《化工儀表及自動化》第10章

1、第十章第十章 典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案 l流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案l離心泵的控制方案離心泵的控制方案l往復泵的控制方案往復泵的控制方案l壓氣機的控制方案壓氣機的控制方案l離心式壓縮機的防喘振控離心式壓縮機的防喘振控制制l傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制l一般傳熱設備的控制一般傳熱設備的控制l鍋爐設備的控制鍋爐設備的控制l精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制l工藝要求工藝要求l精餾塔的干擾因素精餾塔的干擾因素l精餾塔的控制方案精餾塔的控制方案l化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制l化學反應器的控制要求化學反應器的控制要求l釜式反應器的溫度自動釜式反應器

2、的溫度自動控制控制l固定床反應器的自動控固定床反應器的自動控制制l流化床反應器的自動控流化床反應器的自動控制制l生化過程的控制生化過程的控制l常用生化過程控制常用生化過程控制l青霉素發(fā)酵過程控制青霉素發(fā)酵過程控制l啤酒發(fā)酵過程控制啤酒發(fā)酵過程控制第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案l一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案圖圖10-1 10-1 改變泵出口阻力改變泵出口阻力控制流量控制流量圖圖10-2 10-2 泵的流量特性曲線泵的流量特性曲線與管路特性曲線與管路特性曲線2.2.控制泵的轉速控制泵的轉速圖圖10-3 10-3 改變泵的轉速控制流量改變泵的轉速控制流量n1n

3、2n3 該方案從能量消耗的角度來衡量最為經濟，機械效率較該方案從能量消耗的角度來衡量最為經濟，機械效率較高，但調速機構一般較復雜。高，但調速機構一般較復雜。圖圖10-4 10-4 改變旁路閥控制流量改變旁路閥控制流量 將泵的部分排出將泵的部分排出量重新送回到吸入管量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵啟度的方法來控制泵的實際排出量。的實際排出量。 控制閥裝在旁路控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較因此控制閥的尺寸較小。小。 該方案不經濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，該方案不經濟，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的

4、機械效率降低，故很少采用。使總的機械效率降低，故很少采用。 l二、往復泵的控制方案二、往復泵的控制方案 往復泵往復泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活塞在汽缸中往復滑行來輸送流體的。塞在汽缸中往復滑行來輸送流體的。 往復泵提供的理論流量可按下式計算往復泵提供的理論流量可按下式計算 h/m603nFsQ 理圖圖10-5 10-5 改變轉速的方案改變轉速的方案 該方案適用于以該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制量的方法方便地控制轉速，進而

5、控制往復轉速，進而控制往復泵的出口流量。泵的出口流量。 圖圖10-6 10-6 改變旁路流量改變旁路流量 該方案由于該方案由于高壓流體的部分高壓流體的部分能量要白白消耗能量要白白消耗在旁路上，故經在旁路上，故經濟性較差。濟性較差。 圖圖10-7 10-7 往復泵的特性曲線往復泵的特性曲線 計 量 泵 常 用計 量 泵 常 用改變沖程改變沖程s來進來進行流量控制。沖行流量控制。沖程程s的調整可在的調整可在停泵時停泵時進行，也進行，也有可在運轉狀態(tài)有可在運轉狀態(tài)下進行的。下進行的。l三、壓氣機的控制方案三、壓氣機的控制方案l四、離心式壓縮機的防喘振控制四、離心式壓縮機的防喘振控制圖圖10-11 1

6、0-11 離心式壓縮機特性曲線離心式壓縮機特性曲線圖圖10-12 10-12 喘振現(xiàn)象示意圖喘振現(xiàn)象示意圖是出現(xiàn)壓縮機工作點這種反復迅速突變這一現(xiàn)象時，是出現(xiàn)壓縮機工作點這種反復迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機忽進忽出，使轉子受到交變負荷，機身發(fā)生由于氣體由壓縮機忽進忽出，使轉子受到交變負荷，機身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅度擺動。度擺動。 喘振是離心式壓縮機固有的特性。負荷減小是離心式壓喘振是離心式壓縮機固有的特性。負荷減小是離心式壓縮機產生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，縮機產生喘振的主要原

7、因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機產生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或也是使壓縮機產生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。 （1 1）固定極限流量法）固定極限流量法 對于工作在一定轉速對于工作在一定轉速下的離心式壓縮機，都有下的離心式壓縮機，都有一個進入喘振區(qū)的極限流一個進入喘振區(qū)的極限流量量QB，為了安全起見，規(guī)，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的定一個壓縮機吸入流量的最小值最小值QP，且有，且有QPQB。 圖圖10-13 10-13 防喘振旁路控制防喘振旁路控制圖圖10-14 10-14 防喘振曲線防喘振

8、曲線 喘振極限喘振極限線是對應于不線是對應于不同轉速時的壓同轉速時的壓縮機特性曲線縮機特性曲線的最高點的連的最高點的連線。只要壓縮線。只要壓縮機的工作點在機的工作點在喘振極限線的喘振極限線的右側，就可以右側，就可以避免喘振發(fā)生。避免喘振發(fā)生。 圖圖10-15 10-15 變極限流量防喘振控制方案變極限流量防喘振控制方案 該方案控制器該方案控制器FC的給定值是經過運算的給定值是經過運算得到的，因此能根據(jù)得到的，因此能根據(jù)壓縮機負荷變化的情壓縮機負荷變化的情況隨時調整入口流量況隨時調整入口流量的給定值，而且由于的給定值，而且由于這種方案將運算部分這種方案將運算部分放在閉合回路之外，放在閉合回路之外

9、，因此可像單回路流量因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。制器參數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制傳熱設備的自動控制1.兩側均無相變化的換熱器控制方案兩側均無相變化的換熱器控制方案改變載熱體流量控制溫度改變載熱體流量控制溫度一、一般傳熱設備的控制一、一般傳熱設備的控制換熱器串級控制系統(tǒng)換熱器串級控制系統(tǒng)2.載熱體進行冷凝的加熱器自動控制載熱體進行冷凝的加熱器自動控制 在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質。如果要加熱到通過管壁加熱工藝介質。如果要加熱到200200以上或以上或3030以下時，常采用

10、一些有機化工物作為載熱體。以下時，常采用一些有機化工物作為載熱體。圖圖10-22 10-22 用凝液排出用凝液排出量控制溫度量控制溫度圖圖10-23 10-23 溫度溫度- -液位液位串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)圖圖10-24 10-24 溫度溫度- -流量流量串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)3.冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制圖圖10-25 10-25 用冷卻劑流用冷卻劑流量控制溫度量控制溫度 該方案不以液位為被該方案不以液位為被控變量，但液位不能過高，控變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引

11、起氨壓縮機的操液氨，引起氨壓縮機的操作事故。作事故。 這種控制方案帶有上這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度限液位報警，或采用溫度- -液位自動選擇性控制，當液位自動選擇性控制，當液位高于某上限值時，自液位高于某上限值時，自動把液氨閥關小或暫時切動把液氨閥關小或暫時切斷。斷。圖圖10-26 10-26 溫度溫度- -液位串級控制液位串級控制 該方案的實質是改變傳熱該方案的實質是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將面積。但采用了串級控制，將液氨壓力變化而引起液位變化液氨壓力變化而引起液位變化的這一主要干擾包含在副環(huán)內，的這一主要干擾包含在副環(huán)內，從而提高了控制質量。從而提高了控制質量。 圖圖1

12、0-27 10-27 用汽化壓力控制溫度用汽化壓力控制溫度 基于當控制閥的開度變基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內汽化化時，會引起氨冷器內汽化壓力改變，于是相應的汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了。溫度也就改變了。 汽輪發(fā)電機組汽輪發(fā)電機組火力發(fā)電廠外觀火力發(fā)電廠外觀1下聯(lián)箱；下聯(lián)箱；2噴燃器；噴燃器；3水冷壁管；水冷壁管；4下降管；下降管；5爐膛；爐膛；6汽包；汽包；7飽和蒸汽；飽和蒸汽；8過熱蒸汽；過熱蒸汽；9過熱器；過熱器；10煙道；煙道；11省煤器；省煤器；12給水；給水；13空氣預熱器；空氣預熱器；14送風機；送風機；15燃料；燃料；16煙道擋板；煙道擋板；17除塵器；

13、除塵器；18引風機；引風機； 19煙囪煙囪自然循環(huán)式固態(tài)排渣煤粉鍋爐原理圖自然循環(huán)式固態(tài)排渣煤粉鍋爐原理圖汽包汽包爐膛爐膛過熱蒸汽過熱蒸汽煙煙道道煤粉煤粉熱空氣熱空氣給水給水減溫水減溫水過熱器過熱器飽和蒸汽飽和蒸汽WinCC 鍋爐監(jiān)控主畫面鍋爐監(jiān)控主畫面LTLCM給水給水過熱蒸汽過熱蒸汽單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)給水給水過熱蒸汽過熱蒸汽LTLCMFT1三沖量前饋三沖量前饋串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)給水給水過熱蒸汽過熱蒸汽LTLCMFT1FT2FC單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)2.鍋爐主蒸汽溫度控制鍋爐主蒸汽溫度控制TTTCM給定給定T飽和蒸汽飽和蒸汽過熱蒸汽過熱蒸汽減

14、溫水減溫水給水給水T串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)TT飽和蒸汽飽和蒸汽過熱蒸汽過熱蒸汽減溫水減溫水給水給水MTT2TC2外給外給TT1TC1給定給定PdTPdCM爐爐膛膛煙煙道道煙煙囪囪第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制l一、工藝要求一、工藝要求 一般應當使塔頂或塔底產品中的一個產品達到規(guī)定的純度要求，一般應當使塔頂或塔底產品中的一個產品達到規(guī)定的純度要求，另一個產品的成分亦應保持在規(guī)定的范圍內。另一個產品的成分亦應保持在規(guī)定的范圍內。 在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是要控制的目標。在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是要控制的目標。 保證塔的平穩(wěn)操作，維持塔的

15、物料平衡，塔內的持液量應保持在規(guī)保證塔的平穩(wěn)操作，維持塔的物料平衡，塔內的持液量應保持在規(guī)定的范圍內。定的范圍內。 為保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值為約束條件。為保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值為約束條件。l二、精餾塔的干擾因素二、精餾塔的干擾因素圖圖10-28 10-28 精餾塔的物料流程圖精餾塔的物料流程圖1.1.進料流量進料流量F的波動的波動（）（）2.2.進料成分進料成分ZF的變化的變化（）3.3.進料溫度進料溫度TF及進料熱焓及進料熱焓QF的變化的變化4.4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量 的變化的變化5.5.冷卻劑在冷凝器內除去熱量的變化冷卻

16、劑在冷凝器內除去熱量的變化6.6.環(huán)境溫度的變化環(huán)境溫度的變化 l三、精餾塔的控制方案三、精餾塔的控制方案圖圖10-42 10-42 提餾段溫控的控制方案示意圖提餾段溫控的控制方案示意圖 采用采用以 精 餾 段以 精 餾 段溫 度 作 為溫 度 作 為衡 量 質 量衡 量 質 量指 標 的 間指 標 的 間接 指 標 ，接 指 標 ，而 以 改 變而 以 改 變回 流 量 作回 流 量 作為 控 制 手為 控 制 手段的方案，段的方案，就 稱 為就 稱 為 提提餾段溫控餾段溫控。 采用采用以 精 餾 段以 精 餾 段溫 度 作 為溫 度 作 為衡 量 質 量衡 量 質 量指 標 的 間指 標

17、的 間接 指 標 ，接 指 標 ，而 以 改 變而 以 改 變回 流 量 作回 流 量 作為 控 制 手為 控 制 手段的方案，段的方案，就 稱 為就 稱 為 精精餾段溫控餾段溫控。 圖圖10-43 10-43 精餾段溫控的控制方案示意圖精餾段溫控的控制方案示意圖 采用溫差作為衡量質量指標的間接變量，是為了采用溫差作為衡量質量指標的間接變量，是為了消除塔壓波動對產品質量的影響。消除塔壓波動對產品質量的影響。 圖圖10-45 10-45 雙溫差控制方案雙溫差控制方案 雙 溫 差雙 溫 差控制就是分控制就是分別在精餾段別在精餾段及提餾段上及提餾段上選取溫差信選取溫差信號，然后將號，然后將兩個溫差信

18、兩個溫差信號相減，作號相減，作為控制器的為控制器的測 量 信 號測 量 信 號（即控制系（即控制系統(tǒng)的被控變統(tǒng)的被控變量）。量）。 第四節(jié)第四節(jié) 化學反應器的自動控制化學反應器的自動控制l一、化學反應器的控制要求一、化學反應器的控制要求 化學反應器的質量指標一般指反應的轉化率或反應生成化學反應器的質量指標一般指反應的轉化率或反應生成物的規(guī)定濃度。物的規(guī)定濃度。 為使反應正常，轉化率高，要求維持進入反應器的各種為使反應正常，轉化率高，要求維持進入反應器的各種物料量恒定，配比符合要求。物料量恒定，配比符合要求。 對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域

19、或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)。況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)。 l二、釜式反應器的溫度自動控制二、釜式反應器的溫度自動控制改變進料溫度控制釜溫改變進料溫度控制釜溫改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫 為了針對反應釜滯后為了針對反應釜滯后較大的特點，可采用串級較大的特點，可采用串級控制方案。控制方案。圖圖10-49 10-49 釜溫與夾套溫度串級控制示意圖釜溫與夾套溫度串級控制示意圖圖圖10-50 10-50 釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖圖圖10-48 10-48 釜溫與冷劑流量串級控制示意圖釜溫

20、與冷劑流量串級控制示意圖l三、固定床反應器的自動控制三、固定床反應器的自動控制 固定床反應器固定床反應器是指催化劑床層固定于設備中不動是指催化劑床層固定于設備中不動的反應器，流體原料在催化劑作用下進行化學反應以的反應器，流體原料在催化劑作用下進行化學反應以生成所需反應物。生成所需反應物。 改變進料濃度改變進料濃度 改變進料溫度改變進料溫度 改變段間進入的冷氣量改變段間進入的冷氣量 圖圖10-53 10-53 改變進料濃度控制反應器溫度改變進料濃度控制反應器溫度圖圖10-52 10-52 用載熱體流量控制溫度用載熱體流量控制溫度圖圖10-53 10-53 用旁路控制用旁路控制溫度溫度圖圖10-5

21、4 10-54 用改變段間冷氣用改變段間冷氣量控制溫度量控制溫度圖圖10-55 10-55 用改變段間蒸汽用改變段間蒸汽量控制溫度量控制溫度l四、流化床反應器的自動控制四、流化床反應器的自動控制圖圖10-56 10-56 流化床反應器原理示意圖流化床反應器原理示意圖圖圖10-57 10-57 改變入口溫度控制反應器溫度改變入口溫度控制反應器溫度圖圖10-58 10-58 改變冷劑流量改變冷劑流量控制溫度控制溫度圖圖10-59 10-59 流化床差壓流化床差壓指示系統(tǒng)指示系統(tǒng)第五節(jié)第五節(jié) 生化過程的控制生化過程的控制l一、常用生化過程控制一、常用生化過程控制 一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數(shù)要

22、求控制在一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數(shù)要求控制在30305050（0.50.5）。過程操縱變量為冷卻水量，一般不需加）。過程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱（特別寒冷地區(qū)除外）。熱（特別寒冷地區(qū)除外）。 圖圖10-60 10-60 發(fā)酵罐溫度控制發(fā)酵罐溫度控制圖圖10-61 10-61 發(fā)酵罐攪拌轉速、罐壓（或流通氣量）控制發(fā)酵罐攪拌轉速、罐壓（或流通氣量）控制 在發(fā)酵過程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過程的在發(fā)酵過程中必須控制溶解氧濃度，使其在發(fā)酵過程的不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，不同階段都略高于臨界值，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致為維持過高的溶氧水平而大

23、量消耗動力。又不致為維持過高的溶氧水平而大量消耗動力。 培養(yǎng)液的溶解氧水平其實質為供氧和需氧矛盾的結果。培養(yǎng)液的溶解氧水平其實質為供氧和需氧矛盾的結果。 最常用的溶氧濃度控制方案：最常用的溶氧濃度控制方案： 改變攪拌速率；改變攪拌速率； 改變通氣速率。改變通氣速率。 圖圖10-62 10-62 改變攪拌轉速的溶氧串級控制系統(tǒng)改變攪拌轉速的溶氧串級控制系統(tǒng) 在發(fā)酵過程中為控制在發(fā)酵過程中為控制pH值而加入的酸堿性物料，值而加入的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補料基質，所以在往往就是工藝要求所需的補料基質，所以在pH控制系控制系統(tǒng)中還須對所加酸堿物料進行計量，以便進行有關離線統(tǒng)中還須對所加酸堿物料進行計量，以便進行有關離線參數(shù)的計算。參數(shù)的