化工过程控制

1、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、各种组份浓度

2、,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： T温度

3、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、被控变量（被控

4、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就是对热流股温

5、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、闭环控制

6、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。,、闭环控制系统必须有被控

7、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。, ,控制要求,为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：,抑止外部扰动的影响,使过程在优化的工况下操作,控制要求,为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统

8、应满足两项基本要求：,抑止外部扰动的影响,扰动外界因素变化如原料和公用工程流量、温度和压力的波动对系统的影响。,干扰不可避免,过程变量 x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：,稳定系统的响应特性,（1）稳定系统在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x 无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。,过程变量 x，如温度、压力、流量、浓度等，在受到外部因素影响时，可能有两种变化：,（1）稳定系统在开始时受到外界的影响而波动，但随时间的变化，x 无需外界干预就能稳定，即不需要利用控制机构就能回复到初值。,（2）不稳定系统受到外界的影响不能随着时间

9、的变化恢复原状。,不稳定系统的一种响应特性,设在冷却夹套的连续搅拌反应釜中，进行串联反应:,副反应为放热反应，其放热量通过器壁传给夹套中的冷剂。通过分析，可知反应放热量可用釜温T的S 形函数A 来表示，而冷剂吸收的热量是釜温T 的线性函数B。,控制要求,为了达到设计的各项要求，必须对生产装置进行连续的监视和控制。控制系统应满足两项基本要求：,抑止外部扰动的影响,使过程在优化的工况下操作,设在某气固催化反应，其催化剂失活迅速，需定期切换，副反应的活化能高于主反应。反应器全年利润：,每年反应器再生次数,操作周期,若反应器高温操作：,反应选择性低，原料消耗费用增加；,应采用变温操作，在操作周期内逐步

10、升温。,反应速度低，产率低；同样产量，催化剂再生费用增加,若反应器低温操作：,最优化控制,控制系统的设计要点及步骤,例如，苯（B) 和乙烯（E）气相烃化的反应方程式如下：,确定达到设计要求所需测量的参数,乙苯,二乙苯,二甲苯,甲苯,反应采用的催化剂较易失活，若苯过量能减缓催化剂的失活并能提高反应的选择性。试决定需测量的参数。,苯和乙烯气相烷基化流程图,(1)产品数量：,生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料 乙烯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控制的目的应测量乙烯的进料量。,苯 和乙烯气相烷基化流程图,(1)产品数量：,生产过程的产品是乙苯，决定乙苯数量的控制因素是原料

11、 苯的流量。为了计量目的，应测量乙苯的流量；为了控制的目的应测量乙烯的进料量。,(2)产品质量：,乙苯的质量由乙苯精馏塔塔顶产品的组成决定。为确保该组成为预期值，测量参数有以下三种方案：,反馈控制,前馈控制,推断控制,反馈控制,乙苯精馏塔产品质量反馈控制,-利用被控变量的直接测量值调节控制变量,前馈控制,乙苯精馏塔产品质量前馈控制 -利用直接测量的扰动来调节被控制变量的方法,推断控制,乙苯精馏塔产品质量推断控制 -利用塔板温度与馏出液组成的严格关系，控制精馏塔塔顶出口组成,(3)安全：,为了防止燃烧与爆炸事故，应防止设备的超温和超压。,对于反应器R101应测量其进出口温度和床层温度，并设置超温

12、报警及紧急情况下切断乙烯进料的装置。,对于精馏塔应测量其塔顶或塔釜的压力。,(4)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。因此，应设置储罐V101，V102，V103的液面测量，精馏塔T102，T103的压降测量等措施。,(5)经济：,优化控制设备：例如反应器R101的优化控制问题，是否采用优化控制要根据可能性和经济评价结论确定；,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，为计算车间成本提供所必须的产量和原料、辅助材料以及公用工程的消耗量。重要的流量计不仅能提供和显示瞬间值，而且有累计功能。,苯和乙烯气相烷基化流程

13、图,2)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。,若有多个方案可供选择而定性分析不能作出判断时，则有必要进行动态模拟以得出定量的结论。,控制系统的设计要点及步骤,确定达到设计要求所需测量的参数,2)选择控制变量,控制系统的设计要点及步骤,确定达到设计要求所需测量的参数,3)确定调节器的调节规律,目前广泛应用的调节规律有三种：,比例调节,比例积分调节,比例积分微分调节,3)确定调节器的调节规律,比例调节,按照被调参数值与给定值的偏差大小和方向，发出与偏差成比例的控制信号。,例如：盘管加热器处

14、于稳态工况下的热量平衡式为：,式中F、Cp 、T1和T2分别是物料的流量、密度、热容、进口和槽内温度。Q为蒸汽传递给物料的热量，上标0表示稳定状态。,若有外界干扰T1升高，如果不改变Q，T2将随着时间 t逐渐升高。,设储槽内液体体积稳定为V，则,0,要使偏差等于0，需要按照T2与T20的偏差调节Q。设控制规律使Q的变化与偏差T2- T20成比例，即,比例增益,比例反馈控制的温度响应曲线,比例调节不适用于负荷变化较大而又不允许有残余偏差的系统。,确定调节器的调节规律,目前广泛应用的调节规律有三种：,比例调节,比例积分调节,比例积分微分调节,比例积分调节,比例积分调节是指它的输出不是与偏差保持比例

15、关系，而与偏差对时间的积分保持比例关系。即：,比例积分反馈控制的温度响应曲线,比例积分调节不适用于纯滞后和惯性滞后较大的系统。,比例积分调节适用于负荷变化较大而又不允许有残余偏差的系统。,确定调节器的调节规律,目前广泛应用的调节规律有三种：,比例调节,比例积分调节,比例积分微分调节,微分调节规律是：,与比例积分调节相结合，如果微分时间选择恰当，能提高惯性滞后较大的对象的调节品质，提高系统的稳定性。,第七章 过程控制,控制要求：,简单调节系统,控制系统的设计要点及步骤,复杂调节系统,抑制外部扰动，使过程在优化的状态下操作,压力控制 液位控制 温度控制 流量控制,串级控制 分程控制 超驰控制 前馈

16、控制,简单调节系统,压力控制,液位控制,温度控制,流量控制,压力控制,有大量不凝气体的精馏塔压力控制,控制排放量,调节下游压缩机转速,压力控制的方式取决于过程特征,压力控制,有少量不凝气体的精馏塔压力控制，可采用改变塔顶蒸汽冷凝量的方法：,调节冷剂的流量；,压力控制,有少量不凝气体的精馏塔压力控制，可采用改变塔顶蒸汽冷凝量的方法：,调节冷剂的流量；,当不允许调节冷剂流量时，可接三通使一部分冷剂不进入冷凝器；,简单调节系统,压力控制,液位控制,温度控制,流量控制,液位控制,气液两相的界面控制，通常有三种控制方案：,用溢流保持液面恒定；,液位控制,气液两相的界面控制，通常有三种控制方案：,用溢流保

17、持液面恒定；,用出料控制液面稳定；,液位控制,气液两相的界面控制，通常有三种控制方案：,用溢流保持液面恒定；,用出料控制液面稳定；,用进料控制液面稳定；,液位控制,两个液相的界面控制：,对卧式容器,液位控制,两个液相的界面控制：,对立式容器,液位控制,液相与其他参数的交叉控制：,例如精馏塔塔釜液位受再沸器内供热影响较大，液位对塔釜排出量调节不灵敏时，应采用交叉控制。,简单调节系统,压力控制,液位控制,温度控制,流量控制,温度控制,热交换器温度控制也即传热量Q的控制,传热面积；,传热温差；,传热系数；,在正常的物流流量和温度范围内变化很少,传热量Q的控制可通过调节换热面积 A 和传热温差T来实现

18、。,温度控制,热交换器温度控制也即传热量Q的控制,无相变换热器通过改变冷（热）介质或物料的流量调节物料出口温度。,a) 控制冷热媒流量,b) 冷热媒流量旁通,c) 改变物料流量,温度控制,热交换器温度控制也即传热量Q的控制,有相变换热器，若压力不可调，则温差一定，温度调节可通过改变换热面积实现；若压力可调，如使用蒸汽加热，可通过改变蒸汽压力，即冷凝温度的办法来调节物料温度。,a) 调节蒸汽压力,温度控制,热交换器温度控制也即传热量Q的控制,有相变换热器，如使用蒸汽加热，若物料温度低，且热负荷低时，蒸汽冷凝温度低于1000C, 压力低于饱和蒸汽压力，可将调节阀装在凝液排出管道上，通过凝液排出量的变化，调节有效传热面积。,b) 调节有效传热面,温度控制,2）精馏塔的温度控制若在线组分分析技术复杂，靠人工分析又不能及时得到控制信息，可用温度控制代替质量控制。,a)精馏段回流调节控制温度,b)提馏段调节蒸汽量控制温度,温度控制,2）精馏塔的温度控制若在线组分分析技术复杂，靠人工分析又不能及时得