典型化工單元的控制方案

第15章典型化工單元的控制化工單元自動(dòng)控制的一般設(shè)計(jì)原則

流體輸送設(shè)備的自動(dòng)控制

傳熱設(shè)備的控制

化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制典型化工單元有哪些？流體輸送設(shè)備——泵（電機(jī)）離心泵容積式泵壓縮機(jī)傳熱設(shè)備無相變有相變反應(yīng)器反應(yīng)釜流化床固定床鼓泡床化工單元自動(dòng)控制的一般設(shè)計(jì)原則？選用化工單元的目的：用來實(shí)現(xiàn)一些特定的物理和（或）化學(xué)反應(yīng)過程

化工單元自動(dòng)控制的要求：使物理變化過程和(或)化學(xué)反應(yīng)過程在符合預(yù)定的要求、條件下自動(dòng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)化工單元自動(dòng)控制的原則：保證工藝質(zhì)量指標(biāo)滿足物料平衡條件滿足安全約束條件提高機(jī)械效率和能源利用率第一節(jié)流體輸送設(shè)備的自動(dòng)控制

泵的主要控制內(nèi)容有：出口流量Q

壓頭H

能耗

泵的轉(zhuǎn)速n對(duì)離心泵來說，Q、H和n滿足以下關(guān)系：QHn1n2n3A1A2A3圖10-1離心泵的特性曲線示意圖n1<n2<n3BC1C2C3管路特性曲線離心泵的自動(dòng)控制離心泵的主要控制方法和特點(diǎn)FC離心泵出口的直接節(jié)流FT簡便易行、應(yīng)用廣泛機(jī)械效率較低特別是在閥門開度較小的時(shí)候，閥上的壓降較大，即功率損耗很大，因此不宜使用在出口流量小于正常流量30％的場(chǎng)合。FC離心泵旁路流量控制FT由于旁路閥前后的壓差很大，所以閥門口徑往往較小，工程實(shí)施較方便。但由于那部分回流的高壓液體能量將消耗于旁路閥上，所以該控制方案的機(jī)械效率較低，在實(shí)際生產(chǎn)中也較少采用。FC離心泵變頻調(diào)速控制FT4～20mA380VAC50Hz電壓可調(diào)頻率可調(diào)變頻調(diào)速器——將三相工頻50Hz交流電源(或任意電源)變換成三相電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的交流電源，主要用于交流電動(dòng)機(jī)(異步機(jī)或同步機(jī))轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。根據(jù)電機(jī)理論可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可以平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，而對(duì)于變頻器而言，其頻率的調(diào)節(jié)范圍是很寬的，可在0～400Hz之間任意調(diào)節(jié)，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速即可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。容積泵的自動(dòng)控制多用于流量較小，壓頭較高的場(chǎng)合QHn1n2n3n1<n2<n3特點(diǎn)：將機(jī)械能以靜壓能的形式直接傳給流體泵的流體排出量只取決于泵的轉(zhuǎn)速，或者泵的往復(fù)次數(shù)及泵的沖程大小，而與管路特性基本無關(guān)往復(fù)泵的每一次往返或者齒輪泵的每一周轉(zhuǎn)動(dòng)，都有一定量的流體排出，在一定的轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減小壓頭急劇增大。因此，這類泵不允許在出口管路上安裝調(diào)節(jié)閥，一旦出口閥門關(guān)閉，將導(dǎo)致泵體損壞。容積式泵的控制與離心泵相似，只是有一種不能用FC出口的直接節(jié)流FTFC旁路流量控制FTFC變頻調(diào)速控制FT4～20mA380VAC50Hz電壓可調(diào)頻率可調(diào)離心式壓縮機(jī)的自動(dòng)控制離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)喘振區(qū)p2/p1Q圖10-6離心式壓縮機(jī)的特性曲線n1<n2<n3n1n2n3QP12當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排送可能會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的震蕩，并使壓縮機(jī)機(jī)身也出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為壓縮機(jī)的“喘振”，喘振式離心式壓縮機(jī)固有的特性。由于喘振現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞壓縮機(jī)機(jī)體，這在實(shí)際生產(chǎn)過程中是不允許的。因此，在離心式壓縮機(jī)控制中，防喘振控制是一個(gè)極其重要的課題。

離心式壓縮機(jī)的防喘振控制一：固定極限流量控制壓縮機(jī)QQo圖10-7固定極限流量的防喘振控制FCFT固定極限流量的防喘振控制方案結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全可靠，系統(tǒng)投資費(fèi)用較少但這種方法主要適用于固定轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如按高轉(zhuǎn)速取給定值，勢(shì)必在低轉(zhuǎn)速時(shí)給定值偏高，能耗過大；如按低轉(zhuǎn)速取給定值，則在高轉(zhuǎn)速時(shí)仍有因給定值偏低而使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不恒定時(shí)，一般不宜采用這種控制方案。

離心式壓縮機(jī)的防喘振控制二：可變極限流量控制略第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制

傳熱方式加熱或者冷卻傳熱介質(zhì)(載熱體)無相變?nèi)纾河脽崴訜崮辰橘|(zhì)，載熱體入口為液態(tài)熱水，經(jīng)換熱器以后，載熱體的出口，還是液態(tài)的水（溫度較低而已）有相變?nèi)纾赫羝訜崮辰橘|(zhì)，載熱體入口為蒸汽（汽態(tài)），經(jīng)換熱器以后，載熱體的出口，已經(jīng)變成了液態(tài)的冷凝水兩種情況都有廣泛應(yīng)用，但后者的傳熱效率較高單回路控制和串級(jí)控制是最常用的兩種控制方法多數(shù)情況，還需要適當(dāng)引入微分作用，以提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量無相變傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制圖10-10換熱器的單回路控制TC載熱體被控介質(zhì)換熱器tTT結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)施方便，使用方程廣泛一般適用于載熱體的流量變化對(duì)出口溫度的影響較靈敏、載熱體入口的壓力平穩(wěn)而且負(fù)荷變化不大的場(chǎng)合。

如果載熱體入口的壓力不平穩(wěn)怎么辦？

圖10-11換熱器的串級(jí)控制TC載熱體被控介質(zhì)換熱器tFCFTTT如果載熱體入口的壓力波動(dòng)較大，往往還需要對(duì)載熱體另設(shè)穩(wěn)壓控制，或者采用以被控介質(zhì)的溫度為主變量，以載熱體的流量（或壓力）為副變量的串級(jí)控制，如果載熱體入口流量不允許調(diào)節(jié)怎么辦？

圖10-12載熱體的旁路流量控制TC載熱體被控介質(zhì)換熱器tTT可以用一個(gè)三通分流調(diào)節(jié)閥來取代調(diào)節(jié)閥，三通調(diào)節(jié)閥用來改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量和旁路流量的比例，這樣即可以調(diào)節(jié)進(jìn)入換熱器的載熱體流量，又可以保證載熱體總流量不受影響。很常用很常用不很常見思考題：如果被控介質(zhì)的入口溫度波動(dòng)較大怎么辦？如果被控介質(zhì)的流量波動(dòng)較大怎么辦？前面介紹的幾種控制方案都是采用載熱體流量作為控制變量（操縱變量）理論上，改變被控介質(zhì)的流量同樣也能達(dá)到控制其出口溫度的目的例如：圖10-13改變被控介質(zhì)流量控制出口溫度TC載熱體被控介質(zhì)換熱器tTT圖10-14改變介質(zhì)旁路流量控制出口溫度載熱體被控介質(zhì)換熱器tTTTC不常見不常見有相變加熱設(shè)備的自動(dòng)控制在加熱器中進(jìn)行熱交換的能量包括兩個(gè)部分：

一是蒸汽冷凝成凝液而散發(fā)出的汽化潛熱，二是冷凝液降溫散發(fā)出的顯熱。通常，蒸汽冷凝潛熱要比冷凝液降溫的顯熱大的多。在有相變情況下的加熱器常采用下面兩種控制方案：一是直接控制入口蒸汽的流量，二是通過改變凝液排出量來控制有效換熱面積。當(dāng)蒸汽流量及其他工藝條件比較穩(wěn)定的時(shí)候，可以采用通過改變?nèi)肟谡羝髁縼砜刂票患訜峤橘|(zhì)的出口溫度，這是一種最簡單也是最常見的控制方案。圖10-15改變蒸汽流量控制出口溫度TC蒸汽被控介質(zhì)冷凝液tTT當(dāng)閥前蒸汽壓力有波動(dòng)時(shí)，可對(duì)蒸汽總管增設(shè)壓力定值控制系統(tǒng)，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級(jí)控制。一般來說，設(shè)壓力定值控制比較方便，但采用溫度與流量的串級(jí)控制可以對(duì)于副環(huán)內(nèi)的其余干擾，或者閥門特性不夠完善的情況，也能有所克服圖10-16出口溫度－蒸汽流量的串級(jí)控制TCtFCFTTT蒸汽冷凝液被控介質(zhì)在傳熱系數(shù)和傳熱溫差基本保持不便的情況下，改變由有效的換熱面積也可以達(dá)到控制出口溫度的目的。圖10-17改變換熱面積控制溫度蒸汽被控介質(zhì)冷凝液tTTTC冷凝液至傳熱面積的通道是一個(gè)滯后的過程，這必將降低系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一個(gè)有效的控制方案就是采用串級(jí)控制，使這一環(huán)節(jié)包含于副回路內(nèi)，以改善廣義對(duì)象的特性。常用的串級(jí)控制有兩種方案：一是溫度與冷凝液液位之間的串級(jí)控制；另一種是溫度與蒸汽流量之間的串級(jí)控制，但調(diào)節(jié)閥安裝在冷凝液的出口管路上。圖10-18溫度－液位串級(jí)控制蒸汽被控介質(zhì)冷凝液LTLCTCtTT圖10-19溫度－流量串級(jí)控制蒸汽被控介質(zhì)冷凝液FTFCTCtTT有相變加熱設(shè)備的自動(dòng)控制——比較圖10-16出口溫度－蒸汽流量的串級(jí)控制TCtFCFTTT蒸汽冷凝液被控介質(zhì)圖10-18溫度－液位串級(jí)控制蒸汽被控介質(zhì)冷凝液LTLCTCtTT控制蒸汽流量的方案簡單易行、過渡過程時(shí)間短、控制迅速，缺點(diǎn)是需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，容易造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱，容易出現(xiàn)局部過熱?？刂评淠号懦隽康姆桨?，控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。但由于變化和緩，有防止局部過熱的優(yōu)點(diǎn)。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閥門。傳熱設(shè)備上一個(gè)具有多容時(shí)滯的分布參數(shù)系統(tǒng)，所以在檢測(cè)元件的安裝時(shí)，不論在安裝位置上，或者安裝方式上，都應(yīng)該將測(cè)量滯后減到最小程度。另外，在控制器的參數(shù)整定過程中，適當(dāng)引入微分作用往往上有益的。有相變冷卻設(shè)備的自動(dòng)控制當(dāng)冷卻器的傳熱面積、汽化空間有裕度的情況下，進(jìn)入液氨量的多少，決定了汽化量的多少。所以，通過改變液氨的流量，可以調(diào)節(jié)液氨因汽化帶走到汽化潛熱量，從而達(dá)到控制介質(zhì)溫度的目的，即采用最簡單的單回路控制

圖10-20用冷卻劑流量控制溫度液氨汽氨被控介質(zhì)tTTTC如果進(jìn)入冷卻器的液氨量超過其蒸發(fā)能力，可以導(dǎo)致冷卻器內(nèi)的液位上升，汽化空間將減小，過高的液位會(huì)導(dǎo)致汽化空間不足，輕則使控制質(zhì)量下降，重則會(huì)因汽氨中夾帶大量液氨引起氨壓縮機(jī)的損壞怎么辦？既然問題出現(xiàn)在液位上，那么就把液位也控制起來怎么控制？圖10-21冷卻器的溫度-液位串級(jí)控制系統(tǒng)液氨被控介質(zhì)汽氨tTTLCTCLT串級(jí)控制系統(tǒng)仍然以液氨流量作為操縱變量以被控介質(zhì)出口溫度作為主變量增加了冷卻器內(nèi)的液位作為副變量進(jìn)行控制。它把引起液位變化的一些干擾（如液氨壓力等）包含在副回路中，從而提高了控制質(zhì)量。另一個(gè)重要問題冷卻劑的汽化溫度是與汽化壓力直接相關(guān)的

這是一個(gè)很基本的問題在上述控制方案中，如果汽化壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)，必將造成冷卻器內(nèi)的溫度發(fā)生很大的變化，使控制品質(zhì)下降，甚至因局部過冷造成工藝設(shè)備的凍結(jié)怎么辦？把汽化壓力也控制起來圖10-22用汽化壓力控制溫度液氨汽氨被控介質(zhì)tLTLCTTTC圖10-23汽化壓力的單獨(dú)控制方案液氨汽氨被控介質(zhì)tTTTCPTPC第三節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動(dòng)控制

反應(yīng)釜的直接控制內(nèi)容反應(yīng)速度、轉(zhuǎn)化率、成分……上述指標(biāo)很難直接檢測(cè)上述指標(biāo)往往與反應(yīng)釜的溫度、壓力有密切的聯(lián)系上述指標(biāo)的控制可以轉(zhuǎn)化為溫度控制、壓力控制相對(duì)來說壓力控制較方便也就是說，溫度往往是反應(yīng)釜最重要的控制內(nèi)容(1)改變進(jìn)料溫度控制反應(yīng)釜溫度圖10-24用進(jìn)料溫度控制釜溫進(jìn)料TTTC載熱體當(dāng)物料經(jīng)過預(yù)熱器進(jìn)入反應(yīng)釜之前，改變預(yù)熱器的載熱體流量，可以改變進(jìn)入反應(yīng)釜發(fā)物料溫度，從而達(dá)到維持反應(yīng)釜內(nèi)溫度恒定的目的。很明顯，這種控制方法簡單，但局限性較大。(2)控制傳熱量大多數(shù)反應(yīng)釜是屬于熱交換式的，因此用改變傳熱量的方法就可以實(shí)現(xiàn)這類反應(yīng)釜的溫度控制。被控變量是釜內(nèi)的溫度，操縱變量是載熱體的流量。是一種簡單、成本低、維護(hù)方便、應(yīng)用范圍最廣的控制方案。TTTC載熱體圖10-25用載熱體流量控制釜溫但有些時(shí)候也會(huì)出問題：由于受到反應(yīng)釜容量、熱交換速度等因素的影響，釜內(nèi)溫度的滯后往往較大。特別是用于聚合反應(yīng)時(shí)，釜內(nèi)的物料粘度大、熱傳遞差、混合不均勻，都很難使溫度控制達(dá)到嚴(yán)格的要求，甚至出