化工仪表及自动化之典型化工单元的控制方案

化工仪表及自动化第十七章典型化工单元的控制方案

内容提要要流体输送送设备的的自动控控制离心泵的的自动控控制方案案往复泵的的自动控控制方案案压气机的的自动控控制方案案传热设备备的自动动控制两侧均无无相变化化的换热热器控制制方案载热体进进行冷凝凝的加热热器自动动控制冷却剂进进行汽化化的冷却却器自动动控制精馏塔的的自动控控制精馏塔的的干扰因因素及对对自动控控制的要要求1内容提要要精馏塔的的控制方方案化学反应应器的自自动控制制化学反应应器的控控制要求求釜式反应应器的温温度自动动控制固定床反反应器的的自动控控制流化床反反应器的的自动控控制2第一节流流体输输送设备备的自动动控制一、离心心泵的自自动控制制方案3离心泵流流量控制制的目的的是要将将泵的排排出流量量恒定于于某一给给定的数数值上。。离心泵的的流量控控制大体体的三种种方法1.控控制泵的的出口阀阀门开度度当干扰作作用使被被控变量量（流量量）发生生变化偏偏离给定定值时，，控制器器发出控控制信号号，阀门门动作，，控制结结果使流流量回到到给定值值。第一节流流体输输送设备备的自动动控制4图17-2泵的流量特性曲线与管路特性曲线

控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。注意图17-1改变泵出口阻力调流量第一节流流体输输送设备备的自动动控制52.控制制泵的转转速图17-3改变泵的转速调流量图17--3中曲曲线1、、2、3表示转转速分别别为n1、n2、n3时的流量量特性，，且有n1＞n2＞n3。该方案从从能量消消耗的角角度来衡衡量最为为经济，，机械效效率较高高，但调调速机构构一般较较复杂，，所以多多用在蒸蒸汽透平平驱动离离心泵的的场合，，此时仅仅需控制制蒸汽量量即可控控制转速速。第一节流流体输输送设备备的自动动控制63.控制制泵的出出口旁路路将泵的部部分排出出量重新新送回到到吸入管管路，用用改变旁旁路阀开开启度的的方法来来控制泵泵的实际际排出量量。控制阀装装在旁路路上，压压差大，，流量小小，因此此控制阀阀的尺寸寸较小。。该方案不不经济，，因为旁旁路阀消消耗一部部分高压压液体能能量，使使总的机机械效率率降低，，故很少少采用。。图17-4改变旁路阀调流量第一节流流体输输送设备备的自动动控制二、往复复泵的自自动控制制方案7往复泵多用于流流量较小小、压头头要求较较高的场场合，它它是利用用活塞在在汽缸中中往复滑滑行来输输送流体体的。往复泵提供的理论流量可按下式计算

（17-1）第一节流流体输输送设备备的自动动控制81.改变变原动机机的转速速该方案适适用于以以蒸汽机机或汽轮轮机作原原动机的的场合，，此时，，可借助助于改变变蒸汽流流量的方方法方便便地控制制转速。。图17-5改变转速的方案第一节流流体输输送设备备的自动动控制92.控制制泵的出出口旁路路该方案由由于高压压流体的的部分能能量要白白白消耗耗在旁路路上，故故经济性性较差。。图17-6改变旁路流量第一节流流体输输送设备备的自动动控制103.改变变冲程s图17-7往复泵的特性曲线计量泵常常用改变变冲程s来进行流流量控制制。冲程程s的调整可可在停泵泵时进行行，也有有可在运运转状态态下进行行的。第一节流流体输输送设备备的自动动控制三、压气气机的自自动控制制方案11压力机的的分类其作用原理理不同可分分为离心心式和往往复式两两大类；；按进、出口口压力高高低的差别，，可分为为真空泵泵、鼓风风机、压压缩机等等类型。。第一节流流体输输送设备备的自动动控制121.直接接控制流流量对于低压压的离心心式鼓风风机，一一般可在在其出口口直接用用控制阀阀控制流流量。由由于管径径较大，，执行器器可采用用蝶阀。。其余情情况下，，为了防防止出口口压力过过高，通通常在入入口端控控制流量量。因为为气体的的可压缩缩性，所所以这种种方案对对于往复复式压缩缩机也是是适用的的。为了减少少阻力损损失，对对大型压压缩机，，往往不不用控制制吸入阀阀的方法法，而用用调整导导向叶片片角度的的方法。。第一节流流体输输送设备备的自动动控制13图17-9分程阀的特性图17-8分程控制方案第一节流流体输输送设备备的自动动控制142.控制制旁路流流量对于压缩缩比很高高的多段段压缩机机，从出出口直接接旁路回回到入口口是不适适宜的。。这样控控制阀前前后压差差太大，，功率损损耗太大大。为了解决这个问题题，可以以在中间间某段安安装控制制阀，使使其回到到入口端端，用一一只控制制阀可满满足一定定工作范范围的需需要。图17-10控制压缩机旁路方案第一节流流体输输送设备备的自动动控制153.调节节转速压气机的的流量控控制可以以通过调调节原动动机的转转速来达达到，这这种方案案效率最最高，节节能最好好。问题在于调速速机构一一般比较较复杂，，没有前前两种方方法简便便。第一节流流体输输送设备备的自动动控制16“喘振””现象当负荷降降低到一一定程度度时,气气体的排排送会出出现强烈烈的振荡荡,从而而引起机机身的剧剧烈振动动。这种种现象称称为“喘振”。喘振会造造成事故故,操作作中必须须防止喘喘振现象象产生。。防喘振的的控制方方案有很很多种,,其中最最简单的的是旁路控制制方案。第一节流流体输输送设备备的自动动控制17旁路控制制方案图17-11简单的防喘振方案第二节传传热设设备的自自动控制制一、两侧侧均无相相变化的的换热器器控制方方案181.控控制载热热体的流流量图17--12表表示利用用控制载载热体流流量来稳稳定被加加热介质质出口温温度的控控制方案案。采用用传热基基本方程程式的工工作原理理。若不考虑传热过程中的热损失图17-12改变载热体流量控制温度第二节传传热设设备的自自动控制制19传热过程中传热的速率可按下式计算整理后，得移项后改写为第二节传传热设设备的自自动控制制20如果载热热体本身身压力不不稳定，，可另设设稳压系系统，或或者采用用以温度度为主变变量、流流量为副副变量的的串级控控制系统统。图17-13换热器串级控制系统第二节传传热设设备的自自动控制制212.控制制载热体体旁路采用三通通控制阀阀来改变变进入换换热器的的载流体体流量与与旁路流流量的比比例，可可以改变变进入换换热器的的载热体体流量，，还可以以保证载载热体总总流量不不受影响响。旁路的流流量一般般不用直直通阀来来直接进进行控制制，因为为在换热热器内部部流体阻阻力小的的时候，，控制阀阀前后压压降很小小，这样样就使控控制阀的的口径要要选得很很大，而而且阀的的流量特特性易发发生畸变变。图17-14用载热体旁路控制温度第二节传传热设设备的自自动控制制223.控制制被加热热流体自自身流量量只能用在在工艺介介质的流流量允许许变化的的场合。。图17-15用介质自身流量调温度第二节传传热设设备的自自动控制制234.控控制被加加热流体体自身流流量的旁旁路当被加热热流体的的总流量量不允许许控制，，而且换换热器的的传热面面积有余余量时，，可将一一小部分分被加热热流体由由旁路直直接流到到出口处处，使冷冷热物料料混合来来控制温温度。图17-16用介质旁路调温度第二节传传热设设备的自自动控制制二、载热热体进行行冷凝的的加热器器自动控控制24在蒸汽加加热器中中，蒸汽汽冷凝由由汽相变变液相，，放热，，通过管管壁加热热工艺介介质。如如果要加加热到200℃℃以上或或30℃℃以下时时，常采采用一些些有机化化工物作作为载热热体。这种传热热过程分分两段进进行，先先冷凝后后降温。。当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为传热速率方程式仍为第二节传传热设设备的自自动控制制25当被加热热介质的的出口温温度t2为被控变变量时，，常采用用下述两两种控制制方案。。1.控制制蒸汽流流量通过改变变加热蒸蒸汽量来来稳定被被加热介介质的出出口温度度。当阀阀前蒸汽汽压力有有波动时时，可对对蒸汽总总管加设设压力定定值控制制，或者者采用温温度与蒸蒸汽流量量（或压压力）的的串级控控制。图17-17用蒸汽流量调温度第二节传传热设设备的自自动控制制262.控制制换热器器的有效效换热面面积图17-18用凝液排出量调温度图17-19温度-液位串级系统图17-20温度-流量串级系统第二节传传热设设备的自自动控制制27两种方案案比较控制蒸汽汽流量法法优点：简单易行行、过渡渡过程时时间短、、控制迅迅速。缺点：需选用较较大的蒸蒸汽阀门门、传热热量变化化比较剧剧烈，有有时凝液液冷到100℃℃以下，，这时加加热器内内蒸汽一一侧会产产生负压压，造成成冷凝液液的排放放不连续续，影响响均匀传传热。第二节传传热设设备的自自动控制制28控制换热热器的有有效换热热面积法法缺点：控制通道道长、变变化迟缓缓，且需需要有较较大的传传热面积积裕量。。优点：防止局部部过热，，对一些些过热后后会引起起化学变变化的过过敏性介介质比较较适用。。另外，，由于蒸蒸汽冷凝凝后凝液液的体积积比蒸汽汽体积小小得多，，所以可可以选用用尺寸较较小的控控制阀门门。第二节传传热设设备的自自动控制制三、冷却却剂进行行汽化的的冷却器器自动控控制291.控制制冷却剂剂的流量量该方案不不以液位位为操纵纵变量，，但液位位不能过过高，过过高会造造成蒸发发空间不不足，使使出去的的氨气中中夹带大大量液氨氨，引起起氨压缩缩机的操操作事故故。这种控制制方案带带有上限限液位报报警，或或采用温温度-液液位自动动选择性性控制，，当液位位高于某某上限值值时，自自动把液液氨阀关关小或暂暂时切断断。图11-25用冷却剂流量控制温度第二节传传热设设备的自自动控制制302.温度度与液位位的串级级控制该方案的的实质是是改变传传热面积积。但采采用了串串级控制制，将液液氨压力力变化而而引起液液位变化化的这一一主要干干扰包含含在副环环内，从从而提高高了控制制质量。。图17-22温度-液位串级控制第二节传传热设设备的自自动控制制313.控制制汽化压压力工作原理基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。图17-23用汽化压力调温度第二节传传热设设备的自自动控制制32这种方案案控制作作用迅速速，只要要汽化压压力稍有有变化，，就能很很快影响响汽化温温度，达达到控制制工艺介介质出口口温度的的目的。。但是由由于控制制阀安装装在气氨氨出口管管道上，，故要求求氨冷器器要耐压压，并且且当气氨氨压力由由于整个个制冷系系统的统统一要求求不能随随意加以以控制时时，这个个方案就就不能采采用了。。第三节精精馏塔塔的自动动控制一、精馏馏塔的干干扰因素素及对自自动控制制的要求求33图17-24精馏塔的物料流程图（1）进进料流量量F的波动（＊）（2）进进料成分分ZF的变化（＊）（3）进进料温度度及进料料热焓QF的变化（4）再再沸器加加热剂（（如蒸汽汽）加入入热量的的变化（5）冷冷却剂在在冷凝器器内除去去热量的的变化（6）环环境温度度的变化化1.干扰扰因素第三节精精馏塔塔的自动动控制2.精馏馏塔对自自动控制制的要求求保证质量量指标保证平稳稳操作约束条件件34第三节精精馏塔塔的自动动控制三、精馏馏塔的控控制方案案351.精馏馏塔的提提馏段温温控如果采用用以精馏馏段温度度作为衡衡量质量量指标的的间接指指标，而而以改变变回流量量作为控控制手段段的方案案，就称称为提馏段温温控。图17-25提馏段温控的控制方案示意图第三节精精馏塔塔的自动动控制36提馏段温温控的主主要特点点与使用用场合：：（1）采采用了提提馏段温温度作为为间接质质量指标标，因此此它能较较直接地地反映提提馏段产产品情况况。将提提馏段温温度恒定定后，就就能较好好地保证证塔底产产品的质质量达到到规定值值。（2）当当干扰首首先进入入提馏段段时，用用提馏段段温控就就比较及及时，动动态过程程也比较较快。第三节精精馏塔塔的自动动控制372.精馏馏塔的精精馏段温温控如果采用用以精馏馏段温度度作为衡衡量质量量指标的的间接指指标，而而以改变变回流量量作为控控制手段段的方案案，就称称为精馏段温温控。图17-26精馏段温控的控制方案示意图第三节精精馏塔塔的自动动控制38精馏段温温控的主主要特点点与使用用场合：：①采用用了精馏馏段温度度作为间间接质量量指标，，因此它它能较直直接地反反映精馏馏段的产产品情况况。当塔塔顶产品品纯度要要求比塔塔底严格格时，一一般宜采采用精馏馏段温控控方案。。②如果果干扰首首先进入入精馏段段，采用用精馏段段温控就就比较及及时。第三节精精馏塔塔的自动动控制39在采用精精馏段温温控或提提馏段温温控时，，当分离离的产品品较纯时时，由于于塔顶或或塔底的的温度变变化很小小，对测测温仪表表的灵敏敏度和控控制精度度都提出出了很高高的要求求，但实实际上却却很难满满足。解解决这一一问题的的方法，，是将测测温元件件安装在在塔顶以以下或塔塔底以上上几块塔塔板的灵灵敏板上上，以灵灵敏板的的温度作作为被控控变量。。第三节精精馏塔塔的自动动控制403.精馏馏塔的温温差控制制采用温差差作为衡衡量质量量指标的的间接变变量，是是为了消消除塔压压波动对对产品质质量的影影响。图17-27ΔT-X曲线注意：温差与产产品纯度度之间并并非单值值关系。。第三节精精馏塔塔的自动动控制414.按产产品成分分或物性性的直接接控制能利用成成分分析析器，例例如红外外分析器器、色谱谱仪、密密度计、、干点和和闪点以以及初馏馏点分析析器等，，分析出出塔顶（（或塔底底）的产产品成分分并作为为被控变变量，用用回流量量（或再再沸器加加热量））作为控控制手段段组成成成分控制制系统，，就可实实现按产产品成分分的直接接指标控控制。第四节化化学反反应器的的自动控控制一、化学学反应器器的控制制要求42(1)质质量指标标化学反应应器的质质量指标标一般指指反应的的转化率率或反应应生成物物的规定定浓度。。如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为第四节化化学反反应器的的自动控控制43以温度、、压力等等工艺变变量作为为间接控控制指标标，有时时并不能能保证质质量稳定定。当有干扰扰作用时时，转化化率和反反应生成成物组分分等仍会会受到影影响。特别是在在有些反反应中，，温度、、压力等等工艺变变量与生生成物组组分间不不完全是是单值对对应关系系，这就就需要不不断地根根据工况况变化去去改变温温度控制制系统的的给定值值。在有催化化剂的反反应器中中，由于于催化剂剂的活性性变化，，温度给给定值也也要随之之改变。。第四节化化学反反应器的的自动控控制44(2)物物料平衡衡为使反应应正常，，转化率率高，要要求维持持进入反反应器的的各种物物料量恒恒定，配配比符合合要求。。(3)约约束条件件对于反应应器，要要防止工工艺变量量进入危危险区域域或不正正常工况况，应当当配备一一些报警警、联锁锁装置或或设置取取代控制制系统。。第四节化化学反反应器的的自动控控制二、釜式式反应器器的温度度自动控控制45(1)控控制进料料温度图17-28改变进料温度调釜温第四节化化学反反应器的的自动控控制46(2)控控制传热热量由于大多多数反应应釜均有有传热面面，引入入或移去去反应热热，所以以用改变变引入传传热量多多少的方方法就能能实现温温度控制制。图17-29改变加热剂或冷却剂流量调釜温第四节化化学反反应器的的自动控控制47(3)串串级控制制为了针对对反应釜釜滞后较较大的特特点，可可采用串串级控制制方案。。图17-30釜温与冷剂流量串级控制示意图第四节化化学反反应器的的自动控控制48图17-31釜温与夹套温度串级控制示意图图11-37釜温与釜压串级控制示意图第四节化化学反反应器的的自动控控制三、固定定床反应应器的自自动控制制49固定床反反应器是指催化化剂床层层固定于于设备中中不动的的反应器器，流体体原料在在催化剂剂作用下下进行化化学反应应以生成成所需反反应物。。常见的温温度控制制方案有有：控制进料料浓度控制进料料温度控制段间间进入的的冷气量量第四节化化学反反应器的的自动控控制50图17-33改变进料浓度调反应器温度图17-34用载热体流量调温度第四节化化学反反应器的的自动控控制51图17-35用旁路调温度图17-36用改变段间冷气量调温度图17-37用改变段间蒸汽量调温度第四节化化学反反应器的的自动控控制四、流化化床反应应器的自自动控制制52图17-38流化床反应器原理示意图图17-39改变入口温度调反应器温度第四节化化学反反应器的的自动控控制53图17-41流化床差压指示系统图17-40改变冷剂流量调温度例题分析析1.试判判断图17-42(a)、((b)控控制方案案是否正正确。图17-42泵的控制方案54例题分析析解：要分析图图17--42所所示控制制方案是是否正确确,首先先必须了了解离心心泵和往往复泵的的特性。。图17--42((a)是是离心泵泵的流量量控制方方案。为为了控制制出口流流量的大大小,控控制阀一一般应该该直接装装在出口口管线上上。这是是因为离离心泵吸吸入高度度是有限限的,如如果控制制阀装在在吸入管管线上,,会产生生压降,,这样一一来,进进口端压压力就有有可能过过低,因因为液体体气化,,使泵失失去排液液能力,,这叫气气缚。或或者压到到出口端端又急速速冷凝,,冲蚀厉厉害,这这叫气蚀蚀。这两两种情况况都要避避免发生生。所以以控制阀阀一般不不应安装装在离心心泵的入入口管线线上。55例题分析析图17--42((b)为为往复泵泵出口流流量控制制方案。。从往复复泵的特特性来看看,只要要转速一一定,排排出的流流量是基基本不变变的。因因此采用用出口节节流的方方法来控控制出口口流量是是不行的的。56例题分析析2.图17-43所示示的加热热器,如如果两侧侧无相变变,载热热体流量量很大,,且进出出口温差差(T20-T21))很小时时,采用用图示温温控方案案是否合合理?图17-43加热器控制方案57例题分析析解：从分析对对象(加加热器))的静态态特性来来看，采采用图示示控制方方案是不不合理的的。设载热体体流量为为F2，摩尔热热容为C2，冷流体体流量为为F1，摩尔热热容为C1。为了弄弄清主要要问题，对图17-43所示示加热器器可忽略略一些次次要因素素(如热热损失等等)，则则可列出出热量平平衡式，，即单位位时间内内冷流体体吸收的的热量等等于载热