化工過程控制及儀表 第十一章 典型控制

第十一章典型化工單元的控制方案第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案任務(wù)：輸送流體和提高流體的壓頭。液體輸送：離心泵往復(fù)泵泵容積泵旋轉(zhuǎn)泵氣體輸送：風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)流量壓力的控制保護(hù)設(shè)備不受損特殊情況下的開停車，程序控制及聯(lián)鎖動(dòng)作控制要求：一、離心泵目的：將排出流量穩(wěn)定在一定值上?？刂品桨福?、控制泵的出口閥門開度FCQ1Q2Q3123QHA閥門開度↑→管路阻力↓→流量↑泵的流量特性曲線：A管路特性曲線：1、C1C2C3注意：不能將控制閥裝在泵的吸入管線上特點(diǎn)：簡單可行，應(yīng)用廣泛。但小流量時(shí)效率低，故要求排出量>=30%正常值。2、3→壓頭↓2、控制泵的轉(zhuǎn)速nQH優(yōu)點(diǎn)：不需控制閥，不存在閥的壓頭，機(jī)械效率高。Q1Q2n1C1C2n2n1＞n2轉(zhuǎn)速n↑→壓頭H↑→流量Q↑缺點(diǎn)：實(shí)施復(fù)雜缺點(diǎn)：旁路部分耗能于控制閥，故機(jī)械效率低。3、控制泵的出口旁路FC優(yōu)點(diǎn)：閥口可較小，調(diào)節(jié)方便。二、往復(fù)泵的控制方案QHn1n2n1＞n2由泵的特性知，Q與管路阻力無關(guān)，只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，故不能在出口處直接安裝調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)阻力，否則會(huì)造成泵損的后果。控制方案：由公式：Q=60nFs得出1、改變原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速FC原動(dòng)機(jī)蒸汽2、改變沖程3、控制泵的出口旁路蒸汽FC原動(dòng)機(jī)三、壓氣機(jī)的控制方案往復(fù)式離心式真空泵鼓風(fēng)機(jī)壓縮機(jī)控制方案：3、改變轉(zhuǎn)速n1、直接節(jié)流（即直接在進(jìn)口或出口處安裝調(diào)節(jié)閥）2、旁路控制出口節(jié)流：類似于離心泵（出口風(fēng)壓較小時(shí)采用）進(jìn)口節(jié)流：吸入阻力↑（出口風(fēng)壓較大時(shí)采用）進(jìn)口壓力↓輸出壓力↓四、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制陰影部分為喘振區(qū)n1n2n3Q（壓縮比）1、特性曲線及喘振現(xiàn)象當(dāng)壓縮機(jī)的排氣量小于某一極限值時(shí)，壓縮機(jī)的工作點(diǎn)產(chǎn)生飛動(dòng)，這時(shí)氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，轉(zhuǎn)子的負(fù)荷交變，機(jī)身產(chǎn)生振動(dòng)并波及到相連的管線（1）負(fù)荷降低（2）吸入氣體壓力、溫度降低發(fā)生喘振的原因：BAQBCD喘振現(xiàn)象：由經(jīng)驗(yàn)公式2、防喘振控制方案缺點(diǎn)：極限值與轉(zhuǎn)速有關(guān)，只能用于轉(zhuǎn)速恒定。（1）固定極限流量法優(yōu)點(diǎn)：簡單，安全可靠，投資少。FC（2）可變極限流量法如果：安全喘振關(guān)鍵：模擬安全操作線為防止喘振FC∑p1p2+×(p2-ap1)△p1測量設(shè)定下圖為離心式壓縮機(jī)的控制方案，是否合理？FCFCFC防喘振控制可行，但效率低不合理第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制1、使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度2、在工藝過程中加入或除去一定的熱量3、用以改變物料的相態(tài)4、回收熱量種類：換熱器、再沸器、冷凝器、加熱器傳熱的目的：由于傳熱目的不同，被控變量也不完全一樣，多數(shù)為溫度。一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案1、控制載熱體流量TC載熱體放出（吸收）的熱量=介質(zhì)吸收（放出）的熱量

Q=G1C1（T1-T2）=G2C2（t2-t1）熱量平衡算式

載熱體G1T1T2t2t1G2將Q=KF·△tm代入上式兩側(cè)流體平均溫差△tm=[（T1-T2

）+（t2-t1）]／2

一般是通過改變平均溫差△tm來控制換熱器出口溫度。TC載熱體t2t1G2FC2、控制載熱體旁路流量TC載熱體旁路當(dāng)載熱體流量不允許變動(dòng)時(shí)如果載熱體壓力不穩(wěn)定可用串級控制注意不用三通閥進(jìn)行合流或分流控制，用閥控制旁路和載熱體都是不合理的。3、控制被加熱流體自身流量載熱體TC4、控制被加熱流體自身流量的旁路被加熱流體二、載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動(dòng)控制當(dāng)加熱流體流量不允許變動(dòng)時(shí)1、控制蒸汽流量TC蒸汽凝液蒸汽壓力恒定：簡單控制蒸汽壓力變化：串級控制反應(yīng)快控制閥門較大蒸汽凝液TC2、控制加熱器的有效換熱面積控制緩慢可選用較小的控制閥門改善途徑：LC蒸汽凝液FCTC溫度---液位串級控制溫度---流量串級控制三、冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動(dòng)控制常用的冷卻劑：液氨、乙烯、丙烯控制方案：1、控制冷卻劑的流量液氨TC被冷卻介質(zhì)氣氨LSTCLC選擇性控制被冷卻介質(zhì)氣氨LCTC液氨2、溫度與液位串級控制F2T20T21熱流體冷流體F1T10T11例：加熱器，兩側(cè)無相變，冷、熱流體都可為操縱變量，應(yīng)如何選擇？F2C2（T20-T21）=F1C1（T11-T10）由熱量平衡算式

K放大倍數(shù)當(dāng)熱流體的進(jìn)出口溫差較大時(shí)，應(yīng)選擇熱流體流量F2為操縱變量當(dāng)熱流體的流量足夠大，改變F2控制T11已不靈敏，應(yīng)選擇冷流體流量F1為操縱變量。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制目的：利用混合物中各組分不同的揮發(fā)度進(jìn)行組分分離。特點(diǎn)：變量多且有關(guān)聯(lián)情況，對象通道多，反應(yīng)緩慢，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜且控制要求較高。（1）平均進(jìn)料量=平均出料量（2）塔壓P應(yīng)恒定一、控制要求1、質(zhì)量指標(biāo)保證塔頂或塔底的產(chǎn)品純度。2、平穩(wěn)操作氣體流速、塔的最高壓力以及再沸器的加熱溫差限制。3、約束條件二、精餾塔的干擾因素TFZFQFF1、進(jìn)料流量F的波動(dòng)（1）進(jìn)料全部為液相（2）進(jìn)料全為氣相（3）進(jìn)料為氣相液相混合物2、進(jìn)料組分ZF變化為不可控的干擾。3、進(jìn)料溫度TF及熱焓

QF變化4、蒸汽加入熱量的變化5、回流量及冷劑量精餾塔回流冷卻劑塔頂產(chǎn)品q回蒸汽q蒸FC三、控制方案1、提餾段溫控（1）塔底出料成分要求較高（2）進(jìn)料全為液相（3）操作回流比較大主控系統(tǒng)：被控變量為提餾段溫度，操縱變量為再沸器加熱量。輔助控制：PCLCLCTCFC2、精餾段溫控TC主控系統(tǒng)：控制精餾段溫度，操縱變量為回流量。輔助控制：TC例采用提餾段溫控進(jìn)料波動(dòng)且不可控精餾塔進(jìn)料FC蒸汽如蒸汽壓力波動(dòng)可采用前饋—串級控制方案保持塔底溫度恒定塔頂或塔底溫度控制，簡單易行，但產(chǎn)品純度較高時(shí)，各塔板間溫差很小，故測溫元件的靈敏度要求較高，且不能克服壓力，雜質(zhì)的干擾。特點(diǎn)：1、目的：

克服壓力波動(dòng)引起的溫度變化。當(dāng)壓力波動(dòng)引起各板上溫度方向一致時(shí)，兩板間溫差變化不大溫差控制52和65塊板上溫度雖然變化，但溫差維持在2.8度左右。此時(shí)溫差的變化只受組分的純度影響，消除了壓力的微小波動(dòng)影響。不同壓力的情況如圖5265塔板℃ⅠⅡⅢ苯-甲苯-二甲苯分離2、檢測點(diǎn)的選取一個(gè)放在塔頂（或塔底）附近塔板上一個(gè)放在靈敏板附近兩者之差△T作為被控變量（1）應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意選點(diǎn)準(zhǔn)確和溫差給定合理。（2）操作工況要穩(wěn)定。3、存在問題輕組分x△T（以塔底產(chǎn)品為主）12345受擾變化至1，則純度變壞，溫差↑，則增加蒸汽量，使純度↑例：左側(cè)為產(chǎn)品純度高時(shí)，溫差隨產(chǎn)品純度增加而減小右側(cè)為產(chǎn)品不很純時(shí)，溫差隨純度惡化而減小。即溫差選得過大或操作不平穩(wěn)，均會(huì)引起溫差調(diào)節(jié)失常。若給定溫差在2若給定狀態(tài)點(diǎn)在4受擾變化至5時(shí)，純度↓，但溫差↓，故減少蒸汽量，將使純度繼續(xù)惡化。此時(shí)只能手動(dòng)遙控使工況穩(wěn)定。受擾變化至3，則純度過高，溫差↓，則減少蒸汽量，使純度↓工作范圍只能選擇曲線最高點(diǎn)的左側(cè)！溫差除受組分純度影響外，還受負(fù)荷變化引起的壓降變化影響，而后者的影響同時(shí)作用于精餾和提鎦段，故將兩溫差相減即可補(bǔ)償此影響。（3）不能克服進(jìn)料組分變化和負(fù)荷變化引起的塔板壓降變化。3、溫差差值（雙溫差）控制4、新型控制定義：精餾段上一層塔板向下一層板流動(dòng)的液體流量控制要求：內(nèi)回流恒定，進(jìn)料變化時(shí)內(nèi)回流應(yīng)隨之變化，且蒸汽量應(yīng)隨之變化。相關(guān)因素外回流LR的流量，內(nèi)回流=LR+△L，當(dāng)塔頂蒸汽溫度與外回流溫度相同時(shí)，內(nèi)回流=LR（1）內(nèi)回流控制適用于塔頂采用空氣冷卻器及回流量需要精確控制的場合。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制釜式反應(yīng)器的溫度自