過程是化工、煉油生產(chǎn)過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)，對精餾過程的控制質(zhì)量直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗量，因此精餾過程的控制一直是受到高度重視的典型控制系統(tǒng)之一。精餾過程是把混合液體中的不同組分利用各組分自身揮發(fā)度的不同實現(xiàn)組分分離的過程，一般把混合液中的輕質(zhì)組分分離成汽態(tài)，重質(zhì)組分分離為液態(tài)。被精餾的原料可以是兩種或兩種以上的組分的混合液，稱為二元組分或多元組分。由于多元組分精餾在一定情況下可以簡化為二元組分精餾，所以一般以二元組分混合液作為模型討論精餾過程。為簡便起見，本節(jié)所討論的精餾過程均以二元組分為對象。簡單來講，精餾的過程就是迫使混合物的汽、液兩相在精餾裝置中作逆向流動，在相互接觸的過程中，液相中的輕質(zhì)組分逐漸吸收熱量轉(zhuǎn)入汽相，而汽相中的重質(zhì)組分釋放熱量轉(zhuǎn)入液相，所以精餾過程實質(zhì)上是一種伴隨有傳熱過程的傳質(zhì)過程。傳質(zhì)是精餾的目的，傳熱是精餾的手段。在精餾過程中混合液在精餾裝置里反復(fù)地進(jìn)行部分汽化和部分冷凝，轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期的多種產(chǎn)品。完成精餾過程的主要裝置叫做精餾塔，此外還有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等輔助設(shè)備。目前，工業(yè)上一般所采用的連續(xù)精餾裝置的流程如圖7.10所示。石油蒸餾裝置中的檢測與控制一、連續(xù)精餾的工藝流程和裝置石油蒸餾裝置中的檢測與控制原料F從精餾塔中段某一塊塔板上進(jìn)入，這塊塔板稱為進(jìn)料板。精餾塔在進(jìn)料板以上的部分稱為精餾段，進(jìn)料板以下部分稱為提餾段。進(jìn)入塔內(nèi)的混合液中的低沸點(diǎn)組分(易揮發(fā)組分)較易汽化而向塔頂流動；高沸點(diǎn)組分(難揮發(fā)組分)則更多地以液體形態(tài)向塔底流動，在流動過程中不斷地與塔內(nèi)上升蒸汽在各層塔板上充分接觸并且傳熱和傳質(zhì)。向下流動的液體到達(dá)塔釜后，一部分被連續(xù)地引出成為塔底產(chǎn)品B；另一部分則在再沸器中被加熱，汽化后又返回塔中循環(huán)傳質(zhì)。塔內(nèi)上升的蒸汽依次經(jīng)過所有的塔板，蒸汽中易揮發(fā)組分的濃度逐漸增高，上升到塔頂后進(jìn)入冷凝器被冷凝成為液體，經(jīng)回流罐和回流泵后一部分作為塔頂產(chǎn)品D連續(xù)引出，另一部分則引回到頂部的塔板上用作為塔內(nèi)冷卻液，稱為回流量L。圖7.10連續(xù)精餾裝置的工藝流程石油蒸餾裝置中的檢測與控制原料F從精餾塔中段石油蒸餾裝置中的檢測與控制

精餾過程的產(chǎn)品是從混合液中分離出來的，無論精餾過程多么細(xì)致，其產(chǎn)品中不可避免地留有其他組分，所以各種產(chǎn)品的純度就成為精餾過程重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。二、精餾過程的控制目標(biāo)精餾塔控制的首要目標(biāo)就是要滿足產(chǎn)品質(zhì)量，即保證各種產(chǎn)品的純度；同時還應(yīng)該考慮生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益問題，要使總的收益最大或總的成本最小。因此，精餾塔的控制要求，體現(xiàn)在質(zhì)量指標(biāo)(產(chǎn)品純度)、產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗三個方面，這三個方面又是相互影響、相互制約的，因此必須進(jìn)行綜合考慮。除了這三個主要指標(biāo)之外，還有一些附加的控制要求需要考慮。1.質(zhì)量指標(biāo)精餾的過程是非常復(fù)雜的，要做到它的所有產(chǎn)品純度都是完全滿足要求是相當(dāng)困難的。一般地，只要保證塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達(dá)到規(guī)定的純度，而另一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍內(nèi)就可以了。只有在非常精細(xì)的精密精餾過程中，才要求做到塔頂、塔底產(chǎn)品純度都滿足規(guī)定值。在二元組分精餾中，情況較簡單，質(zhì)量指標(biāo)就是使塔頂產(chǎn)品中輕組分純度符合技術(shù)要求或塔底產(chǎn)品中重組分純度符合技術(shù)要求。在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。所謂關(guān)鍵組分，是指對產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的組分。塔頂產(chǎn)品中揮發(fā)度較大的關(guān)鍵組分稱為輕關(guān)鍵組分，塔底產(chǎn)品中揮發(fā)度較小的關(guān)鍵組分稱為重關(guān)鍵組分。有時，對多元組分的分離可簡化為對二元關(guān)鍵組分的分離，也相應(yīng)地簡化了精餾操作。

石油蒸餾裝置中的檢測與控制精餾過程的產(chǎn)品是從石油蒸餾裝置中的檢測與控制應(yīng)當(dāng)指出，對產(chǎn)品質(zhì)量的控制應(yīng)該要求在剛好能滿足規(guī)定值即可，即處于“卡邊”生產(chǎn)狀態(tài)，完全沒有必要超出規(guī)定值。超過規(guī)格的產(chǎn)品并不能提高售價，反而會導(dǎo)致能耗的增大和產(chǎn)量的降低，對提高經(jīng)濟(jì)效益是不利的。2.產(chǎn)品產(chǎn)量和能量消耗為保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，精餾塔不僅要保證產(chǎn)品質(zhì)量，還要保證一定的產(chǎn)量和盡量降低能量消耗。精餾塔的能量消耗主要來自混合液的分離過程，包括再沸器的加熱和冷凝器的冷卻耗能。此外，塔的其他附屬設(shè)備及管線也要散失一部分熱量和冷量。分析可知，產(chǎn)品純度越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多。產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品純度及能量消耗三者之間存在著一定的數(shù)值關(guān)系。有數(shù)據(jù)表明，在一定的能耗下，隨著產(chǎn)品純度的提高，會使產(chǎn)品的產(chǎn)量迅速下降，純度越高，下降速度越快。如果保持純度不變，增加能耗可以提高產(chǎn)品產(chǎn)量，但只在初始階段有明顯效果，一旦當(dāng)能耗達(dá)到一定程度以后，產(chǎn)量的增加幅度就明顯下降。3.其他要求為保證系統(tǒng)的正常平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)該盡可能在進(jìn)塔之前的主要可控干擾都抑制下來，還要緩和一些不可控的主要擾動。例如原料的溫度、加熱劑和冷卻劑的壓力、保證進(jìn)料量與引出量的平衡關(guān)系等。這些參數(shù)的變化都會引起傳質(zhì)和傳熱過程的穩(wěn)定和效率，對這些參數(shù)的變化應(yīng)及早克服。石油蒸餾裝置中的檢測與控制應(yīng)當(dāng)指出，對產(chǎn)石油蒸餾裝置中的檢測與控制三、精餾過程的靜態(tài)和動態(tài)特性精餾是一個傳熱和傳質(zhì)的過程，它必然遵循基本的能量和物料守恒原則，所有的影響因素也通過這兩個基本原則影響精餾過程。精餾塔的靜態(tài)特性就反映了影響因素與精餾效果之間的定量關(guān)系；動態(tài)特性則反映了精餾塔各參數(shù)變化時這些參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系以及對精餾過程的動態(tài)影響。這里僅以二元精餾過程為對象討論精餾塔的靜態(tài)和動態(tài)特性。1。精餾塔的靜態(tài)特性1)全塔物料平衡在穩(wěn)態(tài)工況下，進(jìn)塔原料量必須等于引出產(chǎn)品量，即(7-12)輕組分的物料平衡關(guān)系為(7-13)從式(7-12)和式(7-13)可解得

(7-14)

石油蒸餾裝置中的檢測與控制三、精餾過程的靜態(tài)和動態(tài)特性(7-石油蒸餾裝置中的檢測與控制式(7-14)表明，進(jìn)料量在產(chǎn)品中的分配量(或)是決定塔頂和塔底產(chǎn)品中輕組分質(zhì)量濃度XD和XB的主要因素。D/F的改變將直接導(dǎo)致XD和XB的改變。另外XF，進(jìn)料組分質(zhì)量濃度也是一個影響XD和XB的重要因素。2)能量平衡在穩(wěn)態(tài)工況下，通過傳熱和進(jìn)料帶入精餾塔的所有能量必然與通過傳熱和產(chǎn)品帶出的離開塔的能量相平衡。如果不考慮能量損失，能量平衡關(guān)系式為(7-15)上式并未明確表示能量與產(chǎn)品純度的直接關(guān)系，但是式(7-15)中的每一項都將影響塔內(nèi)上升蒸汽量V，而V與產(chǎn)品純度的關(guān)系近似為(7-16)石油蒸餾裝置中的檢測與控制式(7-14)表明，進(jìn)石油蒸餾裝置中的檢測與控制3)內(nèi)部物料平衡對精餾塔內(nèi)部的物料平衡，主要考慮進(jìn)料板、精餾段和提餾段3部分的狀態(tài)。由于精餾過程的影響因素很多，這里只對如圖7.11所示的二元精餾塔在以下假設(shè)的前提下進(jìn)行討論。(1)在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量Vr均相等；(2)在提餾段內(nèi)，通過各層塔板的上升蒸汽流量Vs均相等；Vs=V(V為再沸器內(nèi)蒸汽量)；(3)在精餾段內(nèi)，通過各層塔板的下流液體流量Lr均相等；Lr稱為內(nèi)回流，當(dāng)回流溫度等于塔頂溫度時，內(nèi)回流Lr等于外回流L。圖7.11二元精餾塔各項物料情況(4)在提餾段內(nèi)，通過各層搭板的下流液體流量均相等；(5)回流罐和塔底液位不變；(6)塔壓保持不變。在以上這些條件下，有下述平衡關(guān)系。(1)加料板上的物料平衡為石油蒸餾裝置中的檢測與控制3)內(nèi)部物料平衡圖7.11二石油蒸餾裝置中的檢測與控制(7-17)對于其他情況下的進(jìn)料，則需依據(jù)熱量平衡關(guān)系作相應(yīng)的考慮。(2)精餾段的物料平衡。精餾段的物料平衡關(guān)系如圖7.12所示。對精餾段內(nèi)任一塔板以上作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關(guān)系式為(7-18)

式(7-18)可改寫為(7-19)

上式表明了精餾段內(nèi)任一塔板的氣相濃度與氣液比Lr/Vr和D/Vr之間的關(guān)系。改變氣液比必將使塔板上濃度發(fā)生變化。然而，氣液比除了決定于再沸器上升蒸汽量Vr以外，還決定于回流量Lr與塔頂采出量D。通常將回流量與采出量R之比稱為回流比，即(7-20)石油蒸餾裝置中的檢測與控制(7-17)對于其他情況下的進(jìn)料，石油蒸餾裝置中的檢測與控制

當(dāng)D=0時，稱為全回流。由此可知，要改變精餾塔的操作工藝，應(yīng)操作精餾塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，通過內(nèi)部平衡關(guān)系，使每塊塔板上的濃度改變，從而導(dǎo)致最終產(chǎn)品純度的變化。塔頂和冷凝器的物料平衡關(guān)系為(7-21)

圖7.12精餾段的物料平衡關(guān)系(3)提餾段的物料平衡。其平衡關(guān)系如圖7.13所示。對提餾段內(nèi)任一塔板以下作物料平衡計算，輕組分的物料平衡關(guān)系式為(7-22)式(7-22)亦可改寫為(7-23)石油蒸餾裝置中的檢測與控制當(dāng)D=0時，稱為全石油蒸餾裝置中的檢測與控制通過以上對進(jìn)料板、精餾段、提餾段物料平衡關(guān)系的分析，可知影響精餾過程的主要因素有：進(jìn)料量、進(jìn)料中輕、重組分各自的質(zhì)量濃度、進(jìn)料溫度和進(jìn)料狀態(tài)、再沸器的加熱量、冷凝器的冷卻量、回流量、塔頂引出量、塔底引出量、塔壓。上述各種影響因素中有些是可控制的，有些是不可控制的。一般情況下，進(jìn)料量和進(jìn)料濃度是不可控制的。進(jìn)料溫度和狀態(tài)對塔的操作影響較大，所以在單相進(jìn)料時采用進(jìn)料溫度控制來克服這種擾動，而在兩相進(jìn)料時，則利用控制產(chǎn)出物的焓以克服擾動。對于冷凝器的冷卻量和再沸器的加熱量，一般都用定值控制系統(tǒng)來加以穩(wěn)定。

式(7-23)表明了在提餾段內(nèi)任一塔板上的氣相濃度與氣液比的關(guān)系。同樣，要使塔的操作工況改變，應(yīng)操作塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，從而通過內(nèi)部平衡關(guān)系最終改變產(chǎn)品的純度。塔底和再沸器的物料平衡關(guān)系為(7-24)

圖7.13提餾段物料平衡關(guān)系石油蒸餾裝置中的檢測與控制通過以上對進(jìn)料板石油蒸餾裝置中的檢測與控制總之，從前面對塔的靜態(tài)特性和內(nèi)部平衡關(guān)系的分析，不難看到，為了克服塔的主要擾動，可以通過對以下參數(shù)的控制保證精餾過程的正常進(jìn)行：塔頂采出量、塔底采出量、回流罐排氣量、回流量、再沸器加熱量、冷凝器冷卻量。前三個量是通過影響全塔的物料平衡與塔的內(nèi)部物料平衡來起到控制作用；后三個量直接改變塔的能量平衡關(guān)系和改變塔內(nèi)氣液比，從而起到控制質(zhì)量的作用。2.精餾塔各參數(shù)的動態(tài)影響分析精餾過程受到干擾后上述各參數(shù)對塔操作的影響速度是各不相同的，因此在設(shè)計控制方案時，必須考慮參數(shù)間的動態(tài)影響，才能使控制系統(tǒng)及時克服各參數(shù)對塔操作的影響。由于精餾塔是一個多變量、時變和非線性的對象，各變量之間又存在相互關(guān)聯(lián)，因此定量分析參數(shù)間動態(tài)影響并且建立其數(shù)學(xué)模型是比較困難的，這里僅定性地從幾個側(cè)面分析塔的動態(tài)影響。1)上升蒸汽和回流的影響在精餾塔內(nèi)，上升蒸汽流量變化的響應(yīng)是相當(dāng)快的。由于上升蒸汽只需克服塔板上極薄覆蓋的液相阻力，而塔內(nèi)氣相蓄存量的變化在塔壓一定時可忽略不計，因此上升蒸汽量的變化幾秒內(nèi)就可影響到塔頂。與上升蒸汽造成的影響相比，向下流動的液相的滯后是相當(dāng)大的。這是因為回流量增加時，必須先使塔板上的液相蓄存量增加，然后在增加的液體靜壓作用下，才使離開塔板的液相速度增加，因此時回流量變化的響應(yīng)存在著滯后。石油蒸餾裝置中的檢測與控制總之，從前面對塔的石油蒸餾裝置中的檢測與控制此可見，除頂部塔板外，要使塔的任何一點(diǎn)的氣液比發(fā)生變化，用再沸器的加熱量作為操作變量得到的響應(yīng)要比用回流量作操作量是來得快。2)組分滯后的影響無論是改變上升蒸汽量變化還是改變回流量，都必須通過改變每塊塔板上組分之間的平衡，最終才引起頂部產(chǎn)品或底部產(chǎn)品組分的質(zhì)量濃度的變化。由于組分要達(dá)到靜態(tài)平衡需要較長時間，因此盡管上升蒸汽量變化可以很快影響到塔頂組分的質(zhì)量濃度，但要使塔頂組分的質(zhì)量濃度變化并達(dá)到一個新的平衡仍需花費(fèi)相當(dāng)長的時間。回流變化時花費(fèi)的時間更多。這就是說，塔板上的組分平衡要等到影響組分的液相或氣相流量穩(wěn)定相當(dāng)時間后才能建立。組分滯后是必然存在的，它隨著塔板上液相蓄存量的增加而增加，因而隨塔板數(shù)的增加而增加，也隨著回流比的增加而增加，因為回流比的增加就意味著塔板上蓄液量的增加。由于再沸器加熱量的增加引起上升蒸汽量增加，將會改善氣、液接觸，從而使組分滯后減小。3)回流罐蓄液量和塔釜蓄液量引起的滯后影響由式(7-21)可知，回流量總是等于塔頂汽相流量和塔頂采出量之差。因此，恒定時，控制實質(zhì)上就是改變了回流量。從工藝過程看，必須要經(jīng)過回流罐才能影響到，而回流罐有一定的蓄液量，會使從的變化到的變化產(chǎn)生滯后。液位變化引起

石油蒸餾裝置中的檢測與控制此可見，除頂部塔石油蒸餾裝置中的檢測與控制蓄液量變化，也會嚴(yán)重影響L和D之間的關(guān)系。為此要使Vr，L和D的關(guān)系式成立而且不存在滯后，回流罐的液位必須嚴(yán)格保持恒定，這樣在采用改變D(或D/F)來控制塔頂產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在Vr不變時使回流量L及時跟蹤采出量D的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。類似的過程也發(fā)生在提餾段。塔釜液位變化引起蓄液量變化，從而引起V和B的變化。要使Ls，V和B間的關(guān)系式(7-24)成立，塔釜液位必須嚴(yán)格保持一定。這樣在采用改變B來控制塔底產(chǎn)品質(zhì)量的方案中，才能在Ls不變時使再沸器加熱量所引起的上升蒸汽量V及時跟蹤塔底采出量B的變化，否則將引起滯后，影響控制品質(zhì)。上述動態(tài)影響因素主要影響系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)指標(biāo)，一定要在系統(tǒng)設(shè)計階段充分考慮到對這些因素的克服。四、精餾塔質(zhì)量指標(biāo)的選取精餾塔最直接的質(zhì)量指標(biāo)是產(chǎn)品純度。由于直接檢測產(chǎn)品純度的難度很大，而且測量過程滯后大、檢測儀表可靠性差，所以一般不采用單純測純度的辦法來衡量產(chǎn)品質(zhì)量。目前工業(yè)上常用的方案是通過保證溫度間接保證產(chǎn)品質(zhì)量。這是因為對于二元組分精餾塔來說，固定壓力下的溫度與產(chǎn)品純度間存在著單值的函數(shù)關(guān)系。因此，如果保證壓力恒定，則塔板溫度就能間接反映濃度。對于多元精餾塔來說，雖然情況比較復(fù)雜，但總體上仍然和二元組分精餾塔類似，可以采用溫度指標(biāo)來反映質(zhì)量。那么到底采用塔內(nèi)哪一點(diǎn)的溫度作為間接指標(biāo)才能有效控制產(chǎn)品的質(zhì)量呢？以下介紹幾個常用方案。石油蒸餾裝置中的檢測與控制蓄液量變化，也會嚴(yán)重影響L和D之間石油蒸餾裝置中的檢測與控制1.靈敏板溫度控制從位置上看，似乎塔頂或塔底的溫度最能代表產(chǎn)品質(zhì)量，這種思路在產(chǎn)品純度不高時是合理的。但是，當(dāng)產(chǎn)品純度接近質(zhì)量要求的給定值時，在鄰近塔頂或塔底的各板之間的溫度差已經(jīng)很小。這時，即使塔頂或塔底溫度僅變化0.5℃就可能造成產(chǎn)品質(zhì)量不合要求。因而，對溫度檢測儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，這往往很難滿足的。解決這一問題的方法是在塔頂或塔底與進(jìn)料板之間選擇靈敏板的溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。所謂靈敏板是指塔的操作受擾動或受控制時，塔內(nèi)各板上的物料中各組分的質(zhì)量濃度和溫度都將發(fā)生變化，變化程度各不相同，在達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)后，溫度變化最大的那塊塔板即稱為靈敏板。靈敏板位置可以通過逐板計算或靜態(tài)模型仿真計算，依據(jù)不同操作工況下各塔板溫度分布曲線比較得出。但是由于塔板效率不易估準(zhǔn)，所以最后還須根據(jù)實驗予以確定。2.溫差控制溫差控制適用于精密精餾過程，此時產(chǎn)品純度要求很高，而且塔頂塔底產(chǎn)品的沸點(diǎn)差較小。采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的參數(shù)，是為了消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。因為，在精餾塔控制系統(tǒng)中雖設(shè)置了壓力定值控制，但壓力也總難免有些微小波動，這對一般產(chǎn)品純度要求不太高的精餾塔是可以忽略不計的。但如果是精密精餾，產(chǎn)品純度要求很高，微小的壓力波動對純度的影響就不能再忽略了。也就是說，精密精餾時若用溫度作質(zhì)量指標(biāo)就不能很好地代表產(chǎn)品的質(zhì)量，溫度的變化可能是產(chǎn)品純度和壓力都變化的結(jié)果，為此應(yīng)該考慮補(bǔ)償或消除壓力波動對濃度的影響。石油蒸餾裝置中的檢測與控制1.靈敏板溫度控制在選擇溫差信號時，一個檢測點(diǎn)仍然放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置；另一個檢測點(diǎn)放在主要產(chǎn)品引出點(diǎn)附近(重視塔頂產(chǎn)品質(zhì)量時放在塔頂附近，重視塔底產(chǎn)品時放在塔底附近)，即溫度變化較小的位置；另然后取上述兩測點(diǎn)的溫度差作為被控變量。這里，塔頂或塔底溫度實際上起參比作用，由于壓力變化對兩點(diǎn)溫度都有相同影響，相減之后其壓力波動的影響就幾乎相抵消。溫差控制其實是靈敏板溫度控制的變形，用來消除壓力波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。圖7.14溫差－純度關(guān)系曲線值得注意的是，溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。如圖7.14所示的正丁烷和異丁烷分離塔的溫差ΔT和塔底產(chǎn)品中輕組分質(zhì)量濃度XD之間關(guān)系的示意圖。由圖可見，曲線有最高點(diǎn)，其左側(cè)表示塔底產(chǎn)品純度較高(即輕組分濃度XD較小)情況下，溫差隨著產(chǎn)品純度的增加而減小；其右側(cè)表示在塔底產(chǎn)品不很純的情況下，溫差隨產(chǎn)品純度的降低而減小。為了使控制系統(tǒng)能正常工作，溫差與產(chǎn)品純度應(yīng)該具有單值對應(yīng)關(guān)系。為此，一般將工作點(diǎn)選擇在曲線的左側(cè)，并采取措施使工作點(diǎn)不至進(jìn)入曲線的右側(cè)。為了使控制器的正常工作范圍在曲線最高點(diǎn)的左側(cè)，在使用溫度控制時，控制器的給定值不能太大，干擾量(尤其是加熱蒸汽量的波動)也不能太大，以防止工作狀態(tài)變到如圖7.14所示的曲線最高點(diǎn)的右側(cè)，致使控制器無法正常工作。石油蒸餾裝置中的檢測與控制在選擇溫差信號時，一個檢測點(diǎn)仍然放在靈敏板附石油蒸餾裝置中的檢測與控制3.雙溫差控制溫差控制可以克服由于塔壓波動對塔頂(或塔底)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但是它還存在一個問題：就是當(dāng)負(fù)荷變化時，會導(dǎo)致塔板間的壓降產(chǎn)生變化，而且任意兩塊相鄰塔板間的壓降也不相同。塔板間壓降的分布將會影響兩塊塔板間溫差的不同。這時溫差和組分間就不呈單值對應(yīng)關(guān)系，溫差控制方案就無法發(fā)揮作用，在這種情況下可以采用雙溫差控制。工藝分析表明，如果塔頂?shù)闹亟M分質(zhì)量濃度較高，就會使全塔溫度偏高，在負(fù)荷變化時精餾段的溫度變化更為明顯，其中又有一塊塔板溫度變化最快，稱此塊塔板為精餾段的靈敏板，該板位于進(jìn)料板之上。如果在精餾段靈敏板處測量溫度并組成溫差控制，則可以得到高純度的塔底產(chǎn)品。相反，如果塔底的輕組分質(zhì)量濃度較高，靈敏板就位于進(jìn)料板之下，稱為提餾段靈敏板。無論負(fù)荷怎樣變化，塔內(nèi)溫度變化最明顯的地方總在這兩塊靈敏板上。再把塔頂和塔底出溫度變化最不明顯的塔板分別叫作精餾段參照板和提餾段參照板。如果能分別將塔頂、塔底兩個參照板與兩個靈敏板之間的溫度梯度控制穩(wěn)定，就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控制方法的基礎(chǔ)

圖7.14溫差－純度關(guān)系曲線石油蒸餾裝置中的檢測與控制3.雙溫差控制圖7.14溫石油蒸餾裝置中的檢測與控制雙溫差控制亦稱溫差差值控制，其控制原理圖如圖7.15所示。

圖7.15雙溫差控制方案五、精餾過程的基本控制方案精餾塔內(nèi)的精餾過程是一個非常復(fù)雜的過程，牽涉到的變量很多，可以選擇為被控變量的數(shù)量很大，可以選擇為操作變量的也很多，這樣就形成了各式各樣的控制方案。但無論這些控制方案的形式如何，其的控制目標(biāo)都是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足規(guī)定的質(zhì)量要求，用到的基本原理也仍然是能量和物料平衡的基本原理。這里將這些控制方案進(jìn)行分類討論。為使問題簡化，這里僅討論塔頂和塔底產(chǎn)品均為液相時的基本控制問題。1.物料平衡控制石油蒸餾裝置中的檢測與控制雙溫差控制亦稱溫差差值控制，其控制石油蒸餾裝置中的檢測與控制物料平衡控制方式并不對塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行直接的控制，而依據(jù)精餾塔的物料平衡及能量平衡關(guān)系進(jìn)行間接控制。按照物料平衡原則可以設(shè)計出如圖7.16～圖7.18所示的幾種控制系統(tǒng)。圖7.16精餾塔物料平衡控制方案之一圖7.17精餾塔物料平衡控制方案之二圖7.18精餾塔物料平衡控制方案之三石油蒸餾裝置中的檢測與控制物料平衡控制方式并石油蒸餾裝置中的檢測與控制顯然，上述物料平衡控制適用于進(jìn)料成分恒定或變化不大的場合，同時，要求進(jìn)料溫度或焓變化不大。當(dāng)進(jìn)料溫度或焓的變化足以影響塔的產(chǎn)品質(zhì)量時，則需要設(shè)置相應(yīng)的溫度或焓控制系統(tǒng)；而當(dāng)進(jìn)料成分波動較大時，則需要對產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行直接控制。2.控制一端產(chǎn)品質(zhì)量對于具有兩個液相產(chǎn)品的精餾塔，可采用嚴(yán)格控制一端產(chǎn)品質(zhì)量，而讓另一端產(chǎn)品質(zhì)量浮動(即不加以控制)的辦法。該方案的原理是：根據(jù)物料平衡原則，一端產(chǎn)品的濃度固定后，另一端產(chǎn)品的濃度也應(yīng)該是可知的，若固定塔頂產(chǎn)品的純度，塔底產(chǎn)品純度的變動也不會太大；反之亦然。當(dāng)然，該方案沒有考慮塔內(nèi)物料的存儲量變化，所以，它只適合于擾動不很大的情況。對沒有進(jìn)行控制的一端的產(chǎn)品質(zhì)量可用靜態(tài)特性關(guān)系估計出它的變化范圍。根據(jù)控制的產(chǎn)品不同，該方案可分為對精餾段指標(biāo)控制和對提餾段指標(biāo)控制1)按精餾段指標(biāo)控制當(dāng)塔頂采出液為主要產(chǎn)品時，往往對精餾段指標(biāo)進(jìn)行控制。這時，可取精餾段某靈敏板溫度作為被控變量，而以回流量、塔頂采出量或再沸器上升蒸汽量作為操縱變量。系統(tǒng)可以采用單回路控制或者溫度-流量串級控制。串級控制方式雖較復(fù)雜，但可迅速有效地克服進(jìn)入副環(huán)的擾動，并可降低對控制閥特性的要求，適合精密控制的要求。石油蒸餾裝置中的檢測與控制顯然，上述物料平衡石油蒸餾裝置中的檢測與控制采用這類控制方案時，在L，D，V(或QH)和B四者之中，選擇一個作為控制產(chǎn)品質(zhì)量的手段，選擇另一個保持流量恒定，其余兩個變量則按回流罐和塔底的物料平衡關(guān)系由液位控制器加以控制。對應(yīng)的控制流程圖如圖7.19和圖7.20所示。圖7.19精餾段能量平衡控制方案圖7.19所示方案的特點(diǎn)是控制作用滯后小，反應(yīng)迅速，對克服進(jìn)入精餾段的擾動和保證塔頂產(chǎn)品是有利的，這是精餾塔控制中最常用的方案。此方案通過直接控制塔內(nèi)能量平衡關(guān)系以實現(xiàn)對分離精度的控制，稱為“精餾段能量平衡控制方案”?；亓髁坎▌硬焕诰s塔的平穩(wěn)操作,所以方案中由溫度控制器對回流量進(jìn)行控制。在確定溫度調(diào)節(jié)器的控制算法時，要避免使用微分控制，只須比例積分控制即可，防止由微分調(diào)節(jié)規(guī)律引起波動。

石油蒸餾裝置中的檢測與控制采用這類控制方案時，在L，D此外，再沸器加熱量需要保持恒定而且要有足夠的量值，以便塔在最大負(fù)荷時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。圖7.20所示的方案則通過調(diào)整全塔物料平衡關(guān)系以控制塔頂產(chǎn)品的純度，被稱為“精餾段物料平衡控制方案”。該方案的優(yōu)點(diǎn)是有利于精餾塔的平穩(wěn)操作，這是因為在回流比較大時控制D要比控制L靈敏。此外還有一個優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格時，如采用有積分作用的控制器，則塔頂采出量D會自動暫時中斷，進(jìn)行全回流，這樣可保證得到的產(chǎn)品是合格的。然而該方案溫度控制回路滯后較大，反應(yīng)較慢，從采出量D的改變到溫度變化，要通過回流罐液位控制回路來實現(xiàn)，必然引入滯后，特別是回流罐容積較大時，反應(yīng)更慢，給控制質(zhì)量的提高帶來了困難。此外，同樣要求再沸器加熱量足夠大，以使塔在最大負(fù)荷時仍能保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。石油蒸餾裝置中的檢測與控制圖7.20精餾段物料平衡控制方案此外，再沸器加熱量需要保持恒定而且要有足夠的量值，以便塔在最石油蒸餾裝置中的檢測與控制2)按提餾段指標(biāo)控制當(dāng)主要產(chǎn)品為塔底液時，就要按提餾段指標(biāo)控制。如果是液相進(jìn)料，也常采用這類方案。這是因為在液相進(jìn)料時，進(jìn)料量F的變化，首先影響到塔底產(chǎn)品濃度XB，塔頂或精餾段塔板上的溫度不能很快地反映濃度的變化，所以用提餾段控制比較及時?？梢圆捎玫目刂品桨溉鐖D7.21和圖7.22所示。圖7.21提餾段能量平衡控制方案圖7.22提餾段物料平衡控制方案石油蒸餾裝置中的檢測與控制2)按提餾段指標(biāo)石油蒸餾裝置中的檢測與控制圖7.21所示的方案通過控制再沸器加熱量來控制塔內(nèi)上升蒸汽量V，同時保持回流量L為定值。此時，D和B都是按物料平衡關(guān)系，由液位控制器控制。對于提餾段靈敏板溫度而言，該方案采用再沸器加熱量QH作為操縱量，在動態(tài)響應(yīng)上要比操作回流量的滯后小，反應(yīng)迅速，對克服進(jìn)入提餾段的擾動和保證塔底產(chǎn)品質(zhì)量有利，因此該方案成為應(yīng)用最廣的精餾塔控制方案?？墒窃摲桨钢械幕亓髁坎捎枚ㄖ悼刂疲⑶乙３肿銐虻牧恐?，以便當(dāng)塔的負(fù)荷最大時仍能保證產(chǎn)品質(zhì)量。一旦回流量不足就容易引起液泛，造成塔的操作異常。圖7.22所示的方案控制塔底采出量B，同時保持回流量L為定值。此時，D是按回流罐的液位來控制，再沸器蒸汽量由塔釜液位來控制。該控制D方案正像前面所述的按精餾段溫度來控制的方案那樣，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一定的弱點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)塔底采出量B較少時，操作比較平穩(wěn)；當(dāng)采出量B不符合質(zhì)量要求時，會自行暫停出料。缺點(diǎn)是滯后較大且液位控制回路存在反向特性。此外，同樣要求回流量應(yīng)足夠大，以保證在最大負(fù)荷時的產(chǎn)品質(zhì)量。如上所述，無論是按精餾段指標(biāo)還是按提餾段指標(biāo)進(jìn)行控制，雖然都可用改變物料或能量平衡的方法最終達(dá)到控制靈敏板溫度的目的，但由于它們有各自的特點(diǎn)，因此應(yīng)用的場合也有所不同。石油蒸餾裝置中的檢測與控制圖7.21所示的方石油蒸餾裝置中的檢測與控制首先，回流比較高時，頂部產(chǎn)品量與塔內(nèi)部的氣相和液相流量相比較小，若采用能量平衡控制系統(tǒng)，則再沸器加熱量或回流量的微小波動都會引起頂部采出量很大變化(百分比)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。而且用很小的頂部產(chǎn)品流量也不能使回流罐液位得到有效的控制?？梢?，當(dāng)頂部產(chǎn)品流量很小或回流比很高時，應(yīng)當(dāng)采用以頂部產(chǎn)品流量為操縱變量的物料平衡控制方案。根據(jù)同樣的理由，當(dāng)?shù)撞慨a(chǎn)品采出量很小時，應(yīng)該采用以底部產(chǎn)品流量為操縱變量的物料平衡控制方案。其次，采用改變物料平衡來控制溫度的控制方案，具有使溫度對再沸器加熱量和進(jìn)料熱焓等能量擾動不靈敏的優(yōu)點(diǎn)，使塔的抗擾動能力提高，它減少了這些能量擾動對塔內(nèi)部能量關(guān)系的影響，也就減小了這些能量擾動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。再次，在對進(jìn)料流量等擾動設(shè)置前饋控制系統(tǒng)時，采用物料平衡控制的方案，可以方便地按塔的物料平衡和能量關(guān)系式建立靜態(tài)前饋模型。最后，用改變物料平衡來控制溫度的方案，類似于傳統(tǒng)的物料平衡控制方案。兩者的區(qū)別是前者用溫度控制器來改變物料量，后者是保持該物料量一定。因此，從溫度控制切換到傳統(tǒng)的物料平衡控制非常方便。這給實際生產(chǎn)中靈活地應(yīng)用和改變控制方案帶來了方便。然而，與能量平衡控制方案相比，物料平衡控制方案也有其弱點(diǎn)。石油蒸餾裝置中的檢測與控制首先，回流比較高時石油蒸餾裝置中的檢測與控制首先，用改變物料平衡來控制溫度(或其他質(zhì)量指標(biāo))要比用改變能量平衡控制溫度來得緩慢。這是因為從物料平衡改變到溫度變化要間接地通過液位控制回路來實現(xiàn)。當(dāng)液位控制器使用比例控制時，液位控制回路相當(dāng)于一個一階滯后環(huán)節(jié)，從而使溫度(或質(zhì)量)控制不夠及時。容器容積越大，滯后的影響也就更嚴(yán)重。減小液位回路滯后的方法可以是增大液位控制器的增益，然而這樣做會使液位測量中的噪音放大，所以放大倍數(shù)的增加是有限的。更好的方法是采用圖7.23所示的方案。在這個方案中，溫度控制非常及時，克服了液位回路滯后對溫度(或質(zhì)量)控制的影響。此方案也可看做是物料平衡和能量平衡控制方案的結(jié)合。圖7.23克服回流罐滯后的控制方案3.按兩端質(zhì)量指標(biāo)控制當(dāng)頂部和底部產(chǎn)品均需符合質(zhì)量規(guī)格時，有兩個選擇：一是用兩個質(zhì)量控制系統(tǒng)分別對兩個產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)加以控制；二是只對一端產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行控制的方案，同時通過增大回流比(或再沸比)保證另一端產(chǎn)品質(zhì)量。兩者的區(qū)別在于前一個方案可以使操作成本特別是能耗減小。兩端質(zhì)量控制可使用的方案有3種，其控制流程圖如圖7.24～圖7.26所示。石油蒸餾裝置中的檢測與控制首先，用改變物料石油蒸餾裝置中的檢測與控制圖7.24兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之一圖7.25兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之二圖7.26兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案之三石油蒸餾裝置中的檢測與控制圖7.24兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制方案石油蒸餾裝置中的檢測與控制在圖7.24所示的控制方案中，塔頂、塔底產(chǎn)品質(zhì)量均采用能量平衡加以控制。由精餾工藝可知，當(dāng)改變回流量時，不僅影響塔頂溫度，同時也引起塔底溫度的變化。同樣，控制塔底再沸器加熱量時，也將影響到塔頂溫度的變化。所以塔頂和塔底兩個溫度控制系統(tǒng)之間存在著耦合關(guān)系。在另外兩種質(zhì)量控制方案中，控制回路之間同樣會存在明顯的耦合。當(dāng)耦合程度不嚴(yán)重時，可以通過調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定使耦合回路的工作頻率拉開，以減弱耦合強(qiáng)度；如果耦合嚴(yán)重，則必須進(jìn)行解耦。由于精餾塔是一個非線性嚴(yán)重的多變量過程，精確求取動態(tài)特性相當(dāng)困難，有時甚至是不可能的，所以一般只實施靜態(tài)解耦，然后再作必要的動態(tài)補(bǔ)償。石油蒸餾裝置中的檢測與控制在圖7.24所示的傳熱設(shè)備的控制一、傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特性在工業(yè)生產(chǎn)中，有許多生產(chǎn)過程都要求物料產(chǎn)生必要的物理或化學(xué)變化，這些變化中往往會對物料的溫度提出一定的要求。例如，蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶等過程都需要根據(jù)工藝要求使物料維持一定的溫度；還有某些化學(xué)變化過程，為了保證反應(yīng)的正常進(jìn)行，更需要嚴(yán)格控制反應(yīng)物或者催化劑的溫度。在這些控制溫度的場合，不可避免地要對物料進(jìn)行加熱或散熱，這個過程統(tǒng)稱為傳熱過程。它是工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的環(huán)節(jié)，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)正常運(yùn)行有重要的意義。傳熱過程通常是在被稱為傳熱設(shè)備的裝置中進(jìn)行的，只要對傳熱設(shè)備實施了有效地控制，也就能使傳熱過程的效果滿足要求，最終保證物料溫度。本節(jié)將先針對比較簡單的間接換熱過程中傳熱設(shè)備控制問題作討論，然后介紹工業(yè)過程中常用的加熱爐設(shè)備及其控制方式。1.傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型從物理上講，熱量的交換有直接和間接兩種方式。直接換熱是指加熱流體與被加熱流體直接接觸，以達(dá)到加熱或冷卻的目的。間接換熱是指兩種流體被換熱設(shè)備的器壁所間隔，不直接接觸。在間接換熱中，熱量首先高溫流體傳給器壁，器壁再把熱量傳向低溫流體。在化工生產(chǎn)過程中，一般以間接換熱較為常見。換熱設(shè)備的常見結(jié)構(gòu)類型有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等四種，如圖7.27所示。傳熱設(shè)備的控制一、傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特性傳熱設(shè)備的控制圖7.27傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型傳熱設(shè)備的控制圖7.27傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型傳熱設(shè)備的控制2.熱量傳遞的三種方式熱交換過程中，熱量的傳遞方向總是由高溫物體傳向低溫物體，熱傳遞的動力來自于物體之間的溫度差，溫度差越大，傳熱速率(單位時間內(nèi)傳遞的熱量)也就越大。眾所周知，熱傳遞的基本方式有3種：傳導(dǎo)、對流、輻射。下面要討論這3種熱傳遞方式的機(jī)理和特點(diǎn)。1)熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)的穩(wěn)定導(dǎo)熱(導(dǎo)熱量不隨時間而變化)基本定律為(7-25)式(7-25)稱為傅里葉定律。它表明單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度和垂直于熱流方向的截面積成正比。式中負(fù)號表示熱流方向總是與溫度梯度的方向(即溫度上升的方向)相反。對于單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，對應(yīng)的傳熱速率為(7-26)

傳熱設(shè)備的控制2.熱量傳遞的三種方式(7-25)傳熱設(shè)備的控制由此式可知，在單位時間內(nèi)通過單層平壁傳導(dǎo)的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)、傳導(dǎo)面積和平壁兩側(cè)的溫差成正比，而與平壁的厚度成反比。如果令R=B/λF，并稱其為導(dǎo)熱過程的熱阻，則上式又可改寫成上式為傳熱過程速率與其過程推動力及阻力之間關(guān)系的一般表達(dá)式，從形式上可以看出，它和電學(xué)中的歐姆定律非常相似，所以該式又被稱為傳熱過程的歐姆定律。對于由不同厚度、不同導(dǎo)熱系數(shù)的材料所組成的多層平壁，假設(shè)每層的熱阻分別為R1，R2…Rm，則總的熱阻可以認(rèn)為是所有熱阻的串聯(lián)。如果熱阻最內(nèi)側(cè)與最外側(cè)的表面溫度分別為t1,tm+1，則通過各層的傳熱速率為(7-27)

(7-28)

傳熱設(shè)備的控制由此式可知，在單位時間內(nèi)通過單傳熱設(shè)備的控制2)對流傳熱對流傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中多見于流體與固體壁之間的傳熱，其傳熱速率與流體性質(zhì)及流動邊界的狀況密切相關(guān)。為便于分析和計算，牛頓首先提出了壁面與流體間對流傳熱速率的表達(dá)式：同樣，熱流體與壁面之間的對流傳熱速率為根據(jù)式(7-25)，冷流體與壁面之間的對流傳熱速率為

(7-29)

(7-30)(7-31)

影響對流傳熱膜系數(shù)的因素很多，包括流體的種類、性質(zhì)、運(yùn)動狀況以及流體對流的狀況(自然對流或強(qiáng)制對流)。例如，考慮流體的種類時，就會注意到蒸汽冷凝傳熱膜系數(shù)較大，液體的傳熱膜系數(shù)較小，而氣體的傳熱膜系數(shù)最小。這個特性直接要求設(shè)計人員在蒸汽加熱器中必須注意冷凝水與蒸汽中不凝性氣體的排除，防止這些低傳熱系數(shù)的物質(zhì)阻礙傳熱過程，降低傳熱效率

傳熱設(shè)備的控制2)對流傳熱同樣，熱流體與壁面之間的對流傳熱傳熱設(shè)備的控制3)熱輻射熱傳導(dǎo)和對流的過程都需要靠物體的直接接觸來傳遞熱量，也就是說，傳導(dǎo)與對流必需有物質(zhì)作為媒介才能發(fā)生。而熱量的另外一種傳遞方式——輻射傳熱則完全不同，它不需要通過任何介質(zhì)來傳遞，可以穿越真空進(jìn)行，典型的例子就是太陽向地球表面的輻射能量過程就是熱輻射。熱輻射指的是熱能以輻射能的形式向空間發(fā)射，到達(dá)另一物體后，被吸收一部分同時又反射一部分，被吸收的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這樣的熱傳遞過程就稱為熱輻射。因此，熱輻射在熱量的傳遞過程中伴有能量形式的轉(zhuǎn)化過程，即熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，輻射能又轉(zhuǎn)化成熱能。事實上，任何物體都能輻射向外能量，物體的溫度越高，其熱輻射現(xiàn)象就越明顯。當(dāng)物體的溫度較低時，輻射能很小，熱輻射現(xiàn)象可以忽略。能夠全部吸收輻射能量的物體被稱作絕對黑體或簡稱黑體，其表面向外界輻射出的能量用下式表示(7-32)

上式可以看出，單位時間內(nèi)黑體所發(fā)出的輻射能是與其自身溫度的四次方成正比的。所以，高溫黑體的輻射能比較強(qiáng)而低溫黑體的輻射能比較弱，往往可以忽略不計。傳熱設(shè)備的控制3)熱輻射(7-32)傳熱設(shè)備的控制對黑體是一種理想物體，自然界中是不存在絕對黑體的。在工業(yè)過程中遇到的物體大多都可以看成是灰體?；殷w指的是以相同的吸收率吸收全部波長輻射能的物體，其特性體現(xiàn)在兩方面，一是它對輻射能的吸收無選擇性，能吸收全部波長范圍的輻射；二是它不能吸收所有的輻射能，即吸收率小于１。經(jīng)實驗證明，灰體在單位時間內(nèi)的輻射能量可表示為(7-33)

熱輻射可以是單向的也可以是雙向的，工業(yè)上就經(jīng)常遇到兩固體間相互熱輻射的情況。當(dāng)一個物體對外輻射出的能量被另一物體部分或全部阻擋時，被攔截的輻射能只能部分被阻擋物所吸收，其余的輻射能則被反射出去。反射出來的輻射能有一部分返回原物體，被原物體部分?jǐn)r截后又被原物體部分吸收和反射。這樣，在兩物體之間就存在多次反射和吸收的傳熱過程。從理論上來講，這樣的來回反射和吸收的過程將會無休止的進(jìn)行下去，但在實際情況中，多次反射后的能量已經(jīng)達(dá)為減小，可以忽略不計，所以往往只計算前若干次反射過程的能量轉(zhuǎn)化情況。無論在單向輻射還是雙向輻射過程中，總的能量流動方向總是由高溫物體指向低溫物體，凈傳熱量大小與兩物體的溫度、形狀、相對位置以及物體本身的性質(zhì)有關(guān)。傳熱設(shè)備的控制對黑體是一種理想物體，自然界中傳熱設(shè)備的控制對于面積均為F的兩平行壁面之間的輻射傳熱，其傳熱速率為

(7-34)

(7-35)

前面簡單敘述了熱量傳遞3種方式的主要機(jī)理。必須指出，在絕大多數(shù)傳熱設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行的實際傳熱過程中，幾乎沒有僅以一種傳熱方式單獨(dú)傳熱的情況，往往是由兩種或3種方式綜合而成的。例如：在工業(yè)過程中常用的間壁式熱交換器的工作溫度不是很高，這時候就可以忽略熱輻射的過程，認(rèn)為傳熱過程是對流和熱傳導(dǎo)的組合。而管式加熱爐的輻射室溫度相當(dāng)高，這時的傳熱過程就以熱輻射為主，輻射室的有效傳熱量大致為全爐總熱負(fù)荷的70%～80%；但在管式加熱爐的對流室中，傳熱方式卻又以對流傳熱為主。所以總體來看，管式加熱爐中的傳熱過程是綜合傳導(dǎo)、對流及熱輻射三種方式的復(fù)合過程。傳熱設(shè)備的控制對于面積均為F的兩平行壁面之間的輻射傳熱，其傳傳熱設(shè)備的控制3.傳熱設(shè)備的動態(tài)特性1)傳熱設(shè)備的分布參數(shù)特性分布參數(shù)特性是指影響對象輸出變量大小的不僅有常規(guī)的輸入變量和時間，還有對象內(nèi)部各點(diǎn)的物理位置。根據(jù)物料相變情況，傳熱設(shè)備大致可以分為以下幾種。(1)在換熱過程中，傳熱壁面兩側(cè)流體都無相變，而且當(dāng)兩側(cè)流體都沒有軸向混合時，兩側(cè)的溫度都將是距離和時間的函數(shù)，也就是說兩側(cè)都是分布參數(shù)對象，一般列管式換熱器、套管式換熱器都屬于此類。(2)在換熱過程中，傳熱壁面兩側(cè)流體都發(fā)生相變，則兩側(cè)的溫度皆可近似為集中參數(shù)，不必作為分布參數(shù)處理，典型的例子就是精餾塔的再沸器。相變(汽化或冷凝)的特點(diǎn)是流體溫度取決于所處壓力，而不是取決于傳熱量。(3)在換熱過程中，傳熱壁面兩側(cè)流體中如果有一側(cè)發(fā)生相變，則發(fā)生相變的一側(cè)視為集中參數(shù)，另一側(cè)需視具體情況而定，例如列管式蒸汽加熱器、氨冷凝器等。由上所述，不少傳熱對象具有分布參數(shù)特性，這類對象的動態(tài)數(shù)學(xué)須用偏微分方程來表示，然后求解獲得其特性。這樣做的好處在于模型比較精確，得到的對象特性比較準(zhǔn)確，但整個過程比較復(fù)雜和煩瑣。雖然有時亦可用集中參數(shù)模型來近似以避免煩瑣的求解過程，但精度會差很多，例如把當(dāng)對象的進(jìn)出口溫度不同時，可以把各點(diǎn)溫度的平均值作為流體的近似溫度來對待。傳熱設(shè)備的控制3.傳熱設(shè)備的動態(tài)特性傳熱設(shè)備的控制2)純滯后時間及熱慣性較大在實際生產(chǎn)過程中，許多情況下都不允許冷熱兩流體直接接觸，即不允許在傳熱過程中伴隨有物質(zhì)交換過程。因此，為達(dá)到傳熱目的，只能采用間壁式換熱器。在間壁式換熱器中，熱流體的熱量通過對流傳熱傳給間壁，再由間壁將熱量以對流方式傳給冷流體。因此，間壁式傳熱設(shè)備屬典型的多容對象，這類設(shè)備一般都帶有較大的容量滯后，但可以近似地認(rèn)為是具有純滯后環(huán)節(jié)的多容對象。傳熱設(shè)備的自動控制系統(tǒng)中的滯后不僅來自于被控對象，而且來自于測溫元件。在所有的測量儀表中，測溫元件的測量滯后是比較顯著的。例如常用熱電偶、熱電阻等測溫元件，為了保護(hù)其不致?lián)p壞或被介質(zhì)腐蝕，一般均加有保護(hù)套管，這樣就增加了測溫元件的測量滯后，因此測溫元件的測量滯后也給傳熱設(shè)備的自動控制系統(tǒng)增加了滯后時間。傳熱過程的與流量、壓力的變化過程有明顯的不同，那就是傳熱過程的速度相當(dāng)慢，被加熱(或冷卻)物料的溫度變化很不明顯，反映出被控對象具有很大的熱慣性。這種較大的熱慣性對物料保持自身溫度穩(wěn)定是有好處的，但是對于必要的溫度改變來說，卻是一個缺點(diǎn)。為了盡快改變物料溫度，在其他條件不變的情況下，必須加大傳熱過程的推動力即熱流和冷流之間的溫度差，這就會耗費(fèi)更多的能量。二、換熱器的控制傳熱設(shè)備的控制2)純滯后時間及熱慣性較大傳熱設(shè)備的控制在確定換熱器的控制方案之前，首先要先明確換熱器的工作目的，然后確定其被控變量和操作變量，最后制定控制方案。1.換熱器的換熱目的根據(jù)工藝要求的不同，換熱器的工作目的一般可以分為以下幾種：1)調(diào)整工藝介質(zhì)的溫度，使之達(dá)到生產(chǎn)要求，為后續(xù)工段提供必要條件。例如，在合成氨生產(chǎn)中，脫硫、變換等生產(chǎn)過程的原料氣體溫度就有明確的要求。2)維持生產(chǎn)過程的溫度范圍，使生產(chǎn)過程能夠穩(wěn)定進(jìn)行。這種要求經(jīng)常在化學(xué)反應(yīng)過程中體現(xiàn)出來。為達(dá)到這一目的，應(yīng)該給物料增加熱量或吸收物料釋放的熱量。例如合成氨生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化反應(yīng)就是一個強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，必須為物料提供足夠的熱量，才能維持轉(zhuǎn)化反應(yīng)的進(jìn)行。而聚氯乙烯的聚合反應(yīng)則是一個放熱反應(yīng)，要用冷卻水除去反應(yīng)中釋放出的熱量，才能保證反應(yīng)按要求進(jìn)行下去。3)為改變物料的相態(tài)而進(jìn)行換熱。這種過程中必然需要熱量的交換，汽化需要加熱，冷凝會放熱。例如常見的空氣分離過程，就必須吸收因空氣被液化而釋放的熱量。4)回收熱量?；厥諢崃渴菫榱斯?jié)約能源、降低成本，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益。2.確定被控變量和操作手段

傳熱設(shè)備的控制在確定換熱器的控制方案之前，傳熱設(shè)備的控制換熱目的的不同決定了被控變量的不同。在大多數(shù)情況下，換熱過程的被控變量是溫度，例如圖7.28(a)中所示的蒸汽加熱器自動控制系統(tǒng)。為了使被加熱的工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，常常取換熱器出口的物料溫度作為被控變量，利用調(diào)節(jié)加熱蒸汽量的方法使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。當(dāng)工藝要求不同而且溫度與其他變量間的關(guān)系明確時，被控變量也可以換成流量、壓力、液位等其他變量。例如被加熱的工藝介質(zhì)流量、入口溫度及加熱蒸汽的能量水平都比較穩(wěn)定且對出口溫度要求不是很高時，就可以根據(jù)能量守恒原則，取加熱蒸汽流量(或壓力)作為被控變量，組成如圖7.28(b)所示的流量(或壓力)單回路定值控制系統(tǒng)。絕大多數(shù)的溫度控制系統(tǒng)都是為上述(1)、(2)兩個目的服務(wù)的。而目的(3)實際上所需的變量是熱量，一般可取載熱體的流量作為被控變量。對于一般熱量回收系統(tǒng)，由于不對正常生產(chǎn)產(chǎn)生明顯影響，往往不需要對其參數(shù)加以自動控制。傳熱過程的基本方程式可知，為保證出口溫度平穩(wěn)，滿足工藝生產(chǎn)的要求，必須對傳熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑。傳熱設(shè)備的控制換熱目的的不同決定了被控變量的傳熱設(shè)備的控制(a)被控變量是溫度(b)被控變量是流量(或壓力)圖7.28蒸汽加熱器的控制系統(tǒng)傳熱設(shè)備的控制(a)被控變量是溫度(b)被傳熱設(shè)備的控制

(1)調(diào)節(jié)加熱物質(zhì)流量，如圖7.29(a)所示。調(diào)節(jié)加熱物質(zhì)的流量大小，實質(zhì)是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和ΔTm平均溫差。如果加熱物質(zhì)在加熱過程中不發(fā)生相變，則主要通過改變傳熱速率方程中傳熱系數(shù)來改變傳熱速率；如果加熱物質(zhì)在傳熱過程中發(fā)生相變，則主要是通過來改變傳熱速率ΔTm。這種控制方案在間接加熱的場合是最常見的。(2)調(diào)節(jié)傳熱平均溫差ΔTm，如圖7.29(b)所示。與前一種方案相比，這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是滯后較小，反應(yīng)迅速，所以其應(yīng)用也比較廣泛。圖中，調(diào)節(jié)罐內(nèi)存儲的氨氣量將改變改變液氨壓力與對應(yīng)的平衡溫度，進(jìn)而改變間壁兩側(cè)流體的平均溫差，從而將工藝介質(zhì)出口溫度穩(wěn)定在要求值。(3)調(diào)節(jié)傳熱面積F，如圖7.29(c)所示。改變罐內(nèi)冷凝液的液位將引起罐內(nèi)蒸汽空間大小，進(jìn)而改變傳熱面積F，導(dǎo)致介質(zhì)溫度變化。這種方案的缺點(diǎn)是滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。(4)將工藝介質(zhì)部分旁路方案，如圖7.30所示。在該方案中，一部分工藝介質(zhì)經(jīng)過換熱，另一部分不經(jīng)換熱，由旁路管道越過換熱器，然后與經(jīng)過換熱的介質(zhì)混合。該方案的特點(diǎn)是反應(yīng)迅速及時，但同時也帶來了加熱物質(zhì)流量一直處于高負(fù)荷狀態(tài)，這在采用專門的加熱劑或制冷劑時是不經(jīng)濟(jì)的。然而當(dāng)本方案用于某些熱量回收系統(tǒng)時，加熱介質(zhì)是某種能量有余工藝介質(zhì)，這時就可以不考慮經(jīng)濟(jì)性的問題了。傳熱設(shè)備的控制(1)調(diào)節(jié)加熱物質(zhì)流量，如圖7.29(a)傳熱設(shè)備的控制(a)調(diào)節(jié)載熱體流量(b)調(diào)節(jié)傳熱平均溫差(c)調(diào)節(jié)傳熱面積圖7.29調(diào)節(jié)傳熱量的三種方案圖7.30將工藝介質(zhì)部分旁路的方案傳熱設(shè)備的控制(a)調(diào)節(jié)載熱體流量傳熱設(shè)備的控制3.確定控制方案在設(shè)計傳熱設(shè)備自動控制方案時，要視具體傳熱設(shè)備的特點(diǎn)和工藝條件而定。例如大部分蒸汽加熱器的操縱變量是加熱蒸汽流量。而在換熱器的傳熱面積裕量較大時，如果被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度要求不高，又采用低壓蒸汽作加熱物質(zhì)，則往往以冷凝液流量作為操縱變量來調(diào)節(jié)傳熱面積，這樣做的好處在于能夠保證出口溫度穩(wěn)定及冷凝液排出暢通。大多數(shù)情況下，當(dāng)被加熱(或制冷)介質(zhì)自身的流量和初始溫度都比較穩(wěn)定時，采用單回路控制方式就能較好地滿足控制要求。這時，由于傳熱設(shè)備滯后和慣性都比較大，控制算法中引入微分作用往往是必要的，這樣可以明顯地加快過渡過程，減小動態(tài)誤差，從而改善控制品質(zhì)。如果單回路控制系統(tǒng)無法滿足控制要求，則可以進(jìn)一步引入復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級、前饋或更加復(fù)雜的復(fù)合系統(tǒng)。例如圖7.29(a)所示的蒸汽加熱系統(tǒng)中，當(dāng)蒸汽閥前壓力波動較大時，可采用如圖7.31(a)所示的被加熱介質(zhì)出口溫度與加熱蒸汽流量組成的串級系統(tǒng)，或采用如圖7.31(b)所示的介質(zhì)出口溫度與蒸汽壓力組成的串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)可以快速有效地克服加熱蒸汽方面的干擾。如果主要擾動來自生產(chǎn)負(fù)荷變化，則可以將介質(zhì)流量信號作為前饋信號引入反饋系統(tǒng)，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。這種方案非常有效的方案，可獲得更好的控制品質(zhì)。例如圖7.32所示的變比值串級控制方案，就引入了工藝介質(zhì)流量作為前饋信息，這樣做的好處是一方面可大大減少生產(chǎn)負(fù)荷變化對出口溫度控制質(zhì)量的影響，另一方面可克服控制通道增益隨負(fù)荷變化所造成的非線性，從而更好地滿足工藝生產(chǎn)的要求。傳熱設(shè)備的控制3.確定控制方案傳熱設(shè)備的控制圖7.31換熱器出口溫度的串級控制方案圖7.32換熱器出口溫度的變比值串級控制方案傳熱設(shè)備的控制圖7.31換熱器出口溫度的串級控制方案圖7傳熱設(shè)備的控制三、加熱爐的控制管式加熱爐是在化工生產(chǎn)中常見的加熱設(shè)備，為后續(xù)工序提供溫度合適的原料。若加熱爐的溫度控制不穩(wěn)，就會使被加熱物料溫度的高低變化，直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量；如果爐子的溫度太高，又會使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦而燒壞爐管。另外，加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長爐管使用壽命。因此，加熱爐出口溫度必須嚴(yán)加控制。加熱爐是傳熱設(shè)備的一種，其結(jié)構(gòu)型式分為箱式、管式和圓筒式三種。爐內(nèi)熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，整個過程同樣符合導(dǎo)熱與對流傳熱的基本規(guī)律。但加熱爐還有一個燃燒室，燃料在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫氣流，主要通過輻射方式將熱量傳給管壁，然后再由管壁傳給工藝介質(zhì)。工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占總熱負(fù)荷的70%～80%，而在對流段獲得的熱量約占熱負(fù)荷20%～30%。因此加熱爐的傳熱過程比較復(fù)雜，想從理論上獲得對象特性是很困難的。所以，加熱爐的對象特性一般是基于定性分析和實驗測試獲得的。定性分析加熱爐的傳熱過程可知：爐膛火焰將熱量輻射給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對象一樣，加熱爐也具有較大的時間常數(shù)和滯后時間。特別是爐膛具有較大的熱容量，滯后更為明顯，因此加熱爐屬于一種多容量的被控對象。從實測數(shù)據(jù)看，加熱爐的特性在經(jīng)過簡化后可以近似為一個一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后對象，其時間常數(shù)和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時間有關(guān)。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數(shù)和純滯后時間大，反之亦然。傳熱設(shè)備的控制三、加熱爐的控制傳熱設(shè)備的控制1.單回路控制方案1)擾動分析被加熱介質(zhì)的出口溫度往往是加熱爐最主要的控制指標(biāo)，常被作為控制系統(tǒng)的被控變量，而操縱變量則大多選擇燃料量。很多加熱爐的溫度要求相當(dāng)嚴(yán)格，允許波動范圍很小,經(jīng)常在幾個攝氏度甚至(1～2)℃，這對控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)是個極大的考驗。引起加熱爐出口溫度變化的擾動因素主要有：被加熱介質(zhì)的流量、溫度、組分、燃料油(或氣)的壓力、燃燒值、燃料組分、燃料油的霧化情況，空氣過量情況，噴嘴阻力，煙囪抽力等。在這些擾動因素中有的是可控的，有的是不可控的，應(yīng)該區(qū)別對待。

2)單回路控制系統(tǒng)分析圖7.33為某一燃油加熱爐控制系統(tǒng)示意圖，其主要控制系統(tǒng)是以爐出口溫度為被控變量、燃料油流量為操縱變量組成的單回路控制系統(tǒng)。其他輔助控制系統(tǒng)有：

(1)被加熱介質(zhì)的流量控制系統(tǒng)用于穩(wěn)定介質(zhì)流量，如圖中FC控制系統(tǒng)；(2)燃料油總壓控制系統(tǒng)，穩(wěn)定入爐燃料壓力，對安全生產(chǎn)有重要意義，如圖中P1C控制系統(tǒng)；(3)采用燃料油時，為改善燃燒效果，還需加入霧化蒸汽(或空氣)，所以設(shè)計了霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)，如圖中的P2C系統(tǒng)，以保證燃料油的良好霧化。傳熱設(shè)備的控制1.單回路控制方案傳熱設(shè)備的控制圖7.33加熱爐控制系統(tǒng)示意圖傳熱設(shè)備的控制圖7.33加熱爐控制系統(tǒng)示意圖傳熱設(shè)備的控制