8-化工过程控制

1、第八章 化工流程的自动控制,仪表和计算机自动控制系统在化工过程中发挥着重要作用。强化化工流程的自动控制，是化工生产过程的发展趋势和方向。,化工流程自动化控制的优点：,、提高关键工艺参数的操作精度，从而提高产品质量或收率；,、保证化工流程安全、稳定的运行；,、对间歇过程，还可减少批间差异，保证产品质量的稳定性和重复性；,、降低工人的劳动强度，减少人为因素对化工生产过程的影响；,“CAC”Computer Aided Control,“CAO”Computer Aided Operation,化工流程中经常需要控制的部分工艺变量（参数）：,温度 压力 流量,液位,搅拌转速,PH值,浊度、粘度、各种

2、组份浓度,对一个化工流程进行控制,人工控制,仪表和计算机控制（自动控制）,自动控制是在人工控制的基础上发展而来的，由检测仪表、计算机装置、自控阀门组成的自动控制系统分别代替人的眼睛观察、大脑判断决策、手动操作。,计算机自动控制系统示意图,化工过程（或化工设备）,一次仪表,二次仪表,（物理量）,（变送器）,计算机控制装置,420mA 05V,执行机构,（自控阀门）,计算机自动控制系统,仪表（一次和二次仪表）,计算机控制装置,动作机构（自控阀门）,计算机主机（硬件、软件）,A/D、D/A（模入、模出）,控制软件（平台软件及二次开发的控制应用软件）,化工流程自控仪表的一些图形符号：,自控参量代号：

3、T温度 F流量 P压力或真空度 L物位 C浓度 pH氢离子浓度 A分析 V黏度 M搅拌转速,自控功能代号： I指示 C控制 Q累积 J记录 X信号 T调节 L联锁 A报警 R人工遥控,表示将位号为101的流量信号引入计算机自控系统，显示并控制该值。 表示在设备附近就地加装仪表显示温度101，而不引入计算机自控系统。,TI 101,例如：,8.1 化工流程自控控制的一些基本概念,一、自动控制术语,换热器,冷流股,热流股,加热蒸汽,冷凝水,要求：热流股温度控制在801,1、被控对象（被控过程、被控设备）,定义：需要实现自动控制的生产流程（过程）或设备。,上述例子中，被控对象就是换热器。,2、被控变

4、量（被控参数）,定义：被控对象中需要保持规定数值的物理量。,上述例子中，热流股的温度。,3、控制变量（操纵变量）,定义：受执行装置（自控阀门）操纵，用来使被控变量保持在设定值的某个物理量。,上述例子中，加热蒸汽的流量。,4、干扰变量（扰动变量）,定义：除控制变量以外，作用于被控对象，并可能引起被控变量发生变化的一些物理量。,上述例子中，加热蒸汽的压力（温度）、冷流股的流量及温度。,5、设定值与控制精度,设定值被控变量的工艺规定值。 （注意：对开环控制系统，控制变量也可以有设定值。）,控制精度设定值允许的波动范围。,上述例子中，热流股的温度要求控制在801。 80就是被控变量的设定值， 1就是对

5、热流股温度的控制精度要求。,对连续过程，设定值是一个定值,温度（）,时间,80,温度（）,时间,对间歇过程，设定值也可以是一个随时间而变的曲线（时变曲线）,6、控制偏差,控制偏差被控变量的设定值与其实际测量值之差。,上述例子中，热流股的温度要求控制在801。 如果实际检测为80.6，那么0.6 就是控制偏差。,偏差在控制精度以内控制有效（成功控制），如80.9 偏差在控制精度以外控制失控，如81.2 ,控制失效的原因有多种。,二、控制系统类型,计算机自动控制系统,开环控制系统,闭环控制系统,1、开环控制系统,人工预先给定蒸汽流量值,计算机控制装置,换热器,冷流股,热流股,加热蒸汽,冷凝水,2、

6、闭环控制系统,换热器,冷流股,热流股,加热蒸汽,冷凝水,闭环控制系统作用原理：,通过被控变量的检测值与其设定值的偏差（包括偏差正负方向），反过来通过计算机控制装置对控制变量进行操纵调节。,开环控制系统与闭环控制系统的几点显著区别：,、闭环控制系统是按被控变量的检测值与其设定值的偏差去操纵（影响）控制变量； 而开环控制系统是按照控制变量本身的设定值或干扰变量的大小去操纵（影响）控制变量。,、闭环控制系统在被控变量 控制装置 控制变量之间形成了相互影响的回路。 即：控制变量可以改变到被控变量，反过来，被控变量的信息有可以指导控制变量的调节。 而开环控制系统不存在此相互影响的回路。,、闭环控制系统必

7、须有被控变量的检测，而开环控制系统可以没有被控变量的检测。,化工流程的控制系统类型，绝大多数为闭合控制系统。,关于化工流程控制回路的控制算法（控制器算法）,普通固定PID算法；,自校正PID算法；,自适应控制算法；,自校正控制算法；,模糊（FUZZY）控制算法；,专家控制系统算法；,在化工流程的实际控制中，经常遇到一些干扰变量多、大滞后等问题，对控制回路的控制算法提出了挑战。, ,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,一、确定达到设计要求所需测量的参数,现以苯（B）和乙烯（E）气相烃化的反应过程为例说明，主要的化学反应方程如下：,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,一、确定达到设计要求所需测量的

8、参数 反应生成的乙苯（ EB ）为主产品，二乙苯（DEB）为联产品二甲苯（DMB）和甲苯（MB）为副产品。反应采用的催化剂较易失活，当苯过量时能减缓催化剂的失活和提高反应的选择性。最简单的工艺流程如右图所示，要求根据设计目标决定需测量的参数如下： 产品数量 该生产过程的产品是EB，但决定EB数量的控制因素是原料E的流量。为了计量目的，应测量流股8的流量；为了控制目的，应测定流股2的流量。,8.2 化工过程控制设计要点与步骤, 产品质量 由流股8的组成决定，但测量参数有以下三种可选择的方案。 A 反馈控制 直接测量流股8的组成，如上图，当流股8的组成与预期值比较有偏差时，调节回流量10，这种利用

9、受控变量的直接测量值调节控制变量的方法称为反馈控制。 B 前馈控制 测量引起流股8组成变化的主要扰动，例如进料中的测量，这种利用直接测量的扰动量来调节控制变量，使受控参数保持在预期值的方法称为前馈控制。右图 C 推断控制 当受控变量和扰动量不能测量，利用辅助测量参数调节控制变量的方法称为推断控制。,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,例如，当没有测量流股7和8组成的工业色谱或价格过于昂贵时可采用这种控制方案。塔顶产品流股8的组成是塔板温度的函数，可用物料平衡、热量平衡、相平衡方程求出塔板温度与馏出液8组成的严格关系式，或用传递函数表明两者之间的关系。在得到这种关系式后就可以利用热电偶测出的温度

10、来调节回流量以控制塔顶产品8的质量指标，右图,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,一、确定达到设计要求所需测量的参数 安全 防止燃烧与爆炸，防止设备的超温超压，因此本例中对于反应器R101应测量其进出口温度和床层温度，并设置当反应器床层温度升高到某个危险值后发出警报并切断乙烯进料的措施，对于精馏塔则应测量其塔顶或塔釜的压力。 可操作 可操作的基本要求是满足各个设备内在的约束条件。例如储罐不应溢流或抽空，精馏塔不应液泛或漏液等。因此应设置储罐V101，V102，V103的压降测量等措施。 经济 根据经济目标设置的仪表可分成两类：一类是反应器R101的优化控制问题，是否采用优化控制要根据可能性和经

11、济评价结论确定；另一类是为了计算车间所需的产量和原料、辅助材料以及公用工程的消耗量。因此在乙烯、苯、乙基苯、冷却水总管、蒸汽总管等管道上设置流量计，重要的物料流量计应不仅能显示瞬时值，而且有累计功能。,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,二、选择控制变量 对于某个测量参数，可能有多个可任意调节的输入变量，需选择其中一个或多个变量作为控制变量，即确定控制方案。该项工作是过程控制的核心内容。如有多个控制可供选择而定性分析不能做出判断时，则有必要进行动态模拟以得出定量的结论。 三、确定调节器的调节规律 目前广泛应用的调节规律有三种，即比例调节（P）、比例积分（PI）和比例积分微分（PID）。 比例调

12、节 按照被调参数值与给定值得偏差大小和方向，发出与偏差成比例的控制信号。 比例积分控制 积分控制规律是指它的输出不是与偏差保持比例关系，而是与偏差对时间的积分保持比例关系。 比例积分微分调节 引入微分的作用是为了反映偏差变化的速度，它的调节规律是和比例积分的作用组合在一起，能提高惯性滞后较大的对象的调节品质。若微分时间选择适当，由于调节作用的超前，能减少超调并提高系统的稳定性，但是微分作用对克服纯滞后效果不显著，因为在纯滞后阶段内速度为零，微分不起作用。,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,8.2 化工过程控制设计要点与步骤,8.3 化工单元操作常见的控制方案,一、流量控制 1 离心泵出口流量

13、控制 出口单流量，调节阀可以直接安装在出口管路上。 2 齿轮泵，旋涡泵、往复泵等，采用旁路调节阀门,情形1,情形2,8.3 化工单元操作常见的控制方案,一、流量控制,3、离心泵出口多支路流量控制（比例控制） 在某些生产中需要保持两个流量之间的比例一定，例如反应器的两个进料要求保持比例一定。这时，需要采用比例控制，使一种物料的流量自动跟踪另一种物料的流量。常用的比例控制有两种。,注意：,所有调节阀均应该水平安装，并保证其前后直管段长度；,3、离心泵出口多支路流量控制（比例控制） 单闭环比值调节 用于主流量不能定量控制，从流量需要与主流量保持一定比例的情况。,3、离心泵出口多支路流量控制（比例控制

14、） 双闭环比值调节 此系统不仅能控制两个流量的比值，而且每个流量的绝对值也得到控制，这种控制方案适用于进料量不受约束，能自由调节的情况。,3、离心泵出口多支路流量控制（比例控制） 流量差值控制 有些工艺过程要求流量的差值恒定，例如有侧线出料的精馏塔。根据精馏原理，要使塔顶产品达到设计要求，必须保持回流量稳定。但是在有侧线出料时，侧线板以下的真正回流并不等于通常意义的回流比F2，而等于回流量F2减去侧线出料量F3，因此常规的精馏段定回流控制改成流量差值控制，调节侧线出料量，使F2和F3之差不变。,二、温度控制 1 换热器温度控制 实质上传热量Q的控制，但Q是传热面积、传热温差、传热系数三者乘积，

15、传热系数在正常的物流流量和温度范围内变化很小，因此能调节的只有传热温差和传热面积。 无相变换热器 其物流出口温度一般用改变冷（热）介质流量的方法（a）、三通改变流量（b），改变物料本身流量（c）来调节。,二、温度控制 1 换热器温度控制 有相变换热器 对于纯组分，相态发生时若压力不变其温度也是恒定的，即传热温差不变，因此只能用改变传热面积的办法来调节物料温度（a）；为了使液位保持在允许范围内，可以加液位超驰或串级调节。若冷热介质的压力能调节，例如水蒸气加热物料，则可改变蒸汽压力，即冷凝温度的办法来调节物料温度（b），这种控制方案的调节较为灵敏。若被加热物流的温度较低，且有可能处于低负荷操作时，

16、则应采用图（c）来调节，因为物料温度低且负荷低，若用图（b），蒸汽冷凝的温度可能低于100，此时相应的饱和蒸汽压力可能低于大气压，而使凝液的排除呈脉冲状态。因此应将调节阀装在凝液排除的管路上，使蒸汽压不变，通过凝液排出量的变化调节有效传热量。采用这种控制方案时对传热面积必须留有余地。,二、温度控制 2 精馏塔温度控制 一般采用提馏段控制，下列情况例外： 塔底产品的纯度要求比塔顶高； 精馏段板上温度变化不能很好地反映组成的变化或者不灵敏； 进料为液相，进料温度或组成的波动对提馏段的影响更显著、迅速，因而提馏段温控滞后小； 在精馏塔的回流量取决于塔釜脱除轻组分的要求时，回流量大于塔顶脱除重组分的实

17、际需要，此时调节回流量来稳定塔的操作不如采用提馏段温控敏感。 3 精馏塔的温差控制 当压力一定时，才可行。其原理：当塔压有变化时，虽然每块板的泡点会变化，但两板间温差基本不变，而产品纯度变化将引起塔板间温差变化。在产品纯度达到分离要求时，物料的纯度越高，两块板间的泡点温差越小。纯度降低，温差增大。但如果由于操作条件恶化使塔板的分离效率降低，则产品纯度越低，两板地温差越小。温差和产品纯度不是一个单值函数。,二、温度控制 3 精馏塔温差控制,二、温度控制 2 精馏塔温度控制 控制灵敏板温度；其温度可通过精馏塔的计算模拟求出。,二、温度控制 3 容器（釜）内液相温度控制,蒸汽,冷凝水,疏水器,三、容

18、器（釜）内压力控制,举例精馏塔压力变化是由于塔内气相物料不平衡所引起的，进塔的气体有进料中的汽相部分和再沸器产生的蒸汽，出口气体有冷凝成液相的蒸汽和气相出料。当进口气体量大于出口气体量时，压力上升，反之，下降。因此要根据精馏塔的不同特性，寻找能迅速有效保持气相物料平衡的方法，使压力稳定。 1 有大量不凝气的情况，此时调节方法有两种： 在气体出口管上加调节阀，直接控制排气量，a图。 当塔顶气体进入压缩机时，可用调节压缩机转速的方法调节塔顶压力。当压力升高时，压缩机转速加快，吸热量增加，反之，压缩机转速降低（b）。,三、容器（釜）内压力控制,三、容器（釜）内压力控制,2 有少量不凝气的情况，若仍采

19、用调节排出气体量的方法调节压力，常因调节系统的滞后过大而使控制极不灵敏，甚至失败。此时宜采用改变塔顶蒸汽冷凝量的办法来调节压力，常用方法如下： 调节冷剂流量，使冷剂吸收的热量变化，而改变冷凝蒸汽量。a图。应使冷剂在换热器内停留时间小于45s，否则系统滞后过大，影响调节质量。 当制冷剂流量不允许调节时，常用三通调节阀，使一部分冷剂旁通，不进入冷凝器（b）图。 改变冷凝器面积，调节蒸汽冷凝量，从而使压力保持在要求范围内。称为热旁通法。（c）图。当塔顶压力上升，关小调节阀，使塔顶和回流罐的压差增大，冷凝器的液面下降，气体冷凝面积增加，从而使蒸汽冷凝量增加而塔顶压力下降。阀门开大，冷凝器液面上升，蒸汽

20、冷凝量减少，塔压力升高。,三、容器（釜）内压力控制,三、容器（釜）内压力控制,K,情形1，釜内真空度控制,去真空泵,情形2，釜内正压控制,放空,压力气体,碱,酸,四、容器（釜）内液相PH值控制,五、容器（釜）内液体的液位控制 1 汽液两相的界面控制，即液面控制，通常有三种方案： 用溢流保持液面恒定（a）图。 用出料保持液面恒定（b）图。大量的中间容器和缓冲罐，如精馏塔飞回流釜和塔釜都是这种方案。 用进料保持液面恒定（c）图。适用于出料要求稳定，而进料可以改变的情况，如进料缓冲罐。 2 液面控制分为两种： 第一液面要求严格恒定，而对进口或出口的液体流量的稳定性要求不高的系统，可采用纯比例调节或比例加积分调节器，并且应用窄比例调节，使液面波动很小。 第二：储槽或缓冲罐类液位，控制要求不高，在一定范围内即可，以保证在一定范围内保持进出料平衡。一般采用宽比例调节器；或非线性调节器。,五、容器（釜）内液体的液位控制 2、 2个液相液面的控制，即液面控制。如油相和水相。其控制方法是：对于卧式容器，油相经溢流挡板流入容器的另一侧，再用泵输出，水相用界面控制器LbC控制界面输出。a图。对于立式容器，水相经溢流管流入容器的下部，再用泵抽出，油相根据界面控制器输出。b图。,五、容器（釜）内液体的液位控制 3、