化工自动化及仪表：第十章 生产过程控制

1、第十章 生产过程控制 本章以流体输送设备、一般传热设备、蒸发器、管式加热炉、工业窑炉、精馏塔、化学反应器等若干过程为例，从工艺要求和自动控制角度出发，介绍和探讨这些过程常用控制系统。 10.1 流体输送设备的控制在石油、化工等生产过程中，用于输送流体和提高流体压头的机械设备，通称为流体输送设备。其中输送液体、提高压力的机械称为泵；输送气体并提高压力的机械称为风机和压缩机。10.1.1泵的控制泵可分为离心泵和容积式泵两大类，而容积式泵又可分为往复泵、旋转泵。由于工业生产中以离心泵的应用最为普遍，所以将较详细介绍离心泵的特性及控制方案，对容积式泵、风机、压缩机控制作一般介绍。 . 离心泵的控制 离

2、心泵是使用最广的液体输送机械。泵的压头H和流量Q及转速n间的关系，称为泵的特性，亦可由下列经验公式来近似： H=k1n2-k2Q2 式中的k1和k2是比例系数。 aa相应于最高效率的工作点轨迹，n1n2n3n4 当离心泵装在管路系统时，实际的排出量与压头是多少呢？那就需要与管路特性结合起来考虑。管路特性就是管路系统中流体的流量和管路系统阻力的相互关系。 设HL= hL+ hP+ hf +hV则HL和流量Q的关系称为管路特性。当系统达到平稳状态时，泵的压头H必然等于HL，这是建立平衡的条件。从特性曲线上看，工作点c必然是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。工作点c的流量应符合预定要求，它可以通过以

3、下方案来控制：改变控制阀开启度，直接节流 这种方案的优点是简便易行，缺点是在流量小的情况下，总的机械效率较低。所以这种方案不宜使用在排出量低于正常值30%的场合。 改变泵的转速 改变泵的转速以控制流量的方法有：用电动机作原动机时，采用电动调速装置；用汽轮机作原动机时，可控制导向叶片角度或蒸汽流量；采用变频调速器；也可利用在原动机与泵之间的联轴变速器，设法改变转速比。采用这种控制方案时，在液体输送管线上不需装设控制阀，因此不存在hV项的阻力损耗，相对说机械效率较高，所以在大功率的重要泵装置中，有逐渐扩大采用的趋势。但要具体实现这种方案，都比较复杂，所需设备费用亦高一些。通过旁路控制 这种方案颇简

4、单，而且控制阀口径较小。但亦不难看出，对旁路的那部分液体来说，由泵供给的能量完全消耗于控制阀，因此总的机械效率较差。 . 容积式泵的控制 容积式泵有两类：一类是往复泵，包括活塞式、柱塞式等；另一类是直接位移旋转式，包括椭圆齿轮泵、螺杆式等。由于这类泵的共同特点是泵的运动部件与机壳之间的空隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以泵的排出量与管路系统无关。往复泵只取决于单位时间内的往复次数及冲程的大小，而旋转泵仅取决于转速 既然它们的排出量与压头H的关系很小。因此不能在出口管线上用节流的方法控制流量，一旦将出口阀关死，将产生泵损、机毁的危险。往复泵的控制方案有以下几种： 改变原动机的转速 改变往复泵的冲

5、程 通过旁路控制 利用旁路阀控制，稳定压力，再利用节流阀来控制流量，压力控制器可选用自立式压力控制器。 10.1.2压缩机的控制压缩机是指输送压力较高的气体机械，一般产生高于300kPa的压力。压缩机分为往复式压缩机和离心式压缩机两大类。往复式压缩机适用于流量小，压缩比高的场合，其常用控制方案有：汽缸余隙控制；顶开阀控制（吸入管线上的控制）；旁路回流量控制；转速控制等。这些控制方案有时是同时使用的。 近年来由于石油及化学工业向大型化发展，离心式压缩机急剧地向高压、高速、大容量、自动化方向发展。离心式压缩机与往复式压缩机比较有下述优点：体积小，流量大，重量轻，运行效率高，易损件少，维护方便，气缸

6、内无油气污染，供气均匀，运转平稳，经济性较好等，因此离心式压缩机得到了很广泛的应用。一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统：气量控制系统（即负荷控制系统）压缩机入口压力控制防喘振控制系统压缩机各段吸入温度以及分离器的液位控制 压缩机密封油、润滑油、调速油的控制系统压缩机振动和轴位移检测、报警、联锁离心式压缩机的防喘振控制系统. 离心式压缩机的喘振当负荷降低到一定程度时，气体的排送会出现强烈的震荡，因而机身亦剧烈振动，这种现象称为喘振。喘振会严重损坏机体，进而产生严重后果，压缩机在喘振状态下运行是不允许的，在操作中一定要防止喘振的产生。 .防喘振控制系统为了使进入压缩机的气体流量保持在P以上，在

7、生产负荷下降时，须将部分出口气从出口旁路返回到入口或将部分出口气放空，保证系统工作在稳定区。固定极限流量防喘振控制 可变极限流量防喘振控制 压缩机串、并联时防喘振控制10.1.3变频调速器的应用在工业生产装置中，不少泵出口的流量均随工况的改变而频繁波动。在控制系统中执行器一般采用控制阀，但在工艺流程中，由于控制阀的压降（约0.022.5Mpa左右）占工艺系统压降的比例较大，从而导致泵的能量在调节阀上的损失亦就大了，为此变频调速器替代控制系统中控制阀逐渐增加。 变频调速器是采用正弦波PWM脉宽调制电路，并能接受控制器的输出信号。变频调速器具有大范围平滑无级变速特性，频率变化范围宽达2.4400H

8、z，调速精度可达0.5%，变频调速器作为执行器，与工艺介质不接触，具有无腐蚀、无冲蚀的优点。因为电机的消耗功率与转速的立方成正比，所以当电机转速降低、泵的出口流量减少时，相应消耗的功率便大幅度下降，从而达到显著节电效果。10.2 传热设备的控制许多工业过程，如蒸馏、蒸发、干燥结晶和化学反应等均需要根据具体的工艺要求，对物料进行加热或冷却，即冷热流体进行热量交换。冷热流体进行热量交换的形式有两大类：一类是无相变情况下的加热或冷却；另一类是在相变情况下的加热或冷却（即蒸汽冷凝给热或液体汽化吸热）。热量传递的方式有热传导，对流和热辐射三种，而实际的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或三种

9、方式综合而成。传热（热交换）过程是利用各种形式的换热器即传热设备来进行的。不论其目的在于加热、冷却、汽化、冷凝，从进行热交换的两种流体的接触关系来看，则不外乎直接接触式、间壁式及蓄热式三大类，尤以间壁式传热设备应用最广。.2.1 传热设备静态数学模型(1) 热量衡算式根据流体在传热过程中发生相变与否，可分为两种情况。 流体在传热过程中发生相的变化（如冷凝或汽化），且该流体温度不变，则 流体在传热过程中无相的变化，则热量衡算式表明当不考虑热损失时，热流体放出的热量应该等于冷流体吸收的热量，其基本形式有： （两种流体均发生相变） （仅一种流体发生相变） （两种流体均没有发生相变） (2) 传热速率

10、方程式 热量的传递方向总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差是传热的推动力，温差越大，传热速率亦越大。传热速率方程式是.2.2一般传热设备的控制一般传热设备在这里是指以对流传热为主的传热设备，常见的有换热器、蒸汽加热器、氨冷器、再沸器等间壁式传热设备，在此就它们控制中的一些共性作一些介绍。一般传热设备的被控变量在大多数情况下是工艺介质的出口温度，至于操纵变量的选择，通常是载热体流量。然而在控制手段上有多种形式，从传热过程的基本方程式知道，为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传热量进行控制，要控制传热量有以下几条途径。. 控制载热体流量改变载热体流量的大小，将引起传热系统U和平均温差m

11、的变化。载热体在传热过程中不起相变化的情况载热体有相变时情况 图是控制载热体流量方案之一，这种方案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变化不大的场合。 如果载热体上游压力不平稳，则采取稳压措施使其稳定，或采用温度与流量（或压力）的串级控制系统，如图所示。 . 控制载热体的汽化温度. 将工艺介质分路要使工艺介质加热到一定温度，也可以采用同一介质冷热直接混合的办法。将工艺介质一部分进入换热器，其余部分旁路通过，然后两者混合起来，是很有效的控制手段，图所示是采用三通控制阀的流程。 . 控制传热面积10.2.3 管式加热炉的控制在生产过程中有各式各样的加热炉，在炼油化工生产中常见的加热炉是管

12、式加热炉。加热炉对象特性一般从定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可看出其热量的传递过程是：炉膛识热火焰辐射给炉管，经热传导，对流穿热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的对象。加热炉的简单控制加热炉的串级控制系统 炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制；炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制；炉出口温度对炉膛温度的串级控制；采用压力平衡式调节阀（浮动阀）的控制方案。安全联锁保护系统以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护系统在以燃料为燃料的加热炉中，主要危险是；. 被加热工艺介质流量

13、过低或中断，此时必须采取安全措施，切断燃料气控制阀，停止燃烧，否则会将加热炉管子烧坏，使其破裂造成严重的生产事故。. 当火焰熄灭时，会在燃料室里形成危险性的燃料气-空气混合物。. 当燃料气压力过低即流量过小时会出现回火现象，故要保证最小燃料流量。. 当燃料气压力过高，则喷嘴会出现脱火现象，以至造成灭火，甚至会在燃料室里形成大量燃料气-空气混合物，造成爆炸事故。10.3锅炉设备的控制(1) 给水自动控制系统（即锅炉汽包水位的控制。（2）锅炉燃烧的自动控制。（3）过热蒸汽系统的自动控制。 10.3.1锅炉汽包水位的控制 10.5 精馏塔的控制10.5.1 精馏塔的控制要求 精馏塔的控制目标是，在保

14、证产品质量合格的前提下，回收率最高和能耗最低，或使塔的总收益最大，或总成本最小，一般来讲应满足如下三方面要求。质量指标 物料平衡和能量平衡 约束条件 10.5.2 精馏塔的扰动分析影响物料平衡的因素主要是进料流量、进料组分和采出量的变化等。影响热量平衡的因素主要是进料温度（或热焓）的变化，再沸器的加热量和冷凝器的冷却量变化，此外还有环境温度的变化等。物料平衡和热量平衡之间又是相互影响的。10.5.3精馏塔被被控变量的选择. 采用温度作为间接质量指标 塔顶（或塔底）的温度控制 灵敏板的温度控制 中温控制. 采用压力补偿的温度作为间接质量指标 温差控制 温差差值（双温差）控制10.5.4精馏塔的控

15、制欣斯基(Shinskey)做了大量研究,提出了精馏塔控制中变量配对的三条准则:. 当仅需要控制塔的一端产品时,应当选用物料平衡方式来控制该产品的质量。. 塔两端产品流量较小者,应作为操纵变量去控制塔的产品质量。. 当塔的两端产品均需按质量控制时,一般对含纯产品较少,杂质较多的一端的质量控制选用物料平衡控制,而含纯产品较多,杂质较少的一端的质量控制选用能量平衡控制。当选用塔顶部产品馏出物流量D或塔底采出液量B来作为操纵变量控制产品质量时,称为物料平衡控制;而当选用塔顶部回流或再沸器加热量来作为操纵变量时,则称为能量平衡控制。.按精馏段指标的控制 . 间接物料平衡控制. 直接物料平衡控制.按提馏

16、段指标的控制间接物料平衡控制.直接物料平衡控制方案. 压力控制.加压精馏塔的压力控制1) 液相采出,且馏出物中含有大量不凝物2) 液相采出,且馏出物中含有少量不凝物3) 液相采出,馏出物中含有微量不凝物4) 气相采出 .减压精馏塔的压力控制采用蒸汽喷射泵抽真空的塔顶压力控制系统,在蒸汽管线上设有压力控制系统,以维持喷射泵的最佳蒸汽压力；塔顶压力用补充的空气量来控制,这种方案能有效地控制任何波动和扰动对塔顶压力的影响；采用电动真空泵的减压系统的压力控制放空。.常压塔常压塔安排较简单,可在回流罐或冷凝器上设置一个通大气的管道来平衡压力,以保持塔内压力接近大气压。如果对精馏塔操作压力稳定性要求较高时

17、,则须设置压力控制系统,以维持塔内压力稍高于大气压,其方案类似加压塔控制方案。10.6 化学反应器的控制0.6.1 化学反应器的控制要求设计化学反应器的控制方案，需从质量指标、物料平衡和能量平衡、约束条件等三方面考虑。化学反应器的质量指标一般指反应转化率或反应生成物浓度。 为使反应正常操作，反应转化率高，需要保持进入反应器各种物料量的恒定，或物料的配比符合要求。 防止反应器的过程变量进入危险区或不正常工况。例如，一些催化反应中，反应温度过高或进料中某些杂质含量过高，将会损坏催化剂；流化床反应器中，气流速度过高，会将固相催化剂吹走，气流速度过低，又会让固相沉降等。为此，应设置相应的报警、联锁控制

18、系统。10.6.2 化学反应器基本控制策略反应物流量控制 流量的比值控制 反应器冷却剂量或加热剂量的控制 化学反应器的质量指标是最主要的控制目标 10.6.3 化学反应器的基本控制. 出料成分的控制当出料成分可直接检测时，可采用出料成分作为被控变量组成控制系统。例如，合成氨生产过程中变换炉的控制。 . 反应过程的工艺参数作为间接被控变量 进料温度控制 改变传热量 串级控制 前馈控制 分程控制 分段控制 . 化学反应器的推断控制. 烃类转化反应器出口气体中CH4的软测量 . 酯化釜中酯化率的软测量和控制 . 流化床干燥器湿含量的推断控制 . 稳定外围的控制 稳定外围控制是尽可能使进入反应器的每个

19、过程变量保持在规定数值的控制，它使反应器操作在所需操作条件，产品的质量满足工艺要求。通常，稳定外围的控制依据物料平衡和能量平衡进行，主要包括：进入反应器的物料流量控制或物料流量的比值控制；控制反应器出料的反应器液位控制或反应器压力控制；稳定反应器热量平衡的入口温度控制，或加入（移去）热量的控制。. pH控制 pH值与中和液之间存在非线性关系 pH值的测量环节具有时滞特性 通常，采用非线性控制规律实现pH过程特性的补偿。 (三段式非线性控制器 )采用减小测量环节时滞的一些措施 采用分程控制方案 10.7 合成氨过程的控制10.7.1 变换炉的控制10.7.2 转化炉水碳比控制10.7.3 合成塔

20、的控制合成弛放气控制10.8 石油化工过程的控制常减压过程的控制 催化裂化过程的控制 乙烯生产过程的控制 聚合过程的控制 10.8.1 常减压过程的控制 常减压蒸馏过程分三段，即初馏、常压蒸馏和减压蒸馏，用于生产各种燃料油和润滑油馏分。 初馏：脱盐、脱水后的原油经换热后以220240进入初馏塔（预汽化塔），从塔顶以气态馏出初馏点约130的馏分作为重整原料或更重的汽油，经冷凝冷却后部分作为回流，侧线不出产品。 常压蒸馏：初馏塔底的拔头原油经常压加热炉加热到360370，进入常压蒸馏塔，塔顶气相经冷凝，作为回流，使塔顶温度控制在90110，塔顶到进料段之间的温度逐渐升高，并利用馏分沸点范围的不同，

21、在塔顶蒸出汽油气和水蒸气，在常压塔的每段外部设置汽提塔，作为该段精馏的提馏段，从而在侧一线、侧二线和侧三线分别蒸出煤油、轻柴油、重柴油。侧线馏分经常压汽提塔用过热蒸汽提出轻组分后，经换热回收热量，再分别冷却到一定温度送出装置。塔底约350，塔底未汽化的重油用过热蒸汽汽提出轻组分后，作为减压塔进料。 减压蒸馏：常压塔底重油经泵加压送减压加热炉，加热到380，进入减压蒸馏塔，塔顶不出产品，分离出来的不凝气和水蒸气送大气冷凝器，经冷凝后用二级蒸汽喷射泵抽出不凝气，使塔压保持在2.6710.67kPa，以利于在减压下使油品充分蒸出。塔侧从一线和二线抽出润滑油馏分或裂化原料油，经汽提塔汽提（图中未画出）

22、，换热冷却后，部分作为回流，部分作为产品送出装置。塔底减压渣油也用过热蒸汽汽提出轻组分，提高拔出率，用泵抽出后经换热冷却后出装置，作为自用燃料或商品燃料油，或作为沥青原料、丙烷脱沥青装置的原料，用于生产重质润滑油和沥青。通常，常压塔的拔出率约2540%，减压塔拔出率约30%。常减压过程的控制主要为加热炉的控制、精馏塔的控制等。常减压过程控制的特点：常压塔和减压塔的控制只有精馏段，因此，按精馏段指标进行控制；都有侧线产品，它含有比该分馏组分更轻的组分，为此，每个侧线有汽提装置，进行蒸汽蒸馏，以获得满意的分馏点；进料来自加热炉，因此，进料是两相混合物料进料。(1) 常压塔的控制 常压系统生产燃料油

23、，要求严格的馏分组成，因此，常压系统的控制以提高分馏精确度为主。 (2) 减压塔的控制减压系统生产润滑油馏分或裂化原料，对馏分要求不高，主要要求馏出油残炭合格前提下提高拔出率，减少渣油量。因此，提高减压塔汽化段真空度，提高拔出率是主要控制目标。 10.8.2 催化裂化过程的控制催化裂化过程是以重油馏分油为原料，在催化剂和450530，0.10.3MPa条件下，经过裂化为主的一系列反应，生成气体、汽油、柴油、重质油及焦炭的工艺过程。其工艺主要特点是轻质油收率高，可达7080%，气体产率，主要是C3，C4，达1020%，其中，烯烃含量达50%，因此，是石油加工过程中重要的二次加工手段。催化裂化过程

24、通常由反应-再生系统、分馏系统和吸收-稳定系统等三部分组成。催化裂化过程的特点：催化裂化反应是复杂的并行-顺序反应，裂化反应的产物馏分范围宽催化裂化反应在催化剂条件下进行，由于催化剂活性受到积炭影响，因此，要反应和再生交替进行，裂化反应是吸热反应，催化剂再生是放热反应，因此，温度控制十分重要；催化裂化反应过程中有很多过程变量无法检测，例如，烧焦率、催化剂循环量、催化裂化体积转化率、再生器表观线速度，剂油比等，因此，要采用软测量的方法对这些过程变量进行检测和控制。催化裂化过程反应-再生系统的控制裂解气分馏塔的控制吸收-稳定系统的控制反再系统先进控制专家系统 10.8.3 乙烯生产过程的控制乙烯生

25、产工艺复杂，既有物理过程，又有化学反应过程，既有高温（1300），又有低温（-170），但均属于典型化工单元过程。这些单元之间衔接紧密，中间缓冲余地较小，因此，操作参数允许变化的范围很小，操作难度大，对自动控制提出了很高的要求。乙烯生产过程分为裂解、分离和制冷等三部分。 裂解过程的控制 裂解炉的控制要求： 乙烯收率是主要控制指标。通常采用下列控制性能指标：裂解深度 停留时间 汽烃比 负荷稳定是保证裂解炉处理量（原料和稀释蒸汽量）的稳定。 节能和安全 .裂解炉出口温度控制乙烯装置裂解炉有4组并联的炉管，每组炉管对应8个烧嘴，炉体侧面墙砌成23层台阶，烧嘴安装在台阶上，其轴线与辐射管沿管长方向相平

26、行，烧嘴火焰向下喷射，原料和稀释用蒸汽经对流段预热到590后，进入裂解炉辐射管，炉墙辐射热量使裂解原料发生反应，生成乙烯、乙烷、丙烯等。裂解温度的控制因受到临近炉管温度的影响，因此，是耦合系统，早期设计解耦控制系统。目前不少裂解炉出口温度控制不采用解耦控制而采用另外控制方案，每组炉管出口温度与相应的进料流量组成串级控制系统，调整某组炉管进料量不会影响其它炉管出口温度，即相互之间没有耦合，且响应速度快，能保持炉出口温度符合要求。.裂解炉的裂解深度控制 乙烯置裂裂解炉的裂解深度控制框图如图8-13所示。它以裂解气中丙烯分析值与甲烷分析值之比作为裂解深度的指标，通过控制器CCO101输出作为炉管出口温度控制器的设定，其中，通过分配器与出口温度平均值COT比较，其偏置模块的输出作为各出口温度控制器的设定，调节燃料量。 裂解炉生产能力控制 裂解炉汽烃比控制 裂解炉燃烧控制为保证裂解炉的燃烧完全，采用烟气氧含量作为主被控变量，用燃料量和空气组成变比值控制系统。 10. 8.4 聚合过程的控制聚合过程是在聚合反应釜内，在分散剂、缓冲剂、链转移剂、防粘剂、热稳定剂、引发剂和终止剂等助剂作用下，单体在一定温度和压力下聚合成为高分子聚合物的过程。 聚对苯二甲酸乙二酯（聚酯）过程控制聚氯乙烯过程的控制 生产聚氯乙