《化工儀表及自動(dòng)化》第10章

第十章典型化工單元的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案離心泵的控制方案往復(fù)泵的控制方案壓氣機(jī)的控制方案離心式壓縮機(jī)的防喘振控制傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制一般傳熱設(shè)備的控制鍋爐設(shè)備的控制精餾塔的自動(dòng)控制工藝要求精餾塔的干擾因素精餾塔的控制方案化學(xué)反響器的自動(dòng)控制化學(xué)反響器的控制要求釜式反響器的溫度自動(dòng)控制固定床反響器的自動(dòng)控制流化床反響器的自動(dòng)控制生化過(guò)程的控制常用生化過(guò)程控制青霉素發(fā)酵過(guò)程控制啤酒發(fā)酵過(guò)程控制第一節(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的流量控制大體的三種方法1.控制泵的出口閥門開度圖10-1改變泵出口阻力控制流量圖10-2泵的流量特性曲線與管路特性曲線2.控制泵的轉(zhuǎn)速圖10-3改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量n1＞n2＞n3

該方案從能量消耗的角度來(lái)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。3.控制泵的出口旁路圖10-4改變旁路閥控制流量將泵的局部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(lái)控制泵的實(shí)際排出量。控制閥裝在旁路上，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消耗一局部高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。二、往復(fù)泵的控制方案

往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場(chǎng)合，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來(lái)輸送流體的。往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計(jì)算1.改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速圖10-5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.控制泵的出口旁路圖10-6改變旁路流量該方案由于高壓流體的局部能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟(jì)性較差。3.改變沖程s

圖10-7往復(fù)泵的特性曲線計(jì)量泵常用改變沖程s來(lái)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.控制旁路流量1.直接控制流量三、壓氣機(jī)的控制方案3.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速四、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制1.離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振現(xiàn)象圖10-11離心式壓縮機(jī)特性曲線圖10-12喘振現(xiàn)象示意圖喘振是出現(xiàn)壓縮機(jī)工作點(diǎn)這種反復(fù)迅速突變這一現(xiàn)象時(shí)，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)身發(fā)生振動(dòng)并涉及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計(jì)和壓力表的指針大幅度擺動(dòng)。喘振是離心式壓縮機(jī)固有的特性。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。2.防喘振控制方案〔1〕固定極限流量法對(duì)于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個(gè)進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量QB，為了平安起見，規(guī)定一個(gè)壓縮機(jī)吸入流量的最小值QP，且有QP＜QB。圖10-13防喘振旁路控制〔2〕可變極限流量法圖10-14防喘振曲線喘振極限線是對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的壓縮機(jī)特性曲線的最高點(diǎn)的連線。只要壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振極限線的右側(cè)，就可以防止喘振發(fā)生。圖10-15變極限流量防喘振控制方案該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過(guò)運(yùn)算得到的，因此能根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)荷變化的情況隨時(shí)調(diào)整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運(yùn)算局部放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制1.兩側(cè)均無(wú)相變化的換熱器控制方案(1)控制載熱體的流量改變載熱體流量控制溫度一、一般傳熱設(shè)備的控制換熱器串級(jí)控制系統(tǒng)(2)控制載熱體旁路流量〔3〕控制被加熱流體自身流量〔4〕控制被加熱流體自身流量的旁路(1)控制蒸汽流量2.載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動(dòng)控制在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過(guò)管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200℃以上或30℃以下時(shí)，常采用一些有機(jī)化工物作為載熱體。(2)控制換熱器的有效換熱面積圖10-22用凝液排出量控制溫度圖10-23溫度-液位串級(jí)控制系統(tǒng)圖10-24溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)3.冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動(dòng)控制(1)控制冷卻劑的流量圖10-25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(guò)高，過(guò)高會(huì)造成蒸發(fā)空間缺乏，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)溫度與液位的串級(jí)控制圖10-26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。(3)控制汽化壓力圖10-27用汽化壓力控制溫度基于當(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。汽輪發(fā)電機(jī)組火力發(fā)電廠外觀二、鍋爐設(shè)備自動(dòng)控制單元機(jī)組生產(chǎn)流程示意圖1—下聯(lián)箱；2—噴燃器；3—水冷壁管；4—下降管；5—爐膛；6—汽包；7—飽和蒸汽；8—過(guò)熱蒸汽；9—過(guò)熱器；10—煙道；11—省煤器；12—給水；13—空氣預(yù)熱器；14—送風(fēng)機(jī)；15—燃料；16—煙道擋板；17—除塵器；18—引風(fēng)機(jī)；19—煙囪自然循環(huán)式固態(tài)排渣煤粉鍋爐原理圖汽包爐膛過(guò)熱蒸汽煙道煤粉熱空氣給水減溫水過(guò)熱器飽和蒸汽WinCC鍋爐監(jiān)控主畫面1.

鍋爐汽包液位控制LTLCM給水過(guò)熱蒸汽單沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)給水過(guò)熱蒸汽LTLCMFT1∑三沖量前饋—串級(jí)控制系統(tǒng)給水過(guò)熱蒸汽LTLCMFT1FT2FC∑單回路控制系統(tǒng)2.鍋爐主蒸汽溫度控制TTTCM給定T飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽減溫水給水T′串級(jí)控制系統(tǒng)T′T飽和蒸汽過(guò)熱蒸汽減溫水給水MTT2TC2外給TT1TC1給定3.爐膛壓力控制PdTPdCM爐膛煙道煙囪第三節(jié)精餾塔的自動(dòng)控制一、工藝要求1.保證質(zhì)量指標(biāo)一般應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個(gè)產(chǎn)品到達(dá)規(guī)定的純度要求，另一個(gè)產(chǎn)品的成分亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。4.節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。2.保證平穩(wěn)操作保證塔的平穩(wěn)操作，維持塔的物料平衡，塔內(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。3.約束條件為保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值為約束條件。二、精餾塔的干擾因素圖10-28精餾塔的物料流程圖1.進(jìn)料流量F的波動(dòng)〔＊〕2.進(jìn)料成分ZF的變化〔＊〕3.進(jìn)料溫度TF及進(jìn)料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑〔如蒸汽〕參加熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化三、精餾塔的控制方案1.精餾塔的提餾段溫控圖10-42提餾段溫控的控制方案示意圖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，就稱為提餾段溫控。

2.精餾塔的精餾段溫控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。

圖10-43精餾段溫控的控制方案示意圖3.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接變量，是為了消除塔壓波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。圖10-45雙溫差控制方案雙溫差控制就是分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號(hào)，然后將兩個(gè)溫差信號(hào)相減，作為控制器的測(cè)量信號(hào)〔即控制系統(tǒng)的被控變量〕。第四節(jié)化學(xué)反響器的自動(dòng)控制一、化學(xué)反響器的控制要求1.質(zhì)量指標(biāo)化學(xué)反響器的質(zhì)量指標(biāo)一般指反響的轉(zhuǎn)化率或反響生成物的規(guī)定濃度。2.物料平衡為使反響正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進(jìn)入反響器的各種物料量恒定，配比符合要求。3.約束條件對(duì)于反響器，要防止工藝變量進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或不正常工況，應(yīng)當(dāng)配備一些報(bào)警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。二、釜式反響器的溫度自動(dòng)控制1.控制進(jìn)料溫度改變進(jìn)料溫度控制釜溫2.改變傳熱量改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫3.串級(jí)控制為了針對(duì)反響釜滯后較大的特點(diǎn)，可采用串級(jí)控制方案。圖10-49釜溫與夾套溫度串級(jí)控制示意圖圖10-50釜溫與釜壓串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖圖10-48釜溫與冷劑流量串級(jí)控制示意圖三、固定床反響器的自動(dòng)控制固定床反響器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動(dòng)的反響器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反響以生成所需反響物。常見的溫度控制方案有：改變進(jìn)料濃度改變進(jìn)料溫度改變段間進(jìn)入的冷氣量圖10-53改變進(jìn)料濃度控制反響器溫度圖10-52用載熱體流量控制溫度圖10-53用旁路控制溫度圖10-54用改變段間冷氣量控制溫度圖10-55用改變段間蒸汽量控制溫度四、流化床反響器的自動(dòng)控制圖10-56流化床反響器原理示意圖圖10-57改變?nèi)肟跍囟瓤刂品错懫鳒囟葓D10-58改變冷劑流量控制溫度圖10-59流化床差壓指示系統(tǒng)第五節(jié)生化過(guò)程的控制一、常用生化過(guò)程控制1.發(fā)酵罐溫度控制一般發(fā)酵過(guò)程均為放熱過(guò)程，溫度多數(shù)要求控制在30～50℃〔±0.5℃〕。過(guò)程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱〔特別寒冷地區(qū)除外〕。圖10-60發(fā)酵罐溫度控制2.通氣流量、罐壓和攪拌轉(zhuǎn)速控制圖10-61發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓〔或流通氣量〕控制3.溶氧濃度控制在發(fā)酵過(guò)程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過(guò)程的不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致為維持過(guò)高的溶氧水平而大量消耗動(dòng)力。培養(yǎng)液的溶解氧水平其實(shí)質(zhì)為供氧和需氧矛盾的結(jié)果。最常用的溶氧濃度控制方案：

改變攪拌速率；改變通氣速率。圖10-62改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧串級(jí)控制系統(tǒng)4.pH值控制在發(fā)酵過(guò)程中為控制pH值而參加的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補(bǔ)料基質(zhì)，所以在pH控制系統(tǒng)中還須對(duì)所加酸堿物料進(jìn)行計(jì)量，以便進(jìn)行有關(guān)離線參數(shù)的計(jì)算。圖10-63連續(xù)流加pH控制圖10-64脈沖式流加pH控制5.自動(dòng)消泡控制當(dāng)電極檢測(cè)到泡沫信號(hào)后，控制器便周期性地參加消泡劑，直至泡沫消失。圖10-65消泡控制二、青霉素發(fā)酵過(guò)程控制青霉素發(fā)酵過(guò)程中直接檢測(cè)的變量有：

溫度、pH值、溶解氧、通氣流量、轉(zhuǎn)速、罐壓、溶解CO2、發(fā)酵液體積、排氣CO2、排氣O2等。離線檢測(cè)的參數(shù)有：

菌體量、殘?zhí)橇?、含氮量、前體濃度和產(chǎn)物濃度等