熱工過程自動調節(jié)第5章典型控制方案

熱工過程自動調節(jié)典型控制方案

第一節(jié)流體輸送設備的控制方案一、離心泵的控制方案3

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。

離心泵的流量控制大體的三種方法1.控制泵的出口閥門開度

當干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，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值。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案4圖11-1改變泵出口阻力控制流量圖11-2泵的流量特性曲線與管路特性曲線

控制閥一般應該安裝在泵的出口管線上，而不應該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。注意第一節(jié)流體輸送設備的控制方案52.控制泵的轉速圖11-3改變泵的轉速控制流量

圖11-3中曲線1、2、3表示轉速分別為n1、n2、n3時的流量特性，且有n1＞n2＞n3。

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，所以多用在蒸汽透平驅動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉速。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案63.控制泵的出口旁路圖11-4改變旁路閥控制流量

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方法來控制泵的實際排出量。控制閥裝在旁路上，壓差大，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，使總的機械效率降低，故很少采用。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案二、往復泵的控制方案7

往復泵多用于流量較小、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。往復泵提供的理論流量可按下式計算

（11-1）第一節(jié)流體輸送設備的控制方案81.改變原動機的轉速圖11-5改變轉速的方案

該方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉速，進而控制往復泵的出口流量。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案92.控制泵的出口旁路圖11-6改變旁路流量

該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經濟性較差。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案103.改變沖程s

圖11-7往復泵的特性曲線

計量泵常用改變沖程s來進行流量控制。沖程s的調整可在停泵時進行，也有可在運轉狀態(tài)下進行的。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案三、壓氣機的控制方案11壓氣機的分類

其作用原理不同可分為離心式和往復式兩大類；按進、出口壓力高低的差別，可分為真空泵、鼓風機、壓縮機等類型。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案121.直接控制流量

對于低壓的離心式鼓風機，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。因為氣體的可壓縮性，所以這種方案對于往復式壓縮機也是適用的。為了減少阻力損失，對大型壓縮機，往往不用控制吸入閥的方法，而用調整導向葉片角度的方法。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案13圖11-8分程控制方案圖11-9分程閥的特性第一節(jié)流體輸送設備的控制方案142.控制旁路流量圖11-10控制壓縮機旁路方案

對于壓縮比很高的多段壓縮機，從出口直接旁路回到入口是不適宜的。這樣控制閥前后壓差太大，功率損耗太大。為了解決這個問題，可以在中間某段安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案153.調節(jié)轉速

壓氣機的流量控制可以通過調節(jié)原動機的轉速來達到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。

問題在于調速機構一般比較復雜，沒有前兩種方法簡便。第一節(jié)流體輸送設備的控制方案四、離心式壓縮機的防喘振控制161.離心式壓縮機的特性曲線及喘振現(xiàn)象圖11-11離心式壓縮機特性曲線圖11-12喘振現(xiàn)象示意圖第一節(jié)流體輸送設備的控制方案17

喘振是出現(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。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)，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)。

第一節(jié)流體輸送設備的控制方案2.防喘振控制方案（1）固定極限流量法

對于工作在一定轉速下的離心式壓縮機，都有一個進入喘振區(qū)的極限流量QB，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的最小值QP，且有QP＜QB。圖11-13防喘振旁路控制18第一節(jié)流體輸送設備的控制方案（2）可變極限流量法

圖11-14防喘振曲線

圖11-14上的喘振極限線是對應于不同轉速時的壓縮機特性曲線的最高點的連線。只要壓縮機的工作點在喘振極限線的右側，就可以避免喘振發(fā)生。19第一節(jié)流體輸送設備的控制方案21圖11-15變極限流量防喘振控制方案

該方案控制器FC的給定值是經過運算得到的，因此能根據(jù)壓縮機負荷變化的情況隨時調整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運算部分放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。第二節(jié)傳熱設備的自動控制一、兩側均無相變化的換熱器控制方案221.控制載熱體的流量圖11-16改變載熱體流量控制溫度

圖11-16表示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。采用傳熱基本方程式的工作原理。若不考慮傳熱過程中的熱損失第二節(jié)傳熱設備的自動控制24圖11-17換熱器串級控制系統(tǒng)

如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級控制系統(tǒng)。第二節(jié)傳熱設備的自動控制252.控制載熱體旁路流量圖11-18用載熱體旁路控制溫度

采用三通控制閥來改變進入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。旁路的流量一般不用直通閥來直接進行控制，因為在換熱器內部流體阻力小的時候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。第二節(jié)傳熱設備的自動控制263.控制被加熱流體自身流量圖11-19用介質自身流量控制溫度

只能用在工藝介質的流量允許變化的場合。第二節(jié)傳熱設備的自動控制274.控制被加熱流體自身流量的旁路圖11-20用介質旁路控制溫度

當被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。第二節(jié)傳熱設備的自動控制二、載熱體進行冷凝的加熱器自動控制28

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200℃以上或30℃以下時，常采用一些有機化工物作為載熱體。這種傳熱過程分兩段進行，先冷凝后降溫。

當僅考慮汽化潛熱時，熱量平衡方程式為傳熱速率方程式仍為第二節(jié)傳熱設備的自動控制29

當被加熱介質的出口溫度t2為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。1.控制蒸汽流量圖11-21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。第二節(jié)傳熱設備的自動控制302.控制換熱器的有效換熱面積圖11-22用凝液排出量控制溫度圖11-23溫度-液位串級控制系統(tǒng)圖11-24溫度-流量串級控制系統(tǒng)第二節(jié)傳熱設備的自動控制31兩種方案比較控制蒸汽流量法優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺點：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100℃以下，這時加熱器內蒸汽一側會產生負壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。第二節(jié)傳熱設備的自動控制32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的過敏性介質比較適用。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。第二節(jié)傳熱設備的自動控制三、冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制331.控制冷卻劑的流量圖11-25用冷卻劑流量控制溫度

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。這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制，當液位高于某上限值時，自動把液氨閥關小或暫時切斷。

第二節(jié)傳熱設備的自動控制342.溫度與液位的串級控制圖11-26溫度-液位串級控制

該方案的實質是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將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，從而提高了控制質量。第二節(jié)傳熱設備的自動控制353.控制汽化壓力圖11-27用汽化壓力控制溫度工作原理

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。第二節(jié)傳熱設備的自動控制36

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)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。第三節(jié)精餾塔的自動控制一、工藝要求371.保證質量指標

對于一個正常操作的精餾塔，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。為此，應當取塔頂或塔底的產品質量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質量控制系統(tǒng)。質量控制系統(tǒng)需要能測出產品成分的分析儀表。

第三節(jié)精餾塔的自動控制382.保證平穩(wěn)操作

為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須把進塔之前的主要可控干擾盡可能預先克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。為了維持塔的物料平衡，必須控制塔頂餾出液和釜底采出量，使其之和等于進料量，而且兩個采出量變化要緩慢，以保證塔的平穩(wěn)操作。塔內的持液量應保持在規(guī)定的范圍內。控制塔內壓力穩(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。第三節(jié)精餾塔的自動控制393.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。第三節(jié)精餾塔的自動控制404.節(jié)能要求和經濟性

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。其中質量指標是必要條件，在質量指標一定的前提下，應在控制過程中使產品產量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。第三節(jié)精餾塔的自動控制二、精餾塔的干擾因素41圖11-28精餾塔的物料流程圖1.進料流量F的波動（＊）2.進料成分ZF的變化（＊）3.進料溫度TF及進料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化第三節(jié)精餾塔的自動控制三、精餾塔的控制方案421.精餾塔的提餾段溫控圖11-29提餾段溫控的控制方案示意圖

如果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，就稱為提餾段溫控。

第三節(jié)精餾塔的自動控制43提餾段溫控的主要特點與使用場合：

（1）采用了提餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映提餾段產品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產品的質量達到規(guī)定值。（2）當干擾首先進入提餾段時，用提餾段溫控就比較及時，動態(tài)過程也比較快。第三節(jié)精餾塔的自動控制442.精餾塔的精餾段溫控

如果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，就稱為精餾段溫控。圖11-30精餾段溫控的控制方案示意圖第三節(jié)精餾塔的自動控制45精餾段溫控的主要特點與使用場合：

①采用了精餾段溫度作為間接質量指標，因此它能較直接地反映精餾段的產品情況。當塔頂產品純度要求比塔底嚴格時，一般宜采用精餾段溫控方案。②如果干擾首先進入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。第三節(jié)精餾塔的自動控制46

在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當分離的產品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實際上卻很難滿足。解決這一問題的方法，是將測溫元件安裝在塔頂以下或塔底以上幾塊塔板的靈敏板上，以靈敏板的溫度作為被控變量。第三節(jié)精餾塔的自動控制473.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制

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。圖11-31ΔT-x曲線溫差與產品純度之間并非單值關系。第三節(jié)精餾塔的自動控制48圖11-32雙溫差控制方案

雙溫差控制就是分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號（即控制系統(tǒng)的被控變量）。第三節(jié)精餾塔的自動控制494.按產品成分或物性的直接控制方案

能利用成分分析器，例如紅外分析器、色譜儀、密度計、干點和閃點以及初餾點分析器等，分析出塔頂（或塔底）的產品成分并作為被控變量，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制手段組成成分控制系統(tǒng)，就可實現(xiàn)按產品成分的直接指標控制。第四節(jié)化學反應器的自動控制一、化學反應器的控制要求501.質量指標

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。顯然，轉化率應是被控變量，但轉化率不能直接測量，就只能選幾個與它有關的參數(shù)，經過運算去間接地控制它。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為當進料濃度一定時，轉化率與溫差成正比，此時就以溫差為被控變量來控制轉化率。第四節(jié)化學反應器的自動控制51注意：以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標，有時并不能保證質量穩(wěn)定。當有干擾作用時，轉化率和反應生成物組分等仍會受到影響。特別是在有些反應中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應關系，這就需要不斷地根據(jù)工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。在有催化劑的反應器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。第四節(jié)反應器的自動控制522.物料平衡

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。為此，在進入反應器之前，往往采用流量定值控制或比值控制。3.約束條件

對于反應器，要防止工藝變量進入危險區(qū)域或不正常工況，應當配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設置取代控制系統(tǒng)，當工藝參數(shù)超出正常范圍時，就發(fā)出告警信號；或當接近危險區(qū)域時，將某些閥門打開、切斷或保持在限定位置等。第四節(jié)化學反應器的自動控制二、釜式反應器的溫度自動控制531.控制進料溫度圖11-33改變進料溫度控制釜溫反應溫度的測控是實現(xiàn)釜式反應器最佳操作的關鍵問題，改變進料溫度，即將引進的熱量發(fā)生變化，從而讓反應釜的溫度發(fā)生改變。第四節(jié)化學反應器的自動控制542.改變傳熱量

由于大多數(shù)反應釜均有傳熱面，以引入或移去反應熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實現(xiàn)溫度控制。右圖是一帶夾套的反應釜，當釜內溫度發(fā)生改變時，可用改變加熱劑或冷卻劑流量的方法控制釜內溫度。圖11-34改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫第四節(jié)反應器的自動控制553.串級控制為了針對反應釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。圖11-35釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四節(jié)化學反應器的自動控制56圖11-36釜溫與夾套溫度串級控制示意圖圖11-37釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖第四節(jié)化學反應器的自動控制三、固定床反應器的自動控制57

固定床反應器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生成所需反應物。固定床反應器的溫度控制非常重要，那么溫度控制時，檢測點的位置的選擇必須正確，以便及時、真實地反映整個催化劑床層溫度的變化，而多段的催化劑床層往往有要求分段進行溫度控制，以使操作更趨合理化。常見的溫度控制方案有：

改變進料濃度改變進料溫度改變段間進入的冷氣量第四節(jié)反應器的自動控制58圖11-38改變進料濃度控制反應器溫度圖11-39用載熱體流量控制溫度第四節(jié)化學反應器的自動控制59圖11-40用旁路控制溫度圖11-41用改變段間冷氣量控制溫度圖11-42用改變段間蒸汽量控制溫度第四節(jié)化學反應器的自動控制四、流化床反應器的自動控制60圖11-43流化床反應器原理示意圖圖11-44改變入口溫度控制反應器溫度第四節(jié)反應器的自動控制61圖11-45改變冷劑流量控制溫度圖11-46流化床差壓指示系統(tǒng)第五節(jié)生化過程的控制一、常用生化過程控制621.發(fā)酵罐溫度控制

一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數(shù)要求控制在30～50℃（±0.5℃）。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）。圖11-47發(fā)酵罐溫度控制第五節(jié)生化過程的控制632.通氣流量、罐壓和攪拌轉速控制圖11-48發(fā)酵罐攪拌轉速、罐壓（或流通氣量）控制