典型化工單元的控制方案

①對(duì)于同一的化工單元，了解各種控制方案的異同。②熟悉各種控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用。③能夠?yàn)榛卧僮鬟^程設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)控制方案。學(xué)習(xí)要點(diǎn)第一節(jié)流體輸送設(shè)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(dāng)干擾作用使被控變量(流量)發(fā)生變化偏離給定值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，閥門動(dòng)作，控制結(jié)果使流量回到給定值。2/4/20234第十一章典型化工單元控制方案轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，泵的流量特性曲線A與管路特性曲線的交點(diǎn)C即為泵的實(shí)際工作點(diǎn)，此時(shí)泵所提供的壓頭H正好用來克服管路阻力，其對(duì)應(yīng)的流量即為泵的實(shí)際流量。實(shí)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(jiǎn)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(jì)。注意一、離心泵的控制方案2/4/20235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(shí)的流量特性，且有n1＞n2＞n3。

該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心泵的場(chǎng)合，此時(shí)僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。2/4/20236第十一章典型化工單元控制方案控制蒸汽大小即可達(dá)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2/4/20237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(shí)際排出量?？刂崎y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(jì)，因?yàn)榕月烽y消耗一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。2/4/20238第十一章典型化工單元控制方案這類泵的運(yùn)動(dòng)部件每往復(fù)一次或每轉(zhuǎn)一周，所需介質(zhì)的量是一定的，因而對(duì)這類泵既不允許控制進(jìn)口，也不允許控制出口。主要原因是：若出口量減少，出口壓力立即達(dá)到最大值，從而導(dǎo)致泵殼及運(yùn)動(dòng)部件損壞；若進(jìn)口量減少，會(huì)造成較大的負(fù)壓，同樣也會(huì)使運(yùn)動(dòng)部件損壞。二、位移式泵（容積泵）的控制方案齒輪泵（運(yùn)動(dòng)部件：齒輪）計(jì)量泵（運(yùn)動(dòng)部件：柱塞）往復(fù)泵（運(yùn)動(dòng)部件：活塞）位移式泵2/4/20239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?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變轉(zhuǎn)速的方案

該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合，此時(shí)，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。2/4/202310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(jì)性較差。2/4/202311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(fù)泵的特性曲線

計(jì)量泵常用改變沖程s來進(jìn)行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時(shí)進(jìn)行，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。2/4/202312第十一章典型化工單元控制方案這里不作詳細(xì)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(duì)風(fēng)機(jī)造成損害。三、壓氣機(jī)的控制方案2/4/202313第十一章典型化工單元控制方案第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)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(shí)，載熱體必須是可控的才行。

這種方案是應(yīng)用最廣泛一種，多用于載熱體流量的變化對(duì)溫度影響較靈敏的場(chǎng)合。注意2/4/202314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(jí)控制系統(tǒng)

如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)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(jí)控制系統(tǒng)。2/4/202315第十一章典型化工單元控制方案采用該法時(shí)，載熱體為工藝主要介質(zhì)，其總量是不可控的。但應(yīng)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?yàn)槿魮Q熱器內(nèi)部阻力小，則控制閥前后的壓差就小，阻力比S就小，一方面導(dǎo)致控制閥的流量特性發(fā)生突變，另一方面導(dǎo)致控制閥口徑DN要大[KV=10Q（ρ/ΔP）0.5，ΔP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2/4/202316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(chǎng)合。2/4/202317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(dāng)被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時(shí)，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。2/4/202318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(dāng)閥前蒸汽壓力有波動(dòng)時(shí)，可對(duì)蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級(jí)控制。加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)凝液蒸汽二、載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器控制方案2/4/202319第十一章典型化工單元控制方案該方法實(shí)質(zhì)是控制換熱器的有效傳熱面積。二、載熱體進(jìn)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(jí)控制系統(tǒng)溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)2/4/202320第十一章典型化工單元控制方案二、載熱體進(jìn)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(diǎn)：控制通道長(zhǎng)、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點(diǎn)：防止局部過熱，對(duì)一些過熱后會(huì)引起化學(xué)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。2/4/202321第十一章典型化工單元控制方案三、冷劑進(jìn)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(huì)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(jī)的操作事故。這種控制方案帶有上限液位報(bào)警，或采用溫度-液位自動(dòng)選擇性控制，當(dāng)液位高于某上限值時(shí)，自動(dòng)把液氨閥關(guān)小或暫時(shí)切斷。

2/4/202322第十一章典型化工單元控制方案三、冷劑進(jìn)行汽化的冷卻器控制方案（2）溫度與液位的串級(jí)控制溫度-液位串級(jí)控制

該方案的實(shí)質(zhì)是改變傳熱面積。但采用了串級(jí)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。2/4/202323第十一章典型化工單元控制方案三、冷劑進(jìn)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(dāng)控制閥的開度變化時(shí)，會(huì)引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改變，于是相應(yīng)的汽化溫度也就改變了。這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達(dá)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(dāng)氣氨壓力由于整個(gè)制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時(shí)，這個(gè)方案就不能采用了。2/4/202324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(jìn)料再沸器冷凝器精餾是將液體混合物分離使其達(dá)到規(guī)定純度的傳質(zhì)過程。精餾塔是精餾過程的關(guān)鍵設(shè)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(duì)象的通道多，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，變量又互相關(guān)聯(lián)，而要求一般又較高。第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制2/4/202325第十一章典型化工單元控制方案精餾操作的工藝要求①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。②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(dòng)控制精餾操作對(duì)控制方案的要求①盡量預(yù)先克服進(jìn)塔前主要的可控干擾（如進(jìn)料量波動(dòng)、進(jìn)料溫度波動(dòng)等）②保證質(zhì)量指標(biāo)（頂、底產(chǎn)品的純度達(dá)到質(zhì)量指標(biāo)的要求）③保證塔的平穩(wěn)操作（滿足F=D＋W物料平衡關(guān)系）2/4/202326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(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變?cè)俜衅骷訜崃孔鳛榭刂剖侄蔚姆桨?，就稱為提餾段溫控。

（見控制流程圖）這種方案主要用于以塔底為主要產(chǎn)品，對(duì)塔釜的成分要求比塔頂餾出液高時(shí)。此外，對(duì)塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量要求相近，在液相進(jìn)料時(shí)，也往往采用此方案。因?yàn)橐合噙M(jìn)料流量Ｆ的變化先影響到釜液成分，故用提餾段控制較及時(shí)。采用該方案時(shí)，冷劑消耗較大。2/4/202327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TCLCLCFCFCPC2/4/202328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(biāo)的間接指標(biāo)，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）這種方案主要用于以塔頂為主要產(chǎn)品，對(duì)塔頂?shù)某煞忠蟊人尊s出液高時(shí)。此外，對(duì)塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量要求相近，在氣相進(jìn)料時(shí)，也往往采用此方案。因?yàn)闅庀噙M(jìn)料流量Ｆ的變化先影響到頂液成分，故用精餾段控制較及時(shí)。采用該方案時(shí)，熱劑消耗較大。2/4/202329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TCLCLCFCFCPC2/4/202330第十一章典型化工單元控制方案第四節(jié)反應(yīng)器的自動(dòng)控制１.改變進(jìn)料溫度的控制方案改變進(jìn)料溫度控制釜溫以反應(yīng)釜溫度為被控變量，以加熱劑為控制手段，用改變進(jìn)料溫度的方法使反應(yīng)器溫度穩(wěn)定。一、釜式反應(yīng)器的溫度自動(dòng)控制方案2/4/202331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(yīng)釜均有傳熱面，引入或移去反應(yīng)熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實(shí)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(yīng)器的溫度自動(dòng)控制方案2/4/202332第十一章典型化工單元控制方案3.串級(jí)控制方案一、釜式反應(yīng)器的溫度自動(dòng)控制方案如果冷卻水壓力波動(dòng)不大，則以反應(yīng)釜溫度為主環(huán)，夾套水溫為副環(huán)構(gòu)成溫度---溫度串級(jí)控制方案。如果冷卻水壓力經(jīng)常波動(dòng)為主要擾動(dòng)，以反應(yīng)釜溫度為主環(huán)，冷卻水流量為副環(huán)構(gòu)成溫度---流量串級(jí)控制方案。釜溫與冷劑流量的串級(jí)控制釜溫與夾套溫度的串級(jí)控制2/4/202333第十一章典型化工單元控制方案1.改變進(jìn)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(gòu)成串級(jí)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(dāng)空氣中斷時(shí)，可把氨氣切斷，保證安全。氨氧化爐溫度-比值串級(jí)控制二、固定床反應(yīng)器的自動(dòng)控制方案2/4/202334第十一章典型化工單元控制方案二、固定床反應(yīng)器的自動(dòng)控制方案2.