8典型化工單元的控制方案

1、化工儀表及自動化化工儀表及自動化主講教師：楊明平主講教師：楊明平聯(lián)系電話：聯(lián)系電話QQ：目目 錄錄1234緒論緒論自動控制系統(tǒng)基本概念自動控制系統(tǒng)基本概念檢測儀表及傳感器檢測儀表及傳感器顯示儀表顯示儀表567 自動控制儀表自動控制儀表執(zhí)行器執(zhí)行器簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)8典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案主要內容提要主要內容提要1234流體輸送設備的控制方案流體輸送設備的控制方案傳熱設備的自動控制方案傳熱設備的自動控制方案精餾塔的自動控制方案精餾塔的自動控制方案反應器的自動控制方案反應器的自動控制方案對于同一的化工單元，了解各種控制方案的異同。對于同一的化工

2、單元，了解各種控制方案的異同。熟悉各種控制方案的優(yōu)缺點及應用。熟悉各種控制方案的優(yōu)缺點及應用。能夠為化工單元操作過程設計合理的自動控制方案。能夠為化工單元操作過程設計合理的自動控制方案。學習要點學習要點 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一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。給定的數(shù)值上。離心泵的流量控制大致存在以下三種方法：離心泵的流量控制大致存在以下三種方法：當干擾作用使被控變量當干擾作用使被控變量( (流量流量) )發(fā)生變化偏離給定值時，發(fā)生變化偏離給定

3、值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結果使流量回到給定控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結果使流量回到給定值。值。 2022-1-222022-1-224轉速轉速n n一定時，泵的流量特性曲線一定時，泵的流量特性曲線A A與管路特性曲線的交與管路特性曲線的交點點C C即為泵的實際工作點，此時泵所提供的壓頭即為泵的實際工作點，此時泵所提供的壓頭H H正好用來克正好用來克服管路阻力，其對應的流量即為泵的實際流量。服管路阻力，其對應的流量即為泵的實際流量。改變泵出口阻力控制流量改變泵出口阻力控制流量泵的流量特性曲線與管路特性曲線泵的流量特性曲線與管路特性曲線這種方案簡單，使用廣泛，但通過改變管路

4、阻力，使這種方案簡單，使用廣泛，但通過改變管路阻力，使泵提供的部分壓頭消耗在閥門上，故能量消耗大，效泵提供的部分壓頭消耗在閥門上，故能量消耗大，效率低，不經濟率低，不經濟。注注意意一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案2022-1-222022-1-225一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案2.2.控制泵的轉速控制泵的轉速改變泵的轉速控制流量改變泵的轉速控制流量曲線曲線1 1、2 2、3 3表示轉速分表示轉速分別為別為n1、n2、n3時的流量特性，時的流量特性，且有且有n1n2n3。 該方案從能量消耗的角度該方案從能量消耗的角度來衡量最為經濟，機械效率較來衡量最為經濟，機械效率較高，但調

5、速機構一般較復雜，高，但調速機構一般較復雜，所以多用在蒸汽透平驅動離心所以多用在蒸汽透平驅動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉速。量即可控制轉速。 2022-1-222022-1-226 控制蒸汽大小即可達到控制轉速的目的?？刂普羝笮〖纯蛇_到控制轉速的目的。 適用于輸送粘度大的介質適用于輸送粘度大的介質( (如焦油、重油等如焦油、重油等) )及易燃、易爆及易燃、易爆介質。介質。一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案F CF C蒸汽物料冷凝水2022-1-222022-1-227一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案改變旁路閥控制流量改變旁路閥控制流量 將

6、泵的部分排出量重新送回到將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實際排出量。方法來控制泵的實際排出量。 控制閥裝在旁路上，壓差大，控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。流量小，因此控制閥的尺寸較小。 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。 2022-1-222022-1-228這類泵的運動部件每往復一次或每轉一周，所需介質的這類泵的運動部件每往復一次或每轉一周，所需介質的量是一定的，因而對這類泵既

7、不允許控制進口，也不允許控量是一定的，因而對這類泵既不允許控制進口，也不允許控制出口。制出口。主要原因是主要原因是：若出口量減少，出口壓力立即達到最大值，：若出口量減少，出口壓力立即達到最大值，從而導致泵殼及運動部件損壞；若進口量減少，會造成較大從而導致泵殼及運動部件損壞；若進口量減少，會造成較大的負壓，同樣也會使運動部件損壞。的負壓，同樣也會使運動部件損壞。二、位移式泵（容積泵）的控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案齒輪泵（運動部件：齒輪）齒輪泵（運動部件：齒輪）計量泵（運動部件：柱塞）計量泵（運動部件：柱塞）往復泵（運動部件：活塞）往復泵（運動部件：活塞）位移式泵位移式泵2022-1-

8、222022-1-229二、位移式泵（容積泵）的控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案改變轉速的方案改變轉速的方案2022-1-222022-1-2210二、位移式泵（容積泵）的控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案改變旁路流量改變旁路流量2022-1-222022-1-2211二、位移式泵（容積泵）的控制方案二、位移式泵（容積泵）的控制方案往復泵的特性曲線往復泵的特性曲線2022-1-222022-1-2212三、壓氣機的控制方案三、壓氣機的控制方案2022-1-222022-1-2213 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設備的自動控制方案傳熱設備的自動控制方案一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案

9、一、冷熱介質都不發(fā)生相變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利用控制載熱體流量來穩(wěn)定利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質出口溫度的控制方案。被加熱介質出口溫度的控制方案。采用該控制方案時，采用該控制方案時，載熱體載熱體必須是可控的才行必須是可控的才行。 注注意意2022-1-222022-1-2214一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案換熱器串級控制系統(tǒng)換熱器串級控制系統(tǒng) 如果載熱體本身壓力如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設穩(wěn)壓系統(tǒng)，不穩(wěn)定，可另設穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用或者采用以溫度為主變量、以溫度為主變量、流量為副變量流量為副變量的

10、串級控制的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 2022-1-222022-1-2215采用該法時，載熱體為工藝采用該法時，載熱體為工藝主要介質，其總量是不可控的。主要介質，其總量是不可控的。但應注意的是但應注意的是。主要是因為若換熱器內部阻主要是因為若換熱器內部阻力小，則控制閥前后的壓差就小，力小，則控制閥前后的壓差就小，阻力比阻力比S S就小，一方面導致就小，一方面導致，另一方，另一方面 導 致面 導 致要 大要 大 KV=10Q（/P）0.5，PP小，小，KV大，大，DNDN大大 。一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案用載熱體旁路控制溫度用載熱體旁路控制溫度2

11、022-1-222022-1-2216一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案用介質自身流量控制溫度用介質自身流量控制溫度2022-1-222022-1-2217一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案一、冷熱介質都不發(fā)生相變的換熱器控制方案用介質旁路控制溫度用介質旁路控制溫度 當被加熱流體的總流當被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時，器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫使冷熱物料混合來控制溫度。度。 2022-1-

12、222022-1-2218用蒸汽流量控制溫度用蒸汽流量控制溫度 通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質的出口溫度。當閥通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設壓力定值控制，或者前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。 加熱器串級控制系統(tǒng)加熱器串級控制系統(tǒng)凝液凝液蒸汽蒸汽二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案2022-1-222022-1-2219該方法實質是控制換熱器的該方法實質是控制換熱器的。二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案二

13、、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案用凝液排出量控制溫度用凝液排出量控制溫度溫度溫度- -液位串級控制系統(tǒng)液位串級控制系統(tǒng)溫度溫度- -流量串級控制系統(tǒng)流量串級控制系統(tǒng)2022-1-222022-1-2220二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案二、載熱體進行冷凝的加熱器控制方案控制換熱器的有效換熱面積法控制換熱器的有效換熱面積法缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。面積裕量。優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學變化優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學變化的熱敏性介質比較適用。的熱敏性介質比較適用。 另外，由于蒸汽冷凝后凝液的

14、體積比蒸汽體積另外，由于蒸汽冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。 2022-1-222022-1-2221三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案用冷卻劑流量控制溫度用冷卻劑流量控制溫度 該方案不以液位為被控變量，但該方案不以液位為被控變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機的操作事故引起氨壓縮機的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報警，這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度或采用溫度-

15、 -液位自動選擇性控制，液位自動選擇性控制，當液位高于某上限值時，自動把液氨當液位高于某上限值時，自動把液氨閥關小或暫時切斷。閥關小或暫時切斷。2022-1-222022-1-2222三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案溫度溫度- -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。 2022-1-222022-1-2223三、冷劑進行汽化的冷卻器控

16、制方案三、冷劑進行汽化的冷卻器控制方案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化時，會引起氨冷器內汽基于當控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內汽化壓力改變，于是相應的汽化溫度也就改變了?；瘔毫Ω淖儯谑窍鄳钠瘻囟纫簿透淖兞?。 這種方案控制作用迅速，只要汽化壓這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達到控制工藝介質出口溫度的目的。到控制工藝介質出口溫度的目的。但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道上，故要求氨冷器要耐壓，并且當氣氨壓上，故要求氨冷器要耐壓，并且當氣氨壓力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一

17、要求不能隨意力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。加以控制時，這個方案就不能采用了。 2022-1-222022-1-2224底部產品底部產品頂部產品頂部產品冷卻劑冷卻劑回流罐回流罐精餾塔精餾塔加熱劑加熱劑精餾塔的物料流程精餾塔的物料流程回流回流進料進料再沸器再沸器冷凝器冷凝器 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制2022-1-222022-1-2225精餾操作的工藝要求精餾操作的工藝要求 操作要處于合適的工況，以保證塔的平穩(wěn)操作，確保產品操作要處于合適的工況，以保證塔的平穩(wěn)操作，確保產品質量，提高塔的效率。質量，提高塔的效率。 節(jié)能降耗節(jié)能降耗 能耗

18、：熱劑能耗：熱劑( (主要是蒸汽主要是蒸汽) )、冷劑、冷劑( (水、冷凍鹽水水、冷凍鹽水) )的消耗。的消耗。 物耗：產出物耗：產出( (產品量產品量) )與投入與投入( (原料量原料量) )的比例。的比例。 第三節(jié)第三節(jié) 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制精餾操作對控制方案的要求精餾操作對控制方案的要求 盡量預先克服進塔前主要的可控干擾（如進料量波動、進盡量預先克服進塔前主要的可控干擾（如進料量波動、進料溫度波動等）料溫度波動等） 保證質量指標（頂、底產品的純度達到質量指標的要求）保證質量指標（頂、底產品的純度達到質量指標的要求） 保證塔的平穩(wěn)操作（滿足保證塔的平穩(wěn)操作（滿足F=DF=DW

19、W物料平衡關系）物料平衡關系）2022-1-222022-1-2226一、精餾塔的提餾段溫度控制方案一、精餾塔的提餾段溫度控制方案 采用以提餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以采用以提餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變再沸器加熱量作為控制手段的方案，就稱為改變再沸器加熱量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控提餾段溫控。這種方案主要用于這種方案主要用于以塔底為主要產品以塔底為主要產品，對塔釜的成分要求，對塔釜的成分要求比塔頂餾出液高時。比塔頂餾出液高時。此外，對塔頂和塔底產品質量要求相近，在液相進料時，此外，對塔頂和塔底產品質量要求相近，在液相進料時，也往往采用此方案。因為液相進料

20、流量也往往采用此方案。因為液相進料流量 的變化先影響到釜的變化先影響到釜液成分，故用提餾段控制較及時。液成分，故用提餾段控制較及時。采用該方案時，冷劑消耗較大。采用該方案時，冷劑消耗較大。2022-1-222022-1-2227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返回返回冷卻劑冷卻劑回流罐回流罐精餾塔精餾塔再沸器再沸器冷凝器冷凝器TCLCLCFCFCPC2022-1-222022-1-2228二、精餾塔的精餾段溫度控制方案二、精餾塔的精餾段溫度控制方案 采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接指標，而以改變回流量作為控制手段的方案，就

21、稱為以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控精餾段溫控。 這種方案主要用于這種方案主要用于以塔頂為主要產品以塔頂為主要產品，對塔頂?shù)某煞忠?，對塔頂?shù)某煞忠蟊人尊s出液高時。比塔底餾出液高時。此外，對塔頂和塔底產品質量要求相近，在氣相進料時，此外，對塔頂和塔底產品質量要求相近，在氣相進料時，也往往采用此方案。因為氣相進料流量也往往采用此方案。因為氣相進料流量 的變化先影響到頂?shù)淖兓扔绊懙巾斠撼煞?，故用精餾段控制較及時。液成分，故用精餾段控制較及時。采用該方案時，熱劑消耗較大。采用該方案時，熱劑消耗較大。2022-1-222022-1-2229精餾段溫控的控制方案示意圖精餾段溫控的控

22、制方案示意圖返回返回冷卻劑冷卻劑回流罐回流罐精餾塔精餾塔再沸器再沸器冷凝器冷凝器TCLCLCFCFCPC2022-1-222022-1-2230 第四節(jié)第四節(jié) 反應器的自動控制反應器的自動控制改變進料溫度控制釜溫改變進料溫度控制釜溫以反應釜溫度為被控變量，以加熱劑為控制手段，用改以反應釜溫度為被控變量，以加熱劑為控制手段，用改變進料溫度的方法使反應器溫度穩(wěn)定。變進料溫度的方法使反應器溫度穩(wěn)定。一、釜式反應器的溫度自動控制方案一、釜式反應器的溫度自動控制方案2022-1-222022-1-2231 由于大多數(shù)反應釜均有傳熱面，引入或移去反應熱，所由于大多數(shù)反應釜均有傳熱面，引入或移去反應熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。 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一、釜式反應器的溫度自動控制方案一、釜式反應器的溫度自動控制方案2022-1-222022-1-2232一、釜式反應器的溫度自動控制方案一、釜式反應器的溫度自動控制方案如果冷卻水壓力波動不大，則如果冷卻水壓力波動不大，則以反應釜溫度為主環(huán)，夾套水以反應釜溫度為主環(huán)，夾套水溫為副環(huán)構成溫度溫為