07自动化仪表应用实例

1、第7章 自动化仪表应用实例 返回总目录 大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制传热设备备的控制制本 章小小结结思考题与与习题本章内容容大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制一、大中中型工业业锅炉的的工艺过过程常见的锅锅炉设备备的主要要工艺流流程如图图7.1所示。由由图可知知，燃料料和热空空气按一一定比例例送入燃燃烧室燃燃烧，生生产的热热量传递递给蒸汽汽发生系系统，产产生饱和和蒸汽。饱和蒸蒸汽经过过热器后后形成一一定气温温的过热热蒸汽，汇集至至蒸汽母母管。压压力为的的过热蒸蒸汽，经经负荷设设备控制制供给负负荷设备备用。与与此同时时，燃烧烧过程中中产生

2、的的烟气，除将饱饱和蒸汽汽变成过过热蒸汽汽外，还还分别经经过省煤煤器和空空气预热热器对锅锅炉给水水和燃烧烧用空气气进行预预热，以以充分利利用热能能，最后后经引风风机送往往烟囱，排入大大气。从锅炉的的生产过过程和设设备情况况看，它它是一个个比较复复杂的被被控对象象，其输输入变量量主要有有：负荷荷、锅炉炉给水、燃料量量、减温温水、送送风和引引风等；输出变变量主要要有：汽汽包水位位、蒸汽汽压力、过热蒸蒸汽温度度、炉膛膛负压、过剩空空气(烟气含氧氧量)等。如果果将锅炉炉等效为为一个黑黑匣子，那么就就可以用用如图7.2所示的简简图表达达它的输输入输出出变量之之间的关关系。由由图可以以看出，这些输输入输出

3、出变量之之间并非非简单的的一一对对应的关关系，而而是相互互关联的的，具有有一定的的耦合特特性，所所以锅炉炉设备是是一个多多输入、多输出出且相互互关联的的复杂被被控对象象。大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制假设其外外部设备备的用汽汽负荷发发生变化化，必将将会引起起汽包水水位、蒸蒸汽压力力和过热热蒸汽温温度等的的变化；而燃料料量的变变化不仅仅影响蒸蒸汽压力力，同时时还会影影响到汽汽包水位位、过热热蒸汽温温度、过过剩空气气和炉膛膛负压等等参数；给水量量的变化化将直接接影响汽汽包水位位，同时时还对蒸蒸汽压力力、过热热蒸汽温温度等产产生间接接影响。所以，要想精精确地对对锅炉的的所有输输出量进进

4、行控制制是一个个比较困困难的事事。在目目前控制制系统中中，大多多数情况况是对锅锅炉进行行适当的的假设后后，将锅锅炉设备备控制划划为若干干独立个个子系统统，通过过各个子子系统的的分别对对相应的的变量进进行控制制，一般般不需考考虑变量量之间的的相互影影响，从从而是锅锅炉控制制变得比比较简单单。本节节仅就其其中汽包包的液位位检测与与控制作作相应的的讨论。图7.1锅炉设备备主要工工艺流程程图大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制二、锅炉炉汽包水水位的检检测与控控制1.汽包水位位的控制制要求汽包是锅锅炉的重重要组成成部分，其水位位高低会会影响整整个系统统的安全全性。如如果水位位过低，则由于于汽包内

5、内的水量量较少，而气化化速度快快，若控控制不及及时，就就会在很很短的时时间内使使汽包内内的水全全部气化化，导致致锅炉烧烧坏和爆爆炸；水水位过高高将会影影响汽包包的水汽汽分离效效果，产产生蒸汽汽带液现现象，会会使过热热器管壁壁结垢导导致损坏坏，同时时过热蒸蒸汽温度度急剧下下降，该该蒸汽作作为汽轮轮机动力力的话，还会损损坏汽轮轮机叶片片，如果果有大量量的水进进入蒸汽汽管道，还会导导致蒸汽汽管道爆爆管的严严重后果果。可以以看出，汽包的的水位直直接影响响锅炉运运行的安安全性与与经济性性，是锅锅炉运行行的一个个非常重重要的指指标，无无论过高高或过低低都会引引起极为为严重的的后果，对它的的控制必必须是及及

6、时而又又准确的的。图7.2锅炉对象象简图大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制2.汽包水位位的动态态特性对汽包水水位控制制的研究究已经经经历的很很长时间间，逐渐渐形成了了一套行行之有效效的控制制方法。之所以以对它进进行大量量的研究究，不仅仅是由于于它的重重要性，还在于于它的对对象特性性具有很很强的特特殊性，主要表表现在其其水位在在外界扰扰动作用用下的变变化过程程与一般般液位对对象存在在明显区区别，需需要进行行特殊的的分析。汽包内内的水位位高低与与蒸汽负负荷量D、补充给给水量W、补充水水温T、汽包蒸蒸汽压力力PD等参数都都有关系系，而其其中影响响作用比比较大的的主要是是蒸汽负负荷和给给水量

7、。一般而而言，通通常用给给水量来来直接影影响水位位，所以以把给水水量对水水位的影影响称为为控制通通道影响响，把蒸蒸汽负荷荷对水位位的影响响称为干干扰通道道影响。1)干扰通道道的动态态特性蒸汽负荷荷(向外提供供的蒸汽汽流量)对水位的的影响主主要指在在燃料量量不变的的前提下下，蒸汽汽流量突突然变化化导致的的水位变变化情况况。假设设给水量量没有同同时变化化，如果果按照常常规的物物料平衡衡原则来来考虑，必然是是物料流流出量大大于流入入量，水水位应该该随之下下降。但但是汽包包是一个个特殊对对象，水水位的变变化情况况远比常常规对象象来得复复杂。由由于蒸汽汽流量突突然增加加，就使使短时间间内汽包包内饱和和蒸

8、汽压压力迅速速下降，造成汽汽包内水水的沸点点突然降降低，汽汽化过程程加剧，水面以以下气泡泡不仅数数量迅速速增加而而且体积积增大，将水位位整体抬抬高，形形成虚假假的水位位上升现现象，与与一般对对象的水水位变化化恰恰相相反，这这种现象象被称为为假水位位现象。式中，t曲线H1的飞升速速度；K2曲线H2的放大倍倍数；T2曲线H2的时间常常数。大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制(7-1)假水位变变化的大大小与锅锅炉的工工作压力力和蒸发发量等有有关，一一般蒸发发量为100300T/h的中高压压锅炉在在负荷突突然变化化10%时，假水水位可达达30mm40mm。对于这这种假水水位现象象，在设设计控制

9、制方案时时必须加加以重视视。2)控制通道道的动态态特性在给水流流量作用用下，汽汽包也不不能仅仅仅当作常常规单容容对象来来考虑，其阶跃跃响应曲曲线如图图7.4所示。对对于常规规单容无无自衡对对象而言言，水位位响应曲曲线如图图7.4中曲线所所示；但但由于给给水温度度要大大大低于比比汽包内内饱和水水的温度度，所以以给水量量增加后后，汽包包内的水水温必然然随之下下降，导导致水中中气泡含含量减少少、体积积下降，引起水水位下降降。因此此实际的的水位响响应曲线线如图中中曲线所所示，即即当突然然加大给给水量后后，汽包包水位并并不立即即增加，而要呈呈现出一一段起始始惯性段段。用传传递函数数来描述述时，它它相当于

10、于一个积积分环节节和一个个纯滞后后环节的的串联，可表示示为：在蒸汽流流量扰动动下，水水位变化化的阶跃跃响应曲曲线如图图7.3所示。当当蒸汽流流量突然然增加时时，由物物料平衡衡原理得得出的水水位变化化如曲线线所示，而由于于假水位位导致的的水位变变化如曲曲线所示示，整体体水位的的变化则则为二者者的叠加加，即大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制其变化情情况如曲曲线所示示。从图图7.3中可以看看出，在在水位变变化的初初始阶段段水位不不仅不会会下降，反而先先上升，过一段段时间后后才开始始下降(反之，当当蒸汽流流量突然然减少时时，则水水位先下下降，然然后上升升)。图7.3蒸汽流量量扰动下下水位的的

11、阶跃响响应曲线线曲线的传传递函数数为一般而言言，纯滞滞后时间间与给水温温度相关关，水温温越低，滞后时时间越长长。一般般约在15s100s之间。如如采用省省煤器，则由于于省煤器器本身的的延迟，会使增增加到100s200s。3)其他干扰扰因素的的影响除了上述述两个比比较主要要的影响响之外，给水温温度变化化、锅炉炉排污、吹灰等等过程也也会对汽汽包水位位造成影影响。给给水温度度会影响响水面下下的气泡泡数量和和体积；锅炉排排污则要要排出汽汽包的部部分陈水水；吹灰灰时要使使用锅炉炉自身的的蒸汽，这些都都对是水水位有影影响，但但都属于于短时间间的扰动动，可以以很快被被抑制下下来，无无需做特特殊处理理。3.汽

12、包水位位的控制制方案1)单冲量控控制系统统大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制图7.4给水流量量作用下下水位的的阶跃响响应曲线线(7-2)控制汽包包水位时时常选给给水量作作为操作作变量，由此可可组成如如图7.5所示的普普通单冲冲量控制制系统。这里指指的单冲冲量即汽汽包水位位。这种种控制系系统是典典型的单单回路控控制系统统。对于于部分小小型锅炉炉来说，由于蒸蒸发量少少，水在在汽包内内停留时时间较长长，所以以在蒸汽汽负荷变变化时，假水位位的现象象并不显显著，如如果使用用单冲量量控制系系统配用用联锁报报警装置置，也能能够保证证系统的的安全性性操作，满足生生产的要要求。而而大中型型锅炉的的蒸发

13、量量相当大大，当蒸蒸汽负荷荷突然大大幅度增增加时，假水位位现象比比较明显显，调节节器收到到错误的的假水位位信号后后，不但但不开大大给水阀阀增加给给水量，以维持持锅炉的的物料平平衡，满满足蒸汽汽量增大大的要求求，反而而关小调调节阀的的开度，减少给给水量。这种情情况被称称为调节节器的误误动作，是由假假水位引引起的。等到假假水位消消失后，由于蒸蒸汽量增增加而送送水量减减少，将将使水位位显著下下降，严严重时甚甚至会使使汽包水水位降到到危险程程度以致致发生事事故。因因此单冲冲量系统统不能胜胜任对大大中型锅锅炉的控控制，水水位得不不到保证证。2)比值控制制系统从物料平平衡的角角度来看看，只要要保证任任一时

14、刻刻蒸汽流流出量与与给水流流入量之之间是等等量关系系，就能能够保证证水位的的恒定，如图7.6所示的比比值控制制系统就就是建立立在这样样的控制制思想上上的。这这样，给给水量随随着蒸汽汽负荷的的变化而而变化，而且变变化方向向和数量量是完全全相同的的，可以以以此来来避免在在单冲量量方案中中出现的的调节器器误动作作。大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制图7.5单单冲量控控制系统统图7.6比比值控制制系统当对蒸汽汽流量的的测量是是直接测测量质量量时，图图中的比比值系数数可以定定为1或稍大于于1，此时就就可以满满足给水水量跟随随蒸汽量量变化的的要求。从图

15、中可可以看出出，这种种方案也也可视为为一种前前馈补偿偿方案，补偿器器就是比比值器。此方案案对于蒸蒸汽负荷荷方面的的扰动具具有很好好的抑制制作用，但是由由于没有有真正监监视水位位的变化化情况，所以由由其他扰扰动引起起的水位位变化完完全不得得而知，也就不不可能对对其他的的扰动影影响进行行调节，所以只只能是一一种探讨讨型方案案，不能能应用在在实际系系统中。大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制3)双冲量控控制系统统综合单冲冲量控制制系统和和比值控控制系统统的特点点，不难难设计出出如图7.7所示的双双冲量控控制系统统。该系系统是在在单冲量量控制系系统的基基础上适适当引入入了对蒸蒸汽流量量的监视视

16、，起到到对水位位的补充充校正作作用，就就可以大大大减弱弱假水位位引起的的调节器器误动作作。图7.7(a)是双冲量量控制系系统的原原理图，图7.7(b)是其框图图。由图图知，这这其实是是一个前前馈与单单回路的的复合控控制系统统。其控控制思路路是：测测量出蒸蒸汽负荷荷的大小小，根据据物料平平衡原理理，只要要给水量量与蒸发发量完全全相等，那么水水位将保保持不变变，从而而克服假假水位的的影响，也就是是利用前前馈控制制抑制负负荷扰动动；其他他干扰因因素引起起的水位位变化则则由反馈馈控制来来克服。这样的的设计思思路不仅仅能削弱弱调节器器的误动动作，还还能使调调节阀动动作及时时、水位位波动减减弱，起起到改善

17、善控制品品质的作作用。图图7.7(a)中的加法法器输出出是图7.7双双冲量控控制系统统原理图图与框图图大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制由框图可可知，起起着静态态前馈控控制器的的作用，按前馈馈控制器器设计原原理，有有(7-3)(7-4)因为KPD一般为负负、KMD和KPH均为正，所以K2的符号取取决于调调节阀的的符号。当采用用气开阀阀时，KV为正，K2则为正；当采用用气关阀阀时，则则相反。调节阀阀气开与与气关的的选用，一般从从生产安安全角度度考虑。如果高高压蒸汽汽是供给给蒸汽透透平压缩缩机或汽汽轮机，那么为为保护这这些设备备选用气气开阀为为宜；如如果蒸汽汽仅用作作加热剂剂，为保保护锅

18、炉炉采用气气关阀为为宜。式(7-4)提供了求求取K2的原理算算式。事事实上，由于锅锅炉的情情况特殊殊，K2一般不按按照该式式求取，而是按按以下思思路求取取。设阀阀门安装装特性工工作点斜斜率为KV，则(7-5)大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制式中，P阀门输入入信号变变化量；W阀动作后后引起的的给水流流量变化化量。假定蒸汽汽流量的的测量变变送为线线性(如孔板加加开方器器)，则由物料平平衡关系系可以得得到静态态补偿关关系，即即在蒸汽汽量负荷荷变化时时，应使使(7-6)(7-7)将式(7-6)代入式(7-7)得(7-8)而由框图图7.7(b)知(7-9)由上述两两式可得得(7-10)大中型

19、工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制需要说明明的是，蒸汽流流量信号号的引入入只是削削弱了由由假水位位现象引引起的调调节器误误动作，并没有有削弱假假水位现现象，假假水位现现象是大大中型锅锅炉汽包包必然存存在的物物理过程程，想要要对它进进行限制制或削弱弱是很困困难的。同时，负荷扰扰动引起起的水位位变化速速度比给给水变化化引起的的水位变变化速度度要快得得多，所所以即使使利用给给水对符符合扰动动进行调调节，也也会产生生较大的的水位波波动，因因此必须须对符合合符合变变化的幅幅度加以以限制。4)三冲量控控制系统统在双冲量量控制系系统中，还存在在一些问问题：对对蒸汽流流量的测测量不可可能完全全准确；给水流

20、流量是否否与蒸汽汽流量相相等无法法得知；控制阀阀的工作作特性不不一定成成为线性性，对蒸蒸汽负荷荷变化要要做到静静态补偿偿比较困困难；不不能克服服给水扰扰动等。所以，就需要要在双冲冲量方案案的基础础上再引引入给水水流量信信号，构构成三冲冲量控制制系统，如图7.8所示。可可以看出出，这是是前馈与与串级控控制组成成的复合合控制系系统。串串级系统统的主回回路直接接控制水水位，用用于抑制制除负荷荷扰动之之外的其其他扰动动；副回回路是流流量随动动系统，与蒸汽汽流量的的静态前前馈系统统一起控控制负荷荷扰动。与一般般的串级级控制系系统类似似，主回回路采用用比例积积分调节节规律，副回路路采用纯纯比例或或比例积积

21、分调节节规律。在这样样的三冲冲量复合合控制系系统中，串级控控制和前前馈控制制组成了了一个完完善的整整体，能能够比较较全面、准确地地完成控控制任务务。大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制图7.8三冲量控控制系统统图7.9三冲量控控制系统统的连接接图和框框图图7.9所示是三三冲量控控制系统统的连接接图和框框图。系数设置置：系数数K1通常可取取1或稍小于于1；K2可按式(7-11)取值；至至于的的设置与与双冲量量控制系系统相同同。水位位调节器器和流量量调节器器的参数数整定方方法与一一般串级级控制系系统相同同。(7-11)大中型工工业锅炉炉汽包液液位的检检测与控控制无论是双双冲量控控制方案案还

22、是三三冲量控控制方案案，都利利用了蒸蒸汽负荷荷作为前前馈控制制信号，所以，对蒸汽汽流量的的检测成成为非常常重要的的环节。一般地地，对蒸蒸汽流量量的检测测可以采采用测体体积或者者测质量量两种方方式，从从保持物物料平衡衡的角度度来看，采用测测质量的的方法相相对好一一些。由由于目前前大多数数场合下下测量蒸蒸汽流量量都是使使用孔板板式差压压流量计计测体积积，所以以可以在在孔板后后再增加加一个测测量蒸汽汽密度的的装置，利用体体积流量量和蒸汽汽密度计计算出蒸蒸汽的质质量流量量，将它它作为前前馈信号号来使用用。如果果不增加加密度计计，也可可利用过过热蒸汽汽的压力力和温度度查出当当前状态态下饱和和蒸汽的的密度

23、，把它作作为系数数与蒸汽汽体积流流量相乘乘得到质质量流量量。这两两个方案案中，前前者的实实时性较较好，能能比较及及时地反反应蒸汽汽质量流流量的变变化；而而后者的的投资较较小，但但不能保保证蒸汽汽质量流流量的瞬瞬时准确确性。由由于蒸汽汽流量的的检测精精度对汽汽包水位位的控制制有着特特殊意义义，所以以应该在在允许的的情况下下尽可能能地提到到蒸汽流流量的检检测精度度。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制一、连续续精馏的的工艺流流程和装装置精馏过程程是化工工、炼油油生产过过程中一一个十分分重要的的环节，对精馏馏过程的的控制质质量直接接影响到到企业的的产品质质量、产产量和能能量的消消耗量，因此精精馏过程程

24、的控制制一直是是受到高高度重视视的典型型控制系系统之一一。精馏馏过程是是把混合合液体中中的不同同组分利利用各组组分自身身挥发度度的不同同实现组组分分离离的过程程，一般般把混合合液中的的轻质组组分分离离成汽态态，重质质组分分分离为液液态。被被精馏的的原料可可以是两两种或两两种以上上的组分分的混合合液，称称为二元元组分或或多元组组分。由由于多元元组分精精馏在一一定情况况下可以以简化为为二元组组分精馏馏，所以以一般以以二元组组分混合合液作为为模型讨讨论精馏馏过程。为简便便起见，本节所所讨论的的精馏过过程均以以二元组组分为对对象。简简单来讲讲，精馏馏的过程程就是迫迫使混合合物的汽汽、液两两相在精精馏装

25、置置中作逆逆向流动动，在相相互接触触的过程程中，液液相中的的轻质组组分逐渐渐吸收热热量转入入汽相，而汽相相中的重重质组分分释放热热量转入入液相，所以精精馏过程程实质上上是一种种伴随有有传热过过程的传传质过程程。传质质是精馏馏的目的的，传热热是精馏馏的手段段。在精精馏过程程中混合合液在精精馏装置置里反复复地进行行部分汽汽化和部部分冷凝凝，转变变为预期期的多种种产品。完成精精馏过程程的主要要装置叫叫做精馏馏塔，此此外还有有再沸器器、冷凝凝器、回回流罐和和回流泵泵等辅助助设备。目前，工业上上一般所所采用的的连续精精馏装置置的流程程如图7.10所示。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制原料F从精馏塔塔中

26、段某某一块塔塔板上进进入，这这块塔板板称为进进料板。精馏塔塔在进料料板以上上的部分分称为精精馏段，进料板板以下部部分称为为提馏段段。进入入塔内的的混合液液中的低低沸点组组分(易挥发组组分)较易汽化化而向塔塔顶流动动；高沸沸点组分分(难挥发组组分)则更多地地以液体体形态向向塔底流流动，在在流动过过程中不不断地与与塔内上上升蒸汽汽在各层层塔板上上充分接接触并且且传热和和传质。向下流流动的液液体到达达塔釜后后，一部部分被连连续地引引出成为为塔底产产品B；另一部部分则在在再沸器器中被加加热，汽汽化后又又返回塔塔中循环环传质。塔内上上升的蒸蒸汽依次次经过所所有的塔塔板，蒸蒸汽中易易挥发组组分的浓浓度逐渐

27、渐增高，上升到到塔顶后后进入冷冷凝器被被冷凝成成为液体体，经回回流罐和和回流泵泵后一部部分作为为塔顶产产品D连续引出出，另一一部分则则引回到到顶部的的塔板上上用作为为塔内冷冷却液，称为回回流量L。图7.10连连续精精馏装置置的工艺艺流程石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制精馏过程程的产品品是从混混合液中中分离出出来的，无论精精馏过程程多么细细致，其其产品中中不可避避免地留留有其他他组分，所以各各种产品品的纯度度就成为为精馏过过程重点点关注的的指标。二、精馏馏过程的的控制目目标精馏塔控控制的首首要目标标就是要要满足产产品质量量，即保保证各种种产品的的纯度；同时还还应该考考虑生产产过程的的经济效效益

28、问题题，要使使总的收收益最大大或总的的成本最最小。因因此，精精馏塔的的控制要要求，体体现在质质量指标标(产品纯度度)、产品产产量和能能量消耗耗三个方方面，这这三个方方面又是是相互影影响、相相互制约约的，因因此必须须进行综综合考虑虑。除了了这三个个主要指指标之外外，还有有一些附附加的控控制要求求需要考考虑。1.质量指标标精馏的过过程是非非常复杂杂的，要要做到它它的所有有产品纯纯度都是是完全满满足要求求是相当当困难的的。一般般地，只只要保证证塔顶或或塔底产产品之一一应该保保证达到到规定的的纯度，而另一一产品也也应保证证在规定定的范围围内就可可以了。只有在在非常精精细的精精密精馏馏过程中中，才要要求

29、做到到塔顶、塔底产产品纯度度都满足足规定值值。在二元组组分精馏馏中，情情况较简简单，质质量指标标就是使使塔顶产产品中轻轻组分纯纯度符合合技术要要求或塔塔底产品品中重组组分纯度度符合技技术要求求。在多多元组分分精馏中中，情况况较复杂杂，一般般仅控制制关键组组分。所所谓关键键组分，是指对对产品质质量影响响最大的的组分。塔顶产产品中挥挥发度较较大的关关键组分分称为轻轻关键组组分，塔塔底产品品中挥发发度较小小的关键键组分称称为重关关键组分分。有时时，对多多元组分分的分离离可简化化为对二二元关键键组分的的分离，也相应应地简化化了精馏馏操作。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制应当指出出，对产产品质量量的控

30、制制应该要要求在刚刚好能满满足规定定值即可可，即处处于“卡卡边”生生产状态态，完全全没有必必要超出出规定值值。超过过规格的的产品并并不能提提高售价价，反而而会导致致能耗的的增大和和产量的的降低，对提高高经济效效益是不不利的。2.产品产量量和能量量消耗为保证企企业的经经济效益益，精馏馏塔不仅仅要保证证产品质质量，还还要保证证一定的的产量和和尽量降降低能量量消耗。精馏塔塔的能量量消耗主主要来自自混合液液的分离离过程，包括再再沸器的的加热和和冷凝器器的冷却却耗能。此外，塔的其其他附属属设备及及管线也也要散失失一部分分热量和和冷量。分析可知知，产品品纯度越越高，产产品产量量越大，则所消消耗的能能量越多

31、多。产品品产量、产品纯纯度及能能量消耗耗三者之之间存在在着一定定的数值值关系。有数据据表明，在一定定的能耗耗下，随随着产品品纯度的的提高，会使产产品的产产量迅速速下降，纯度越越高，下下降速度度越快。如果保保持纯度度不变，增加能能耗可以以提高产产品产量量，但只只在初始始阶段有有明显效效果，一一旦当能能耗达到到一定程程度以后后，产量量的增加加幅度就就明显下下降。3.其他要求求为保证系系统的正正常平稳稳运行，应该尽尽可能在在进塔之之前的主主要可控控干扰都都抑制下下来，还还要缓和和一些不不可控的的主要扰扰动。例例如原料料的温度度、加热热剂和冷冷却剂的的压力、保证进进料量与与引出量量的平衡衡关系等等。这

32、些些参数的的变化都都会引起起传质和和传热过过程的稳稳定和效效率，对对这些参参数的变变化应及及早克服服。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制三、精馏馏过程的的静态和和动态特特性精馏是一一个传热热和传质质的过程程，它必必然遵循循基本的的能量和和物料守守恒原则则，所有有的影响响因素也也通过这这两个基基本原则则影响精精馏过程程。精馏馏塔的静静态特性性就反映映了影响响因素与与精馏效效果之间间的定量量关系；动态特特性则反反映了精精馏塔各各参数变变化时这这些参数数之间的的动态关关系以及及对精馏馏过程的的动态影影响。这这里仅以以二元精精馏过程程为对象象讨论精精馏塔的的静态和和动态特特性。1。精馏塔塔的静态态特性

33、1)全塔物料料平衡在稳态工工况下，进塔原原料量必必须等于于引出产产品量，即(7-12)轻组分的的物料平平衡关系系为(7-13)从式(7-12)和式(7-13)可解得(7-14)石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制式(7-14)表明，进进料量在在产品中中的分配配量(或)是决定塔塔顶和塔塔底产品品中轻组组分质量量浓度XD和XB的主要因因素。D/F的改变将将直接导导致XD和XB的改变。另外XF，进料组组分质量量浓度也也是一个个影响XD和XB的重要因因素。2)能量平衡衡在稳态工工况下，通过传传热和进进料带入入精馏塔塔的所有有能量必必然与通通过传热热和产品品带出的的离开塔塔的能量量相平衡衡。如果果不考虑虑

34、能量损损失，能能量平衡衡关系式式为(7-15)上式并未未明确表表示能量量与产品品纯度的的直接关关系，但但是式(7-15)中的每一一项都将将影响塔塔内上升升蒸汽量量V，而V与产品纯纯度的关关系近似似为(7-16)石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制3)内部物料料平衡对精馏塔塔内部的的物料平平衡，主主要考虑虑进料板板、精馏馏段和提提馏段3部分的状状态。由由于精馏馏过程的的影响因因素很多多，这里里只对如如图7.11所示的二二元精馏馏塔在以以下假设设的前提提下进行行讨论。(1)在精馏段段内，通过各层层塔板的的上升蒸蒸汽流量量Vr均相等；(2)在提馏段段内，通过各层层塔板的的上升蒸蒸汽流量量Vs均相等；V

35、s=V(V为再沸器器内蒸汽汽量)；(3)在精馏段段内，通过各层层塔板的的下流液液体流量量Lr均相等；Lr称为内回回流，当当回流温温度等于于塔顶温温度时，内回流流Lr等于外回回流L。图7.11二二元精精馏塔各各项物料料情况(4)在提馏段段内，通过各层层搭板的的下流液液体流量量均相等等；(5)回流罐和和塔底液液位不变变；(6)塔压保持持不变。在以上这这些条件件下，有下述平平衡关系系。(1)加料板上上的物料料平衡为为石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制(7-17)对于其他他情况下下的进料料，则需需依据热热量平衡衡关系作作相应的的考虑。(2)精馏段的的物料平平衡。精馏段的的物料平平衡关系系如图7.12所

36、示。对对精馏段段内任一一塔板以以上作物物料平衡衡计算，轻组分分的物料料平衡关关系式为为(7-18)式(7-18)可改写为为(7-19)上式表明明了精馏馏段内任任一塔板板的气相相浓度与与气液比比Lr/Vr和D/Vr之间的关关系。改改变气液液比必将将使塔板板上浓度度发生变变化。然然而，气气液比除除了决定定于再沸沸器上升升蒸汽量量Vr以外，还还决定于于回流量量Lr与塔顶采采出量D。通常将将回流量量与采出出量R之比称为为回流比比，即(7-20)石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制当D=0时，称为全回回流。由由此可知知，要改改变精馏馏塔的操操作工艺艺，应操操作精馏馏塔的回回流比和和再沸器器上升蒸蒸汽量，通

37、过内内部平衡衡关系，使每块块塔板上上的浓度度改变，从而导导致最终终产品纯纯度的变变化。塔顶和冷冷凝器的的物料平平衡关系系为(7-21)图7.12精馏段的的物料平平衡关系系(3)提馏段的的物料平平衡。其平衡关关系如图图7.13所示。对对提馏段段内任一一塔板以以下作物物料平衡衡计算，轻组分分的物料料平衡关关系式为为(7-22)式(7-22)亦可改写写为(7-23)石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制通过以上上对进料料板、精精馏段、提馏段段物料平平衡关系系的分析析，可知知影响精精馏过程程的主要要因素有有：进料料量、进进料中轻轻、重组组分各自自的质量量浓度、进料温温度和进进料状态态、再沸沸器的加加热量、

38、冷凝器器的冷却却量、回回流量、塔顶引引出量、塔底引引出量、塔压。上述各各种影响响因素中中有些是是可控制制的，有有些是不不可控制制的。一一般情况况下，进进料量和和进料浓浓度是不不可控制制的。进进料温度度和状态态对塔的的操作影影响较大大，所以以在单相相进料时时采用进进料温度度控制来来克服这这种扰动动，而在在两相进进料时，则利用用控制产产出物的的焓以克克服扰动动。对于于冷凝器器的冷却却量和再再沸器的的加热量量，一般般都用定定值控制制系统来来加以稳稳定。式(7-23)表明了在在提馏段段内任一一塔板上上的气相相浓度与与气液比比的关系系。同样样，要使使塔的操操作工况况改变，应操作作塔的回回流比和和再沸器器

39、上升蒸蒸汽量，从而通通过内部部平衡关关系最终终改变产产品的纯纯度。塔底和再再沸器的的物料平平衡关系系为(7-24)图7.13提馏段物物料平衡衡关系石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制总之，从从前面对对塔的静静态特性性和内部部平衡关关系的分分析，不不难看到到，为了了克服塔塔的主要要扰动，可以通通过对以以下参数数的控制制保证精精馏过程程的正常常进行：塔顶采采出量、塔底采采出量、回流罐罐排气量量、回流流量、再再沸器加加热量、冷凝器器冷却量量。前三三个量是是通过影影响全塔塔的物料料平衡与与塔的内内部物料料平衡来来起到控控制作用用；后三三个量直直接改变变塔的能能量平衡衡关系和和改变塔塔内气液液比，从从而起

40、到到控制质质量的作作用。2.精馏塔各各参数的的动态影影响分析析精馏过程程受到干干扰后上上述各参参数对塔塔操作的的影响速速度是各各不相同同的，因因此在设设计控制制方案时时，必须须考虑参参数间的的动态影影响，才才能使控控制系统统及时克克服各参参数对塔塔操作的的影响。由于精精馏塔是是一个多多变量、时变和和非线性性的对象象，各变变量之间间又存在在相互关关联，因因此定量量分析参参数间动动态影响响并且建建立其数数学模型型是比较较困难的的，这里里仅定性性地从几几个侧面面分析塔塔的动态态影响。1)上升蒸汽汽和回流流的影响响在精馏塔塔内，上上升蒸汽汽流量变变化的响响应是相相当快的的。由于于上升蒸蒸汽只需需克服塔

41、塔板上极极薄覆盖盖的液相相阻力，而塔内内气相蓄蓄存量的的变化在在塔压一一定时可可忽略不不计，因因此上升升蒸汽量量的变化化几秒内内就可影影响到塔塔顶。与上升蒸蒸汽造成成的影响响相比，向下流流动的液液相的滞滞后是相相当大的的。这是是因为回回流量增增加时，必须先先使塔板板上的液液相蓄存存量增加加，然后后在增加加的液体体静压作作用下，才使离离开塔板板的液相相速度增增加，因因此时回回流量变变化的响响应存在在着滞后后。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制此可见，除顶部部塔板外外，要使使塔的任任何一点点的气液液比发生生变化，用再沸沸器的加加热量作作为操作作变量得得到的响响应要比比用回流流量作操操作量是是来得快

42、快。2)组分滞后后的影响响无论是改改变上升升蒸汽量量变化还还是改变变回流量量，都必必须通过过改变每每块塔板板上组分分之间的的平衡，最终才才引起顶顶部产品品或底部部产品组组分的质质量浓度度的变化化。由于于组分要要达到静静态平衡衡需要较较长时间间，因此此尽管上上升蒸汽汽量变化化可以很很快影响响到塔顶顶组分的的质量浓浓度，但但要使塔塔顶组分分的质量量浓度变变化并达达到一个个新的平平衡仍需需花费相相当长的的时间。回流变变化时花花费的时时间更多多。这就就是说，塔板上上的组分分平衡要要等到影影响组分分的液相相或气相相流量稳稳定相当当时间后后才能建建立。组分滞后后是必然然存在的的，它随随着塔板板上液相相蓄存

43、量量的增加加而增加加，因而而随塔板板数的增增加而增增加，也也随着回回流比的的增加而而增加，因为回回流比的的增加就就意味着着塔板上上蓄液量量的增加加。由于于再沸器器加热量量的增加加引起上上升蒸汽汽量增加加，将会会改善气气、液接接触，从从而使组组分滞后后减小。3)回流罐蓄蓄液量和和塔釜蓄蓄液量引引起的滞滞后影响响由式(7-21)可知，回回流量总总是等于于塔顶汽汽相流量量和塔顶顶采出量量之差。因此，恒定时时，控制制实质上上就是改改变了回回流量。从工艺艺过程看看，必须须要经过过回流罐罐才能影影响到，而回流流罐有一一定的蓄蓄液量，会使从从的变化化到的变变化产生生滞后。液位变变化引起起石油蒸馏馏装置中中的

44、检测测与控制制蓄液量变变化，也也会严重重影响L和D之间的关关系。为为此要使使Vr，L和D的关系式式成立而而且不存存在滞后后，回流流罐的液液位必须须严格保保持恒定定，这样样在采用用改变D(或D/F)来控制塔塔顶产品品质量的的方案中中，才能能在Vr不变时使使回流量量L及时跟踪踪采出量量D的变化，否则将将引起滞滞后，影影响控制制品质。类似的过过程也发发生在提提馏段。塔釜液液位变化化引起蓄蓄液量变变化，从从而引起起V和B的变化。要使Ls，V和B间的关系系式(7-24)成立，塔塔釜液位位必须严严格保持持一定。这样在在采用改改变B来控制塔塔底产品品质量的的方案中中，才能能在Ls不变时使使再沸器器加热量量所

45、引起起的上升升蒸汽量量V及时跟踪踪塔底采采出量B的变化，否则将将引起滞滞后，影影响控制制品质。上述动态态影响因因素主要要影响系系统过渡渡过程的的品质指指标，一一定要在在系统设设计阶段段充分考考虑到对对这些因因素的克克服。四、精馏馏塔质量量指标的的选取精馏塔最最直接的的质量指指标是产产品纯度度。由于于直接检检测产品品纯度的的难度很很大，而而且测量量过程滞滞后大、检测仪仪表可靠靠性差，所以一一般不采采用单纯纯测纯度度的办法法来衡量量产品质质量。目目前工业业上常用用的方案案是通过过保证温温度间接接保证产产品质量量。这是是因为对对于二元元组分精精馏塔来来说，固固定压力力下的温温度与产产品纯度度间存在在

46、着单值值的函数数关系。因此，如果保保证压力力恒定，则塔板板温度就就能间接接反映浓浓度。对对于多元元精馏塔塔来说，虽然情情况比较较复杂，但总体体上仍然然和二元元组分精精馏塔类类似，可可以采用用温度指指标来反反映质量量。那么么到底采采用塔内内哪一点点的温度度作为间间接指标标才能有有效控制制产品的的质量呢呢？以下下介绍几几个常用用方案。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制1.灵敏板温温度控制制从位置上上看，似似乎塔顶顶或塔底底的温度度最能代代表产品品质量，这种思思路在产产品纯度度不高时时是合理理的。但但是，当当产品纯纯度接近近质量要要求的给给定值时时，在邻邻近塔顶顶或塔底底的各板板之间的的温度差差已经

47、很很小。这这时，即即使塔顶顶或塔底底温度仅仅变化0.5就可能造造成产品品质量不不合要求求。因而而，对温温度检测测仪表的的灵敏度度和控制制精度都都提出了了很高的的要求，这往往往很难满满足的。解决这这一问题题的方法法是在塔塔顶或塔塔底与进进料板之之间选择择灵敏板板的温度度作为间间接质量量指标。所谓灵灵敏板是是指塔的的操作受受扰动或或受控制制时，塔塔内各板板上的物物料中各各组分的的质量浓浓度和温温度都将将发生变变化，变变化程度度各不相相同，在在达到新新的稳态态后，温温度变化化最大的的那块塔塔板即称称为灵敏敏板。灵灵敏板位位置可以以通过逐逐板计算算或静态态模型仿仿真计算算，依据据不同操操作工况况下各塔

48、塔板温度度分布曲曲线比较较得出。但是由由于塔板板效率不不易估准准，所以以最后还还须根据据实验予予以确定定。2.温差控制制温差控制制适用于于精密精精馏过程程，此时时产品纯纯度要求求很高，而且塔塔顶塔底底产品的的沸点差差较小。采用温差差作为衡衡量质量量指标的的参数，是为了了消除压压力波动动对产品品质量的的影响。因为，在精馏馏塔控制制系统中中虽设置置了压力力定值控控制，但但压力也也总难免免有些微微小波动动，这对对一般产产品纯度度要求不不太高的的精馏塔塔是可以以忽略不不计的。但如果果是精密密精馏，产品纯纯度要求求很高，微小的的压力波波动对纯纯度的影影响就不不能再忽忽略了。也就是是说，精精密精馏馏时若用

49、用温度作作质量指指标就不不能很好好地代表表产品的的质量，温度的的变化可可能是产产品纯度度和压力力都变化化的结果果，为此此应该考考虑补偿偿或消除除压力波波动对浓浓度的影影响。在选择温温差信号号时，一一个检测测点仍然然放在灵灵敏板附附近，即即浓度和和温度变变化较大大的位置置；另一一个检测测点放在在主要产产品引出出点附近近(重视塔顶顶产品质质量时放放在塔顶顶附近，重视塔塔底产品品时放在在塔底附附近)，即温度度变化较较小的位位置；另另然后取取上述两两测点的的温度差差作为被被控变量量。这里里，塔顶顶或塔底底温度实实际上起起参比作作用，由由于压力力变化对对两点温温度都有有相同影影响，相相减之后后其压力力波

50、动的的影响就就几乎相相抵消。温差控控制其实实是灵敏敏板温度度控制的的变形，用来消消除压力力波动对对产品质质量的影影响。图图7.14温差纯纯度关系系曲线值得注意意的是，温差与与产品纯纯度之间间并非单单值关系系。如图图7.14所示的正正丁烷和和异丁烷烷分离塔塔的温差差T和塔底产产品中轻轻组分质质量浓度度XD之间关系系的示意意图。由由图可见见，曲线线有最高高点，其其左侧表表示塔底底产品纯纯度较高高(即轻组分分浓度XD较小)情况下，温差随随着产品品纯度的的增加而而减小；其右侧侧表示在在塔底产产品不很很纯的情情况下，温差随随产品纯纯度的降降低而减减小。为为了使控控制系统统能正常常工作，温差与与产品纯纯度

51、应该该具有单单值对应应关系。为此，一般将将工作点点选择在在曲线的的左侧，并采取取措施使使工作点点不至进进入曲线线的右侧侧。为了了使控制制器的正正常工作作范围在在曲线最最高点的的左侧，在使用用温度控控制时，控制器器的给定定值不能能太大，干扰量量(尤其是加加热蒸汽汽量的波波动)也不能太太大，以以防止工工作状态态变到如如图7.14所示的曲曲线最高高点的右右侧，致致使控制制器无法法正常工工作。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制3.双温差控控制温差控制制可以克克服由于于塔压波波动对塔塔顶(或塔底)产品质量量的影响响，但是是它还存存在一个个问题：就是当当负荷变变化时，会导

52、致致塔板间间的压降降产生变变化，而而且任意意两块相相邻塔板板间的压压降也不不相同。塔板间间压降的的分布将将会影响响两块塔塔板间温温差的不不同。这这时温差差和组分分间就不不呈单值值对应关关系，温温差控制制方案就就无法发发挥作用用，在这这种情况况下可以以采用双双温差控控制。工艺分析析表明，如果塔塔顶的重重组分质质量浓度度较高，就会使使全塔温温度偏高高，在负负荷变化化时精馏馏段的温温度变化化更为明明显，其其中又有有一块塔塔板温度度变化最最快，称称此块塔塔板为精精馏段的的灵敏板板，该板板位于进进料板之之上。如如果在精精馏段灵灵敏板处处测量温温度并组组成温差差控制，则可以以得到高高纯度的的塔底产产品。相

53、相反，如如果塔底底的轻组组分质量量浓度较较高，灵灵敏板就就位于进进料板之之下，称称为提馏馏段灵敏敏板。无无论负荷荷怎样变变化，塔塔内温度度变化最最明显的的地方总总在这两两块灵敏敏板上。再把塔塔顶和塔塔底出温温度变化化最不明明显的塔塔板分别别叫作精精馏段参参照板和和提馏段段参照板板。如果果能分别别将塔顶顶、塔底底两个参参照板与与两个灵灵敏板之之间的温温度梯度度控制稳稳定，就就能达到到质量控控制的目目的，这这就是双双温差控控制方法法的基础础图7.14温温差纯度关关系曲线线石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制双温差控控制亦称称温差差差值控制制，其控控制原理理图如图图7.15所示。图7.15双双温差差控

54、制方方案五、精馏馏过程的的基本控控制方案案精馏塔内内的精馏馏过程是是一个非非常复杂杂的过程程，牵涉涉到的变变量很多多，可以以选择为为被控变变量的数数量很大大，可以以选择为为操作变变量的也也很多，这样就就形成了了各式各各样的控控制方案案。但无无论这些些控制方方案的形形式如何何，其的的控制目目标都是是使塔顶顶和塔底底的产品品满足规规定的质质量要求求，用到到的基本本原理也也仍然是是能量和和物料平平衡的基基本原理理。这里里将这些些控制方方案进行行分类讨讨论。为为使问题题简化，这里仅仅讨论塔塔顶和塔塔底产品品均为液液相时的的基本控控制问题题。1.物料平衡衡控制石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制物料平衡衡

55、控制方方式并不不对塔顶顶或塔底底产品质质量进行行直接的的控制，而依据据精馏塔塔的物料料平衡及及能量平平衡关系系进行间间接控制制。按照物料料平衡原原则可以以设计出出如图7.16图7.18所示的几几种控制制系统。图7.16精馏塔物物料平衡衡控制方方案之一一图7.17精馏塔物物料平衡衡控制方方案之二二图7.18精馏塔物物料平衡衡控制方方案之三三石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制显然，上上述物料料平衡控控制适用用于进料料成分恒恒定或变变化不大大的场合合，同时时，要求求进料温温度或焓焓变化不不大。当当进料温温度或焓焓的变化化足以影影响塔的的产品质质量时，则需要要设置相相应的温温度或焓焓控制系系统；而而当

56、进料料成分波波动较大大时，则则需要对对产品的的质量进进行直接接控制。2.控制一端端产品质质量对于具有有两个液液相产品品的精馏馏塔，可可采用严严格控制制一端产产品质量量，而让让另一端端产品质质量浮动动(即不加以以控制)的办法。该方案案的原理理是：根根据物料料平衡原原则，一一端产品品的浓度度固定后后，另一一端产品品的浓度度也应该该是可知知的，若若固定塔塔顶产品品的纯度度，塔底底产品纯纯度的变变动也不不会太大大；反之之亦然。当然，该方案案没有考考虑塔内内物料的的存储量量变化，所以，它只适适合于扰扰动不很很大的情情况。对对没有进进行控制制的一端端的产品品质量可可用静态态特性关关系估计计出它的的变化范范

57、围。根根据控制制的产品品不同，该方案案可分为为对精馏馏段指标标控制和和对提馏馏段指标标控制1)按精馏段段指标控控制当塔顶采采出液为为主要产产品时，往往对对精馏段段指标进进行控制制。这时时，可取取精馏段段某灵敏敏板温度度作为被被控变量量，而以以回流量量、塔顶顶采出量量或再沸沸器上升升蒸汽量量作为操操纵变量量。系统统可以采采用单回回路控制制或者温温度-流量串级级控制。串级控控制方式式虽较复复杂，但但可迅速速有效地地克服进进入副环环的扰动动，并可可降低对对控制阀阀特性的的要求，适合精精密控制制的要求求。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制采用这类类控制方方案时，在L，D，V(或QH)和B四者之中中，选

58、择择一个作作为控制制产品质质量的手手段，选选择另一一个保持持流量恒恒定，其其余两个个变量则则按回流流罐和塔塔底的物物料平衡衡关系由由液位控控制器加加以控制制。对应应的控制制流程图图如图7.19和图7.20所示。图7.19精馏段能能量平衡衡控制方方案图7.19所示方案案的特点点是控制制作用滞滞后小，反应迅迅速，对对克服进进入精馏馏段的扰扰动和保保证塔顶顶产品是是有利的的，这是是精馏塔塔控制中中最常用用的方案案。此方方案通过过直接控控制塔内内能量平平衡关系系以实现现对分离离精度的的控制，称为“精馏段段能量平平衡控制制方案”。回流流量波动动不利于于精馏塔塔的平稳稳操作,所以方案案中由温温度控制制器对

59、回回流量进进行控制制。在确确定温度度调节器器的控制制算法时时，要避避免使用用微分控控制，只只须比例例积分控控制即可可，防止止由微分分调节规规律引起起波动。此外，再再沸器加加热量需需要保持持恒定而而且要有有足够的的量值，以便塔塔在最大大负荷时时仍能保保证产品品的质量量指标。图7.20所示的方方案则通通过调整整全塔物物料平衡衡关系以以控制塔塔顶产品品的纯度度，被称称为“精精馏段物物料平衡衡控制方方案”。该方案案的优点点是有利利于精馏馏塔的平平稳操作作，这是是因为在在回流比比较大时时控制D要比控制制L灵敏。此此外还有有一个优优点，当当塔顶产产品质量量不合格格时，如如采用有有积分作作用的控控制器，则塔

60、顶顶采出量量D会自动暂暂时中断断，进行行全回流流，这样样可保证证得到的的产品是是合格的的。然而而该方案案温度控控制回路路滞后较较大，反反应较慢慢，从采采出量D的改变到到温度变变化，要要通过回回流罐液液位控制制回路来来实现，必然引引入滞后后，特别别是回流流罐容积积较大时时，反应应更慢，给控制制质量的的提高带带来了困困难。此此外，同同样要求求再沸器器加热量量足够大大，以使使塔在最最大负荷荷时仍能能保证产产品的质质量指标标。石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制图7.20精精馏段段物料平平衡控制制方案石油蒸馏馏装置中中的检测测与控制制2 )按提馏段段指标控控制当主要产产品为塔塔底液时时，就要要按提馏馏段