化工仪表及自动化：chap15 典型操作单元的控制方案

1、第十五章 典型操作单元的控制方案 第一节 流体输送设备的控制 第二节 传热设备的控制 第三节 精馏塔的控制 第四节 化学反应器的控制流体输送设备的控制 流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。 多数为流量或压力的控制 还有保护输送设备安全的控制泵、压缩机等设备离心式压缩机的防喘振控制定值控制，比值控制或串级控制 流体输送设备控制系统的特点：1控制通道的时间常数小。 被控变量和操纵变量是同一物料的流量，只是所处管道位置不同。 控制通道时间常数小，放大系数接近于1，广义对象特性中的测量变送及调节阀的容量滞后不能忽略。 2测量信号伴有高频噪声。 流量测量常采用节流元件，流体通过时湍动加大，

2、信号常伴有高频噪声。 不引入微分，以免对高频噪声放大影响系统平稳工作。流体输送设备的控制 流体输送设备控制系统的特点：1控制通道的时间常数小。 2测量信号伴有高频噪声。 3静态特性非线性。 流量系统的广义对象静态特性往往呈现非线性，尤其采用节流装置测量而又未加开方器时更为严重。 适当选择调节阀流量特性加以补偿，使广义对象特性近似为线性，以克服负荷变化对控制质量的影响。流体输送设备的控制第一节 流体输送设备的控制一、离心泵的控制方案二、往复泵的控制方案 一、离心泵的控制 二、往复泵的控制 三、离心式压缩机的控制一、离心泵的控制控制目的是将泵的排量恒定于某一给定值上。 1控制泵的出口阻力泵的流量特

3、性管道的流量特性一、离心泵的控制方案控制目的是将泵的排量恒定于某一给定值上 1控制泵的出口阻力泵的流量特性不变改变管道阻力改变管道流量特性阀门开度减小，管道阻力增加，曲线由C1C2C3，流量Q1Q2Q3注意调节阀一般应该安装在泵的出口管线上。 此方案总机械效率较低，尤其阀小开度时，阀上压降较大。对大功率泵，流量小于正常排量30%时，损耗功率大，不经济，不宜采用。一、离心泵的控制方案控制目的是将泵的排量恒定于某一给定值上 2控制泵的转速管道的流量特性不变改变泵的转速改变泵的流量特性转速由n1n2n3减小，曲线由C1C2C3，流量Q1Q2Q3一、离心泵的控制方案控制目的是将泵的排量恒定于某一给定值

4、上 2控制泵的转速若原动机是调速电机，可用电动调速装置控制。如直流调速装置、变频调速器等； 若是恒速电机，可在电机与泵之间安装调速机构，见图（a）；汽轮机驱动的离心泵，改变蒸汽量即可，见图（b）。 能耗最为经济，机械效率较高，但调速机构较复杂。多用于大功率重要的泵的控制。 一、离心泵的控制方案控制目的是将泵的排量恒定于某一给定值上 3控制出口旁路将部分排出量重新送回到泵的入口管路，改变旁路阀开度控制泵的实际排量。因调节阀前后压差大，流量小，尺寸可比控制出口流量小得多。 不经济，因旁路消耗一部分高压液体能量，使总机械效率降低，故很少采用。也可由压力控制代替流量控制第一节 流体输送设备的控制一、离

5、心泵的控制方案二、往复泵的控制方案 一、离心泵的控制 二、往复泵的控制 三、离心式压缩机的控制二、往复泵的控制方案往复泵是利用活塞在气缸中往复运动来输送流体。多用于流量较小、压头较高的场合。 理论流量为：n每分钟往复次数；F气缸截面积，m2；s活塞冲程，m；通过改变n、F、s来控制流量。 二、往复泵的控制方案1改变原动机转速 与离心泵调转速相同。汽轮机作原动机可改变蒸汽流量则改变往复次数，控制出口流量。 二、往复泵的控制方案2控制泵出口旁路 改变旁路阀开度控制实际排量。因高压流体部分能量白白消耗在旁路上，故经济性较差。3改变冲程s 计量泵常采用改变冲程s进行流量控制。 二、往复泵的控制方案 往

6、复泵出口管道上不允许安装控制阀。因往复泵活塞每往返一次，总有一定体积流体排出。在出口管线上节流时，压头H会大幅度增加。 在一定转速n下，随QH。因此改变出口管道阻力既达不到控制流量目的，又极易导致泵体损坏。严禁采用控制出口阻力的控制方案。注：第十五章 典型操作单元的控制方案 第一节 流体输送设备的控制 第二节 传热设备的控制 第三节 精馏塔的控制 第四节 化学反应器的控制第二节 传热设备的控制 一、传热设备的静特性 二、一般传热设备的控制 三、加热炉的控制一、传热设备的静特性U：传热系数；Am：传热面积；Tm：传热平均温度1、热量平衡冷流体吸收的热量等于热流体放出的热量G：质量流量；c：比热容

7、；2、传热速率方程两物体的温差是传热的动力，温差越大，传热速率越大T1、t1已知，T2 、 t2未知一、传热设备的静特性1、热量平衡2、传热速率方程第二节 传热设备的控制 一、传热设备的静特性 二、一般传热设备的控制 三、加热炉的控制二、一般传热设备的控制1、控制载热体流量 改变载热体流量就改变了传热量，从而达到调节出口温度的目的。 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。二、一般传热设备的控制1、控制载热体流量 若载热体上游压力不平稳，则可采取温度与流量（或压力）的串级控制方案。二、一般传热设备的控制1、控制载热体流量 当主要干扰是来自生产负荷（即工艺介质），且工艺对出口温度又

8、要求较高时，可采用前馈-反馈控制方案。二、一般传热设备的控制2、工艺介质分路 载热体流量增加到一定程度后其控制作用就很弱。可采用同一介质冷热直接混和的方法。 缩短了控制通道的滞后，反应迅速及时，但载热体流量一直处于高负荷下，对于采用专门的热剂时是不经济的。第二节 传热设备的控制 一、传热设备的静特性 二、一般传热设备的控制 三、加热炉的控制三、加热炉的控制1、简单控制 适用于对炉出口温度要求不十分严格，燃料总管压力比较平稳，外来干扰缓慢且较小，炉膛容量较小的场合。三、加热炉的控制2、炉出口温度与炉膛温度串级控制 副回路能控制较多干扰，如燃料热值变化、燃料压力波动。 副回路不能克服的原料方面(入

9、口流量/温度/组分）干扰，通过主回路克服。三、加热炉的控制3、炉出口温度与燃料油压力的串级控制 该方案主要用以克服燃料总管的压力干扰，一般燃料的压力测量往往较流量测量简便，特别是在以燃料油为燃料，管道又较细，流量测量较困难的场合。第十五章 典型操作单元的控制方案 第一节 流体输送设备的控制 第二节 传热设备的控制 第三节 精馏塔的控制 第四节 化学反应器的控制第三节 精馏塔的控制 一、精馏塔的干扰因素 二、精馏塔的自动控制要求 三、精馏塔的控制方案一、精馏塔的干扰因素进料流量F 的波动进料成分ZF的变化进料温度及进料热焓QF的变化再沸器加热剂压力变化冷却剂压力波动环境温度的变化 第三节 精馏塔

10、的控制 一、精馏塔的干扰因素 二、精馏塔的自动控制要求 三、精馏塔的控制方案二、精馏塔的自动控制要求1、保证质量指标 应使塔顶或塔底产品之一合乎规定的浓度，间接指标是温度。2、保证操作平稳 应使塔顶或塔底的平均采出量之和等于平均进料量，且变动较为缓和，便于上下工序的平稳操作。 应使塔的输入、输出能量维持平衡，使塔的操作压力维持稳定。二、精馏塔的自动控制要求3、约束条件的要求液泛限：气相速度限，塔内气相上升速度过高，雾沫夹带十分严重，液相从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛。漏液限：最小气相上升速度限。过小，则产生塔板漏液。压力限：塔的操作压力限，不能过大，否则会影响塔内的气液平衡。第三节 精馏塔

11、的控制 一、精馏塔的干扰因素 二、精馏塔的自动控制要求 三、精馏塔的控制方案三、精馏塔的控制方案被控变量： 塔顶产品浓度（温度）； 塔底产品浓度（温度）； 回流罐液位； 塔底液位； 塔压； 操纵变量： 物料平衡： 塔顶产品D；塔底产品B能量平衡： 回流量LR； 再沸器加热量H；冷凝器冷却量C； 三、精馏塔的控制方案1、提馏段温度控制提馏段温控的主要特点与使用场合： 采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映提馏段产品情况。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。 三、精馏塔的控制方案1、提馏段温度

12、控制主控系统辅助控制系统塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制；进料定值（均匀）控制；塔顶压力、回流定值系统；塔底采出为主要产品，塔釜成分要求比塔顶馏出液高。 提馏段塔板温度为被控变量，加热蒸汽为操纵变量。H精馏塔回流罐底部产品B冷却剂C顶部产品D再沸器回流LRTTTCFTFCPTPCFCFTLTLCLTLC三、精馏塔的控制方案2、精馏段温度控制精馏段温控的主要特点与使用场合： 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。 三、精馏塔的控制方案2、精馏段温度控制主控系

13、统辅助控制系统塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制；进料定值（均匀）控制；塔顶压力、再沸器热源定值系统；塔顶采出为主要产品，塔顶馏出液要求比塔釜成分高 以精馏段温度作为衡量质量的间接参数，改变回流量作为控制手段。H精馏塔回流罐底部产品B冷却剂C顶部产品D再沸器回流LRFCFTFCPTPCTCTTLTLCLTLCFT第十五章 典型操作单元的控制方案 第一节 流体输送设备的控制 第二节 传热设备的控制 第三节 精馏塔的控制 第四节 化学反应器的控制第四节 化学反应器的控制 一、反应器的控制要求 二、反应器的控制方案一、反应器的控制要求化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。常以温度作为被控变量，反映质量指标。1、质量指标2、物料平衡为使反应正常，转化率高，必须维持反应器的物料平衡和能量平衡，配比符合要求。常采用流量定值控制或比值控制维持物料平衡；采用温度控制维持能量平衡。3、约束条件对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。 第四节 化学反应器的控制 一、反应器的控制要求 二、反应器的控制方案二、反应器的控制方案1、单回路温度控制系统 反映热量由冷剂带走，通过控制冷剂流量来稳定反应温度。 冷剂流量相对较小，釜温与冷剂温差大，当反应器内部温度不均匀时，易造成局部过热或过冷。二、