過(guò)程控制技術(shù)-第七章 典型單元的基本控制方案

過(guò)程控制技術(shù)典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程是由一系列基本單元操作的設(shè)備所組成的生產(chǎn)線來(lái)進(jìn)行的，這些單元的操作主要有動(dòng)量傳遞過(guò)程、傳熱過(guò)程、傳質(zhì)過(guò)程和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，單元操作的控制方案的確定是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。要確定出一個(gè)好的控制方案,必須深入了解生產(chǎn)工藝,按照單元設(shè)備的內(nèi)在機(jī)理來(lái)探討其自動(dòng)控制方案。本章主要從自動(dòng)控制的角度出發(fā)，選擇一些典型的生產(chǎn)過(guò)程操作單元為例，根據(jù)對(duì)象的特性和控制的要求，分析典型操作單元中具有代表性的設(shè)備的基本控制方案，從中闡明確定控制方案的共性原則和方法，以便從中更廣泛地獲取一些應(yīng)用過(guò)程控制技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。7典型單元的基本控制方案

7.1流體輸送設(shè)備的控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各種物料多數(shù)是在連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行傳熱過(guò)程、傳質(zhì)過(guò)程或者是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。為了使物料便于輸送、控制，多數(shù)是以氣態(tài)或液態(tài)方式在管道內(nèi)流動(dòng)。流體的輸送是一個(gè)動(dòng)量傳遞過(guò)程，流體在管道內(nèi)流動(dòng)是從泵或壓縮機(jī)等流體輸送設(shè)備的運(yùn)行中獲得能量，以克服流動(dòng)阻力。泵是液體的輸送設(shè)備，壓縮機(jī)則是氣體的輸送設(shè)備。7典型單元的基本控制方案流體輸送設(shè)備的基本任務(wù)是輸送流體和提高流體的壓頭。在連續(xù)性的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，除了某些特殊情況如泵的啟停、壓縮機(jī)的程序控制和信號(hào)聯(lián)鎖保護(hù)外，對(duì)流體輸送設(shè)備的控制多數(shù)是屬于流量或壓力控制，如簡(jiǎn)單控制、比值控制或流量作為副環(huán)的串級(jí)控制等。此外，還有為保護(hù)輸送設(shè)備不被損壞的一些控制方案，如離心壓縮機(jī)的“防喘振”控制。7典型單元的基本控制方案7.1.1離心泵的控制方案離心泵是最常見(jiàn)的液體輸送設(shè)備。它的壓頭是由旋轉(zhuǎn)翼輪作用于液體的離心力而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)速越高則離心力越大，壓頭也就越高。泵的壓頭H、排量Q、和轉(zhuǎn)速n、之間的函數(shù)關(guān)系，稱(chēng)為泵的特性，可用如圖7-1來(lái)表示。（圖中：n3<n2<n1）7典型單元的基本控制方案離心泵的特性也可用下列經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表示：H=K1n2-K2Q27典型單元的基本控制方案控制離心泵的閥門(mén)開(kāi)度通過(guò)控制離心泵出口閥門(mén)開(kāi)啟度來(lái)控制流量的方法如圖7-2所示。當(dāng)干擾作用使被控變量發(fā)生變化偏離給定值時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)指揮控制閥動(dòng)作，控制結(jié)果使得流量回到給定值上。7典型單元的基本控制方案當(dāng)控制閥開(kāi)啟度發(fā)生變化時(shí)，由于泵的轉(zhuǎn)速是恒定的，所以離心泵的特性沒(méi)有改變，但管路上的阻力卻發(fā)生了變化，即管路特性曲線不再是曲線1，隨著控制閥的關(guān)小，可能變?yōu)榍€2或曲線3了。工作點(diǎn)就由C1移向C2或C3，出口流量也由Q1改變?yōu)镼2或Q3，如圖7-3所示。以上就是通過(guò)控制離心泵的出口控制閥開(kāi)啟度來(lái)改變排出流量基本原理。7典型單元的基本控制方案采用本控制方案時(shí)，要注意控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管路上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管路上，否則由于控制閥節(jié)流作用可能會(huì)使流體出現(xiàn)“氣縛”及“氣蝕”現(xiàn)象。如果泵的進(jìn)口壓力過(guò)低而使液體部分汽化，使泵喪失排送能力，這叫氣縛。液體夾帶著蒸汽壓到出口又急劇地冷凝，沖蝕著翼輪和泵殼，這叫汽蝕。這兩種現(xiàn)象會(huì)對(duì)泵的正常運(yùn)行造成不良影響并且影響泵的使用壽命。7典型單元的基本控制方案控制離心泵的轉(zhuǎn)速當(dāng)離心泵的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，泵的流量特性曲線會(huì)發(fā)生改變。這種控制方案以改變泵的特性曲線，移動(dòng)工作點(diǎn)，來(lái)達(dá)到控制流量的目的。如圖7-4表示這種控制方案及泵特性變化改變工作點(diǎn)的情況。7典型單元的基本控制方案改變泵的轉(zhuǎn)速以控制流量的方法有：用電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)時(shí)，采用變頻調(diào)速裝置；用汽輪機(jī)作原動(dòng)機(jī)時(shí)，可調(diào)節(jié)導(dǎo)向葉片角度或蒸汽流量；也可利用在原動(dòng)機(jī)與離心泵之間的聯(lián)軸變速器，設(shè)法改變轉(zhuǎn)速比。采用這種控制方案時(shí)，在輸送管路上不需安裝控制閥，減少了管路阻力的損耗，泵的機(jī)械效率較高，所以在大功率的離心泵裝置中得到了應(yīng)用。但要具體實(shí)現(xiàn)這種控制方案都比較復(fù)雜，所需設(shè)備費(fèi)用亦較高。7典型單元的基本控制方案3.控制離心泵的出口旁路如圖7-5所示為改變旁路回流量的控制方案。它是在離心泵的出口與入口之間加一旁路管路，讓一部分排出流量重新回流到泵的入口。這種控制方式實(shí)質(zhì)也是通過(guò)改變管路特性來(lái)達(dá)到控制流量的目的。顯然，采用這種控制方案必然有一部分能量損耗在旁路管路上，所以機(jī)械效率也是較低的。但是具有可采用小口徑控制閥的優(yōu)點(diǎn)，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中還有一定的應(yīng)用。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.1.2往復(fù)泵的控制方案往復(fù)泵也是常見(jiàn)的流體輸送設(shè)備，多用于流量較小、壓頭要求較高的場(chǎng)合。它是利用活塞在氣缸中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)輸送流體的。往復(fù)泵提供的理論流量可按下面公式計(jì)算：Q理=60nFS（m3/h）7典型單元的基本控制方案從上述的計(jì)算公式中可清楚地得知，影響往復(fù)泵出口流量變化的僅有n、F、S三個(gè)參數(shù)，或者說(shuō)只能通過(guò)改變n、F、S來(lái)控制流量。了解這一點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)流量控制方案很有幫助。常用的往復(fù)泵流量控制方案有三種：改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（圖7-6所示）控制泵的出口旁路（圖7-7所示）改變沖程S計(jì)量泵常用改變沖程S來(lái)進(jìn)行控制流量。由于控制沖程的機(jī)構(gòu)復(fù)雜，其他用途的往復(fù)泵很少選擇該方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案由于往復(fù)泵以及其它容積式泵均有一個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即是泵的運(yùn)動(dòng)部件與機(jī)殼之間的間隙很小，液體不能在縫隙中流動(dòng)，所以絕對(duì)不能采用出口處直接安裝控制閥節(jié)流的方法來(lái)控制流量，一旦出口處閥門(mén)關(guān)死，將可能造成泵損機(jī)毀的嚴(yán)重后果。7典型單元的基本控制方案7.1.3壓縮機(jī)的控制方案壓縮機(jī)和泵都是輸送流體的設(shè)備，其區(qū)別在于壓縮機(jī)是用來(lái)提高氣體的壓力，氣體是可以壓縮的，所以在操作時(shí)要考慮壓力對(duì)其密度的影響的因素。壓縮機(jī)的種類(lèi)很多，按其工作原理的不同可分為離心式和往復(fù)式兩大類(lèi)，按其進(jìn)、出口壓力高低的差別可分為鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等類(lèi)型。在制定控制方案時(shí)必須要考慮到各自的特點(diǎn)。7典型單元的基本控制方案壓縮機(jī)的控制方案與離心泵的控制方案有很多相似之處，被控變量同樣是流量或壓力，控制手段一般可分為三類(lèi)：直接控制流量對(duì)于低壓的離心式鼓風(fēng)機(jī)，一般可在其出口處直接控制流量，氣體輸送的管徑通常都較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其它情況下，為了防止鼓風(fēng)機(jī)出口壓力過(guò)高，可在入口端控制流量.因?yàn)闅怏w的可壓縮性，所以這種方案對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)也是適用的。在控制閥關(guān)小時(shí)，會(huì)在壓縮機(jī)入口端引成負(fù)壓，這就意味著吸入同樣容積的氣體，其質(zhì)量流量減少了。流量降低到額定值的50％~70％以下時(shí)，負(fù)壓嚴(yán)重而使壓縮機(jī)效率大為降低。這種情況下，可采用分程控制方案，如圖7-8所示。出口流量控制器控制著兩個(gè)控制閥。吸入閥1只能關(guān)小到一定開(kāi)度，如果需要的流量還要小，則應(yīng)打開(kāi)旁路閥2，以避免入口端負(fù)壓嚴(yán)重。7典型單元的基本控制方案控制轉(zhuǎn)速壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的改變能使其出口的流量和壓力發(fā)生變化，控制轉(zhuǎn)速就能控制壓縮機(jī)的出口流量和壓力。這種控制方案從能量效率上說(shuō)最經(jīng)濟(jì)，但在設(shè)施上較復(fù)雜。大功率的風(fēng)機(jī)，尤其用蒸汽透平帶動(dòng)的大功率風(fēng)機(jī)應(yīng)用調(diào)速的方案較多?？刂婆月妨髁坑门月房刂苹亓鞯霓k法控制流量的方案與離心泵的一樣7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.1.4離心式壓縮機(jī)的防喘振控制離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象離心式壓縮機(jī)的固有特性：當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排送會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的震蕩而引發(fā)壓縮機(jī)劇烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為喘振。壓縮機(jī)的喘振會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞機(jī)體，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。壓縮機(jī)在喘振狀態(tài)下運(yùn)行是不允許的，在生產(chǎn)過(guò)程中一定要防止喘振的發(fā)生。因此，在離心式壓縮機(jī)的控制方案中，防喘振控制是一個(gè)重要的課題。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案為什么會(huì)發(fā)生喘振呢？離心式壓縮機(jī)的特性曲線即壓縮比（P2/P1）與進(jìn)口體積流量Q之間的關(guān)系曲線如圖7-9所示。圖中n是離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，由圖可知不同的轉(zhuǎn)速下每條曲線都有一個(gè)P2/P1值的最高點(diǎn)，連接每條曲線最高點(diǎn)的虛線是一條表征喘振的極限曲線。虛線左側(cè)的陰影部分是不穩(wěn)定區(qū)，稱(chēng)為喘振區(qū)，虛線的右側(cè)為穩(wěn)定區(qū)，稱(chēng)為正常運(yùn)行區(qū)。若壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在正常運(yùn)行區(qū)，此時(shí)流量減小會(huì)提高壓縮比，流量增大會(huì)降低壓縮比。假設(shè)轉(zhuǎn)速為n2，正常流量為QA，如有某種干擾流量減小，結(jié)果壓縮比增加，即出口壓力P2增加，使壓縮機(jī)排出量增加，自衡作用使負(fù)荷回復(fù)到穩(wěn)定流量QA上。假如負(fù)荷繼續(xù)減小，使負(fù)荷小于QP時(shí)，7典型單元的基本控制方案即移動(dòng)到P2/P1的最高點(diǎn)排出量繼續(xù)減小，壓力P2繼續(xù)下降，于是出現(xiàn)管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)所能提供壓力的情況，瞬時(shí)會(huì)發(fā)生氣體倒流，接著壓縮機(jī)恢復(fù)到正常運(yùn)行區(qū)，由于負(fù)荷還是小于QP，壓力被迫升高，重又把倒流進(jìn)來(lái)的氣體壓出去，此后又引起壓縮比下降，出口的氣體又倒流。這種現(xiàn)象重復(fù)進(jìn)行時(shí)，稱(chēng)之為喘振。表現(xiàn)為壓縮機(jī)的出口壓力和出口流量劇烈波動(dòng)，機(jī)器與管道振動(dòng)，如果與機(jī)身相連的近網(wǎng)較小并嚴(yán)密，則可能聽(tīng)到周期性的如同哮喘病人“喘氣”般的噪聲；而當(dāng)管網(wǎng)容量較大時(shí)，喘振時(shí)會(huì)發(fā)生周期性間斷的吼叫聲，并伴隨有止逆閥的撞擊聲，這種現(xiàn)象將會(huì)使壓縮機(jī)及所連接的管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至使壓縮機(jī)等設(shè)備遭到破壞。7典型單元的基本控制方案防喘振控制方案由上可知，離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象的主要原因是由于負(fù)荷降低，排氣量小于極限流量值QP而引起的，只要使壓縮機(jī)的吸氣量大于或等于在工況下的極限排氣量即可防止喘振。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常用的控制方案有固定極限流量法和可變極限流量法兩種，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：7典型單元的基本控制方案固定極限流量法對(duì)于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個(gè)進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量QP，為了安全起見(jiàn)，規(guī)定一個(gè)壓縮機(jī)吸入流量的最小值QP，且有QP<QA。固定極限流量法防喘振控制的目的就是在當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，始終保證壓縮機(jī)的入口流量QA不低于QP值。圖7-10所示是一種最簡(jiǎn)單的固定極限法防喘振控制方案，這種控制方案與壓縮機(jī)旁路控制方案在形式上相同，但其控制目的、測(cè)量的位置不一樣。在這種方案中，測(cè)量點(diǎn)在壓縮機(jī)的吸入管線上，流量控制器的給定值為QP，當(dāng)壓縮機(jī)的排氣量因負(fù)荷變小且小于QP時(shí)，則開(kāi)大旁路控制閥以加大回流量，保證吸入流量QA≥QP，從而避免喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生。7典型單元的基本控制方案本方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠，投資費(fèi)用較少，但當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如按高轉(zhuǎn)速取給定值，勢(shì)必在低轉(zhuǎn)速時(shí)給定值偏高，能耗過(guò)大；如按低轉(zhuǎn)速取給定值，則在高轉(zhuǎn)速時(shí)仍有因給定值偏低而使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不是恒值時(shí)，不宜采用這種控制方案。7典型單元的基本控制方案可變極限流量法當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可變時(shí)，進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量也是變化的。圖7-11所示的喘振極限線是對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時(shí)的壓縮機(jī)的特性曲線最高點(diǎn)的連線。只要壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振極限線的右側(cè)，就可以避免喘振的發(fā)生。但為了安全起見(jiàn)，實(shí)際工作點(diǎn)應(yīng)控制在安全操作線的右側(cè)。安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示：P2/P1=a+bQ12/T1

7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-12就是根據(jù)式（7-7）所設(shè)計(jì)的一種防喘振的控制方案。壓縮機(jī)入口、出口壓力P1、P2經(jīng)過(guò)測(cè)量、變送器以后送往加法器∑，得到（P2－aP1）信號(hào)，然后乘以系數(shù)γ/bK2，作為防喘振控制器FC的給定值。控制器的測(cè)量值是測(cè)量入口流量的壓差經(jīng)過(guò)變送器后的信號(hào)。當(dāng)測(cè)量值大于給定值時(shí)，壓縮機(jī)工作在正常運(yùn)行區(qū)，旁路閥是關(guān)閉的；當(dāng)測(cè)量值小于給定值時(shí)，這時(shí)需要打開(kāi)旁路閥以保證壓縮機(jī)的入口流量不小于給定值。這種方案屬于可變極限流量法的防喘振控制方案，這時(shí)控制器的給定值是經(jīng)過(guò)運(yùn)算來(lái)獲得，因此該方案能根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)荷變化的情況隨時(shí)調(diào)整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運(yùn)算部分放在閉合回路之外，因此，該控制方案可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器的參數(shù)。過(guò)程控制技術(shù)傳熱設(shè)備的控制7典型單元的基本控制方案7.2傳熱設(shè)備的控制在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，傳熱設(shè)備主要是用來(lái)對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻來(lái)維持一定的溫度。傳熱設(shè)備的種類(lèi)很多，主要有換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝器及加熱爐等。由于它們的傳熱目的不同，被控參數(shù)也不完全一樣。生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行傳熱的目的主要有以下三種：使物料達(dá)到規(guī)定的溫度；使物料改變相態(tài)；回收熱量。7典型單元的基本控制方案7.2.1換熱器的控制換熱器操作的目的是為了使生產(chǎn)過(guò)程中的物料加熱或冷卻到一個(gè)工藝要求的溫度，自動(dòng)控制的目的就是要通過(guò)改變換熱器的熱負(fù)荷以保證物料在換熱器出口溫度在工藝要求范圍內(nèi)穩(wěn)定在給定值上。當(dāng)換熱器兩側(cè)流體在傳熱過(guò)程中均無(wú)相變化時(shí)，一般采用下列幾種控制方案：7典型單元的基本控制方案控制載熱體的流量這個(gè)控制方案的控制流程如圖7-13所示，從傳熱的基本方程式和傳熱的速率方程式能說(shuō)明這種控制方案的可行性。如果不考慮傳熱過(guò)程中的熱量損失，則熱流體失去的熱量應(yīng)該等于冷流體獲得的熱量，可寫(xiě)出下列熱量平衡方程式：Q=G1c1（T1-T2）=G2c2（t1-t2）7典型單元的基本控制方案由于冷熱流體間的傳熱既符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，因此有下列關(guān)系式：G2c2（t1-t2）=KFΔtm可改寫(xiě)為：t2=KFΔtm/G2c2+t17典型單元的基本控制方案從上式可以判斷出，在傳熱面積F、冷流體進(jìn)口流量G2溫度t1及比熱容c2一定的情況下，影響冷流體出口溫度t2的主要因素是傳熱系數(shù)K及平均溫差Δtm。控制載熱體流量實(shí)質(zhì)上是改變了。假設(shè)由于某種原因使t2升高，控制器將會(huì)使閥門(mén)關(guān)小以減少載熱體的流量G1，從傳熱速率方程可以看出K、Δtm會(huì)同時(shí)減小，而使冷流體G2的出口溫度t2也下降回到給定值的控制要求。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制載熱體流量是換熱器操作中應(yīng)用最為普遍的一種控制方案，多適用于載熱體流量變化對(duì)溫度影響較靈敏的場(chǎng)合。如果載熱流體的壓力不穩(wěn)定而成為主要干擾較嚴(yán)重地影響到被控參數(shù)的控制精度時(shí)，可采用以溫度t2為主參數(shù)、載熱體流量G1為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施控制方案，力求達(dá)到工藝操作的要求。如圖7-14所示。7典型單元的基本控制方案控制載熱流體的旁路當(dāng)載熱體是工藝物料，其流量不允許節(jié)流時(shí)，可采用如圖7-15所示的控制方案。這種方案的控制機(jī)理與前一種方案相同，也是得用改變溫差Δtm和K的手段來(lái)達(dá)到控制溫度t2的目的。方案中采用三通控制閥來(lái)改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量及其旁路流量的比例，這樣既可控制進(jìn)入換熱器的載熱體的流量，又可保證載熱體總流量的不受影響。這種控制方案在載熱體為工藝物料時(shí)是極為常見(jiàn)的。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制被加熱流體流量的旁路如圖7-16所示為被加熱流體流量旁路控制方案，其中一部分工藝物料經(jīng)換熱器，另一部分走旁路。這種方案從控制機(jī)理來(lái)看，實(shí)際上是一個(gè)混合過(guò)程，所以反應(yīng)迅速及時(shí)，適用于物料停留在換熱器里的時(shí)間較長(zhǎng)的操作。但需要注意的是換熱器必須要有富裕的傳熱面積，而且載熱體流量一直處于高負(fù)荷下，該方案在采用專(zhuān)門(mén)的載熱體時(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。然而對(duì)于某些熱量回收系統(tǒng)，載熱體是工藝物料，總量本不宜控制，這時(shí)便不成為缺點(diǎn)了。7典型單元的基本控制方案7.2.2蒸汽加熱器的控制蒸汽加熱器的載熱體是蒸汽，通過(guò)蒸汽冷凝釋放熱量來(lái)加熱物料，水蒸氣是最常用的一種載熱體，根據(jù)加熱溫度的不同，也可采用其他介質(zhì)的蒸汽作為載熱體。7典型單元的基本控制方案控制蒸汽載熱體的流量如圖7-17所示是控制蒸汽流量的溫度控制方案。蒸汽在傳熱過(guò)程中起了相態(tài)變化，其傳熱機(jī)理是同時(shí)改變了傳熱速率方程中的平均溫差Δtm和傳熱面積F。當(dāng)加熱器的傳熱面積沒(méi)有富裕時(shí)，應(yīng)以改變溫差Δtm為控制手段，調(diào)節(jié)蒸汽載熱體流量G1的大小即可改變溫差Δtm的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱物料出口溫度t2的控制。這種控制方案控制靈敏，但是當(dāng)采用低壓蒸汽作為載熱體時(shí)，進(jìn)入加熱器內(nèi)的蒸汽一側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，此時(shí)，冷凝液將不能連續(xù)排出，采用該控制方案就需慎重。7典型單元的基本控制方案控制冷凝液的排放量如圖7-18所示是控制冷凝液流量的控制方案。該方案的機(jī)理是通過(guò)控制冷凝液的排放量，改變了加熱器內(nèi)冷凝液的液位，導(dǎo)致傳熱面積F的變化，從而改變了傳熱量Q，以達(dá)到對(duì)被加熱物料出口溫度的控制。這種控制方案有利于冷凝液的排放，傳熱變化比較平緩，可防止局部過(guò)熱，有利于熱敏介質(zhì)的控制。此外該方案的排放閥的口徑也小于蒸汽閥的，但這種改變傳熱面積的控制方案的動(dòng)作比較遲鈍。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.2.3冷卻器的控制冷卻器的載熱體是冷卻劑，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常常采用液態(tài)氨等介質(zhì)作為制冷劑，利用它們?cè)诶鋮s器內(nèi)蒸發(fā)時(shí)吸收工藝物料的大量熱量，使工藝物料的出口溫度下降來(lái)達(dá)到生產(chǎn)工藝的要求。工業(yè)用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。7典型單元的基本控制方案控制冷卻劑的流量如圖7-19所示為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機(jī)理也是通過(guò)改變傳熱速率方程中的傳熱面積F來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案控制平穩(wěn)，冷量利用充分，且對(duì)壓縮機(jī)入口壓力無(wú)影響。但這種方案控制不夠靈活，另外蒸發(fā)空間不能得到保證，易引起氣氨帶液而損壞壓縮機(jī)。為此可采用如圖7-20所示的物料出口溫度與液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，或如圖7-21所示的選擇性控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制氣氨排量如圖7-22所示為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機(jī)理是通過(guò)改變傳熱速率方程中的平均溫差來(lái)控制工藝物料的出口溫度。采用這種方案時(shí)，控制靈敏迅速，但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機(jī)入口壓力的波動(dòng)，另外冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行，還需要設(shè)置一個(gè)液位控制系統(tǒng)，防止液態(tài)氨進(jìn)入氣氨管路而導(dǎo)致壓縮機(jī)損壞。7典型單元的基本控制方案過(guò)程控制技術(shù)精餾塔的控制7典型單元的基本控制方案7.3精餾塔的控制精餾是現(xiàn)代化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛的傳質(zhì)傳熱過(guò)程，其目的是將混合物中各組分分離，達(dá)到規(guī)定的純度。精餾過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是利用混合物各組分具有不同的揮發(fā)度，使液相中的輕組分轉(zhuǎn)移到氣中，而氣相中的重組分轉(zhuǎn)移到液相中，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。7典型單元的基本控制方案一般精餾裝置由精餾塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等設(shè)備組成，如圖7-23所示。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，精餾操作可分為歇間精餾和連續(xù)精餾兩種，工業(yè)生產(chǎn)主要采用連續(xù)精餾。精餾塔是精餾過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備，它是一個(gè)非常復(fù)雜的對(duì)象。在精餾操作中，被控變量多，可以選擇的操縱參數(shù)也多，它們之間又可以有各種不同的組合，所以控制方案繁多。由于精餾塔對(duì)象的控制通道很多，反應(yīng)緩慢，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，加上工藝生產(chǎn)對(duì)控制要求又較高，因此在確定控制方案前必須深入分析工藝特性，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合具體情況，才能設(shè)計(jì)出合理的控制方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.3.1精餾塔的控制目標(biāo)精餾塔的控制目標(biāo)是：在保證產(chǎn)品質(zhì)量合格的前提下，回收率最高和能耗最低，或使塔的總收益最大，或總成本最小，一般來(lái)講應(yīng)滿足職下三方面要求。保證質(zhì)量指標(biāo)在精餾塔的生產(chǎn)過(guò)程中，一般應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個(gè)產(chǎn)品符合工藝要求的純度，另一個(gè)產(chǎn)品的組分亦應(yīng)該保持在規(guī)定的范圍之內(nèi)。此時(shí)，應(yīng)取精餾塔塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量作為被控變量，這種控制系統(tǒng)稱(chēng)之為精餾塔的質(zhì)量控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案物料平衡和能量平衡為了保證精餾塔的物料平衡和能量平衡，必須把進(jìn)塔之前的主要可控干擾盡可能預(yù)先克服，同時(shí)盡可能緩和一些不可控的主要干擾。例如，可設(shè)置進(jìn)料的溫度控制、加熱劑和冷卻劑的壓力控制、進(jìn)料量的均勻控制系統(tǒng)等等。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(jìn)料量，而且兩個(gè)采出量變化要緩慢，以保證精餾塔操作的平穩(wěn)。塔內(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，控制好塔內(nèi)的壓力穩(wěn)定，對(duì)精餾塔的物料平衡和能量平衡是十分有必要的。7典型單元的基本控制方案約束條件為確保精餾塔的正常、安全運(yùn)行，操作時(shí)必須使某些操作參數(shù)限制在約束條件之內(nèi)。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限和臨界溫差限等。液泛限又稱(chēng)氣相速度限，即塔內(nèi)氣相速度過(guò)高時(shí)，霧沫夾帶現(xiàn)象十分嚴(yán)重，實(shí)際上是液相從下面塔板倒流到上面塔板，產(chǎn)生液泛會(huì)破壞塔的正常操作。漏液限又稱(chēng)為氣相最小速度限，當(dāng)氣相速度小于某一值時(shí)，將產(chǎn)生塔板漏液現(xiàn)象，板效率下降。最好能在稍低于液泛的流速下操作。要防止液泛和漏液現(xiàn)象，可以通過(guò)塔壓降或壓差來(lái)監(jiān)視氣相速度。壓力限是塔的操作壓力的限制，一般設(shè)最大操作壓力限，超限會(huì)影響塔內(nèi)的氣液相平衡，嚴(yán)重超限甚至?xí)绊懓踩a(chǎn)。7典型單元的基本控制方案7.3.2精餾塔的干擾因素在精餾塔的操作過(guò)程中，影響其質(zhì)量指標(biāo)的主要干擾因素有：7典型單元的基本控制方案進(jìn)料流量F的波動(dòng)進(jìn)料量F在很多情況下是不可控的，它的波動(dòng)通常難以完全避免。如果一個(gè)精餾塔是位于整個(gè)工藝生產(chǎn)過(guò)程的起點(diǎn)，要使進(jìn)料流量F恒定，可采用定值控制。然而，在多數(shù)情況下，精餾塔的處理量是由上一工序決定的。如果要使進(jìn)料量恒定，勢(shì)必需要設(shè)置很大的中間貯存物料的容器。工藝生產(chǎn)上新的設(shè)計(jì)思想是盡量減小或取消中間貯槽，而是在上一工序中采用液位均勻控制系統(tǒng)來(lái)控制出料量，以使進(jìn)料流量F的波動(dòng)不致于劇烈。7典型單元的基本控制方案進(jìn)料成分ZF的變化進(jìn)料成分ZF一般是不可控的，它的變化也是無(wú)法避免的，進(jìn)料成分ZF由上一工序或原料情況所確定。7典型單元的基本控制方案進(jìn)料溫度QF及進(jìn)料熱焓QF的變化進(jìn)料溫度QF通常是比較恒定的，假如不恒定，可以先將進(jìn)料進(jìn)行預(yù)熱，通過(guò)溫度控制系統(tǒng)來(lái)使精餾塔的進(jìn)料溫度QF恒定。然而，在進(jìn)料溫度恒定時(shí)，只有當(dāng)進(jìn)料狀態(tài)全部是汽態(tài)或全部是液態(tài)時(shí)，進(jìn)料熱焓QF才能恒定。當(dāng)進(jìn)料量是汽液混相狀態(tài)時(shí)，則只有當(dāng)汽液兩相的比例恒定時(shí)，進(jìn)料熱焓QF才能恒定。為了保持精餾塔的進(jìn)料熱焓QF的恒定，必要時(shí)可通過(guò)熱焓控制的方法來(lái)維持熱焓QF的恒定。7典型單元的基本控制方案再沸器加入熱量的變化當(dāng)加熱劑是蒸汽時(shí)，加入熱量的變化往往是由蒸汽壓力的變化而引起的，可以通過(guò)在蒸汽總管設(shè)置壓力控制系統(tǒng)來(lái)加以克服，或者在串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路予以克服。冷凝器內(nèi)除去熱量的變化冷卻過(guò)程熱量的變化會(huì)影響到回流量或回流溫度，它的變化主要是由于冷卻劑的壓力或溫度變化而引起的。一般情況冷卻劑溫度的變化較小，而壓力的波動(dòng)可采用克服加熱劑壓力變化的同樣方法予以控制。7典型單元的基本控制方案環(huán)境溫度的變化一般情況下，環(huán)境溫度變化的影響較小。但在采用風(fēng)冷器作冷凝器時(shí)，則天氣驟變與晝夜溫差會(huì)對(duì)塔的操作影響較大，它會(huì)使回流量或回流溫度發(fā)生改變。為此，可采用內(nèi)回流控制的方法進(jìn)行克服。內(nèi)回流控制是指在精餾過(guò)程中，控制內(nèi)回流量為恒定量或按某一規(guī)律變化的操作。7典型單元的基本控制方案從上述的干擾分析可以得知，進(jìn)料量F和進(jìn)料成分ZF的變化是精餾塔操作的主要干擾，而往往是不可控的。其余干擾一般比較小，而且往往是可控的，或者可以采用一些控制系統(tǒng)預(yù)先加以克服的。當(dāng)然，有時(shí)并不一定，還需根據(jù)具體情況作具體分析。7典型單元的基本控制方案7.3.3精餾塔質(zhì)量指標(biāo)的選擇精餾塔最直接的質(zhì)量指標(biāo)就是產(chǎn)品的純度。由于成分分析儀表應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性的局限,采用直接質(zhì)量指標(biāo)仍然是很有限，在此重點(diǎn)討論間接質(zhì)量指標(biāo)的選擇。最常用的間接質(zhì)量指標(biāo)是溫度。這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)二元組分的精餾塔而言，在塔內(nèi)壓力一定的條件下，溫度與產(chǎn)品純度之間存在著單值的函數(shù)關(guān)系。因此，如果壓力恒定，則塔板的溫度就間接反映了濃度。對(duì)于多元精餾塔而言，雖然情況比較復(fù)雜，但也是可以看作在塔內(nèi)壓力恒定條件下，塔板溫度作為間接反映產(chǎn)品純度的質(zhì)量指標(biāo)。7典型單元的基本控制方案塔頂或塔底的溫度控制一般情況，如果主要產(chǎn)品從塔頂部餾出時(shí)，應(yīng)以塔頂溫度作為控制指標(biāo)，可以得到較好的操作效果。同樣，如果主要產(chǎn)品是從塔底流出，則就以塔底溫度作為控制指標(biāo)效果較好。為了保證另一產(chǎn)品質(zhì)量在一定的規(guī)格范圍內(nèi)符合要求，塔的操作要有一定裕量。例如，如果主要產(chǎn)品在塔頂部餾出時(shí)，控制變量為回流量的話，再沸器的加熱量要有一定的裕量，以至于在任何可能的擾動(dòng)條件下，塔底產(chǎn)品的規(guī)格都在一定的限度之內(nèi)符合工藝要求。7典型單元的基本控制方案靈敏塔板的溫度控制對(duì)質(zhì)量指標(biāo)要求不高時(shí)，塔頂或塔底的溫度基本可以代表塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量。然而，當(dāng)分離的產(chǎn)品較純時(shí)，在相鄰塔頂或塔底的各塔板之間，溫度差已經(jīng)很小，這時(shí)，塔頂或塔底的溫度變化0.5℃，可能已超出產(chǎn)品質(zhì)量的允許范圍。因此，對(duì)溫度儀表的靈敏度和控制精度都提了很高的要求，但實(shí)際上是很難以滿足的。解決這一問(wèn)題的方法可以在塔頂或塔底與進(jìn)料塔板之間選擇靈敏塔板的溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)。7典型單元的基本控制方案溫差控制在精密精餾過(guò)程中，由于對(duì)產(chǎn)品的純度要求很高，而且的塔頂與塔底產(chǎn)品的沸點(diǎn)溫差一般都不大，可考慮采用溫差控制。采用溫差作為反映產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù)，能消除壓力波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在精餾塔控制系統(tǒng)中雖然設(shè)有塔內(nèi)壓力定值控制，但壓力也會(huì)有微小波動(dòng)，從而會(huì)引起產(chǎn)品濃度的變化，這對(duì)于一般產(chǎn)品純度要求不高的精餾塔操作的符合要求的。如果是精密精餾，對(duì)產(chǎn)品純度要求很高，很小的壓力波動(dòng)就足以影響產(chǎn)品的質(zhì)量，這時(shí)若還采用溫度作質(zhì)量指標(biāo)已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求了。溫度的變化是產(chǎn)品的純度和塔壓力變化的結(jié)果，因此要考慮采用補(bǔ)償或消除壓力微小波動(dòng)的影響。7典型單元的基本控制方案雙溫差控制在精餾塔進(jìn)行精密精餾操作時(shí),采用溫差控制也存在著一個(gè)不足之處,就是當(dāng)物料的進(jìn)料流量波動(dòng)時(shí),將會(huì)引起塔內(nèi)成分的變化和塔內(nèi)壓力的變化。這時(shí)溫差與產(chǎn)品的純度就不再呈現(xiàn)單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，溫差控制難以滿足工藝生產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品純度的要求。采用雙溫差控制可克服這一不足，滿足精密精餾操作的工藝要求。7典型單元的基本控制方案如果塔頂重組分增加，會(huì)引起精餾段靈敏塔板溫度有較大變化；如果塔底輕組分增加，則會(huì)引起提餾段靈敏塔板溫度有較大變化。相對(duì)地，靠近塔底和塔頂處的溫度變化較小。將溫度變化最小的塔板分別稱(chēng)為精餾段參比塔板和提餾段參比塔板。如能分別將塔頂、塔底的兩塊參比塔板與兩塊靈敏塔板之間的溫度梯度控制穩(wěn)定，就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的要求，這就是雙溫差控制方法。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-24所示是雙溫差控制方案。設(shè)T11、T12分別為精餾段參比塔板和靈敏塔板的溫度；T21、T22分別為提餾段參比塔板和靈敏塔板的溫度，構(gòu)成了精餾段的溫差ΔT1=T12-T11；提餾段的溫差ΔT2=T22-T21，將這兩個(gè)溫差的差值ΔTd=ΔT1-ΔT2作為控制指標(biāo)。從實(shí)際的應(yīng)用情況來(lái)看，只要合理選擇靈敏塔板和參比塔板的位置，可使塔得到最大的分離度，得到更純的塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品。7典型單元的基本控制方案采用了雙溫差控制后，若由于進(jìn)料流量波動(dòng)引起塔壓的變化對(duì)溫差的影響，在塔的精餾段和提餾段同時(shí)出現(xiàn)，而精餾段溫差減去提餾段溫差的差值就消除了壓降變化對(duì)質(zhì)量指標(biāo)的影響。從應(yīng)用雙溫差控制的許多精密精餾生產(chǎn)過(guò)程操作來(lái)看，在進(jìn)料流量波動(dòng)的影響下仍能獲得符合質(zhì)量指標(biāo)的控制效果。7典型單元的基本控制方案7.3.4精餾塔的基本控制方案精餾塔的控制目標(biāo)是使塔頂和塔底的產(chǎn)品滿足工藝生產(chǎn)規(guī)定的質(zhì)量要求。精餾塔由于其生產(chǎn)的工藝要求和操作條件的不同，控制方案種類(lèi)繁多，這里僅討論常見(jiàn)的塔頂和塔底均為液相時(shí)的基本控制方案。7典型單元的基本控制方案對(duì)于有兩個(gè)液相產(chǎn)品的精餾塔來(lái)說(shuō)，質(zhì)量指標(biāo)控制可以有根據(jù)主要產(chǎn)品的采出位置不同分為兩種情況：一是主要產(chǎn)品從塔頂餾出時(shí)可采用按精餾段質(zhì)量指標(biāo)的控制方案，二是主要產(chǎn)品從塔底流出的則可采用按提餾段質(zhì)量指標(biāo)的控制方案。7典型單元的基本控制方案按精餾段質(zhì)量指標(biāo)的控制方案當(dāng)以塔頂餾出液為主要產(chǎn)品時(shí)，往往按精餾段質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制。這時(shí)，取精餾段某點(diǎn)濃度或溫度作為被控變量，以塔頂?shù)幕亓髁縇、餾出量D或上升蒸汽量V作為操縱變量，組成單回路控制系統(tǒng)。也可以根據(jù)實(shí)際情況選擇副參數(shù)組成串級(jí)控制系統(tǒng)，迅速有效地克服進(jìn)入副環(huán)的擾動(dòng)，并可降低對(duì)控制閥特性的要求，這在需要進(jìn)行精密精餾的控制時(shí)常常采用。7典型單元的基本控制方案采用這種控制方案時(shí)，在L、D、V和B四者之中選擇一個(gè)參數(shù)作為控制產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的控制變量，選擇另一個(gè)參數(shù)保持流量恒定控制，其余兩個(gè)參數(shù)則按回流罐和再沸器的物料平衡關(guān)系設(shè)液位控制系統(tǒng)加以控制。同時(shí)，為了保持塔壓的恒定還應(yīng)設(shè)置塔頂?shù)膲毫刂葡到y(tǒng)。精餾段常用的控制方案可分為兩類(lèi)：7典型單元的基本控制方案選擇回流量L作為操縱變量的質(zhì)量控制方案如圖7-25所示，這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)的控制作用的滯后小，反應(yīng)迅速，所以對(duì)克服進(jìn)入精餾段的干擾和保證塔頂產(chǎn)品的質(zhì)量是有利的，這也是精餾塔控制中最常見(jiàn)的控制方案。可是在該方案中L受溫度控制器控制，回流量的波動(dòng)對(duì)精餾塔的平穩(wěn)操作是不利的。所以在溫度控制器的參數(shù)整定時(shí)，應(yīng)采用比例加積分的控制規(guī)律，不需加微分作用。此外，再沸器加熱量要維持一定而且應(yīng)足夠大，以便精餾塔在最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)仍可保證產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)合格。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案選擇塔頂餾出量D作為操縱變量的質(zhì)量控制方案如圖7-26所示，這種控制方案的優(yōu)點(diǎn)是有利精餾塔的平穩(wěn)操作，對(duì)于在回流比較大的情況下，控制D要比控制L靈敏。此外還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)塔頂?shù)漠a(chǎn)品質(zhì)量不合格時(shí)，如果采用有積分作用的控制器，塔頂餾出量D會(huì)自動(dòng)暫時(shí)中斷，進(jìn)行全回流操作，這樣可確保得到的產(chǎn)品是質(zhì)量合格的。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案按提餾段質(zhì)量指標(biāo)的控制方案當(dāng)以塔底采出液作為主要產(chǎn)品時(shí)，通常就按提餾段質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行控制。這時(shí)，選擇提餾段某點(diǎn)的濃度或溫度作為被控變量。組成單回路控制系統(tǒng)或根據(jù)需要選擇副參數(shù)組成串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)控制產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)還需設(shè)置類(lèi)似于精餾段控制方案中的輔助控制系統(tǒng)。提餾段常用的控制方案也可分兩類(lèi)：7典型單元的基本控制方案選擇再沸器的加熱量作為操縱變量的質(zhì)量控制方案如圖7-27所示，這類(lèi)方案采用塔內(nèi)上升蒸汽量V作為控制參數(shù)，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)上要比回流量L控制的滯后要小，反應(yīng)迅速，所以對(duì)克服進(jìn)入提餾段的干擾和保證塔底的產(chǎn)品質(zhì)量有利。所以該方案是目前應(yīng)用最廣的精餾塔控制方案。可是在該方案中，回流量要采用定值控制，而且回流量應(yīng)有足夠大，以便當(dāng)塔的負(fù)荷在最大運(yùn)行時(shí)仍可確保產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)合格。如果當(dāng)進(jìn)入再沸器蒸汽壓力經(jīng)常波動(dòng)時(shí)，可采用靈敏塔板溫度-蒸汽流量組成串級(jí)控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案選擇塔底采出量作為操縱變量的質(zhì)量控制方案如圖7-28所示，這類(lèi)控制方案如前所述，類(lèi)似于精餾段選擇D作為控制參數(shù)的方案那樣，有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一些弱點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)塔底采出量B較小時(shí)，操作比較穩(wěn)定；當(dāng)采出量B不符合產(chǎn)品的質(zhì)量要求時(shí)，會(huì)自行暫停出料。其缺點(diǎn)是滯后較大而且液位控制回路存在著反向特性。同樣，也要求回流量應(yīng)足夠大，以確保在最大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的產(chǎn)品質(zhì)量合格。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案精餾塔的計(jì)算機(jī)控制由于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)特別是集散控制系統(tǒng)（DCS）的迅速發(fā)展，并在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用日趨廣泛，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在精餾塔的控制中亦不斷成熟和發(fā)展。不少大中型企業(yè)特別是石油化工、醫(yī)藥化工、煉油等工業(yè)生產(chǎn)中精餾塔相繼采用了計(jì)算機(jī)控制，使得在精餾過(guò)程新的控制方案層出不窮，如精餾過(guò)程的內(nèi)回流、熱焓控制，解耦控制，推斷控制，節(jié)能控制，最優(yōu)控制等?？刂葡到y(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)越來(lái)越高，使精餾塔的操作收到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。過(guò)程控制技術(shù)鍋爐設(shè)備的控制7典型單元的基本控制方案7.4鍋爐設(shè)備的控制鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)的蒸餾、干燥、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程提供熱源，而且，還可以為壓縮機(jī)、泵、透平機(jī)等提供動(dòng)力源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過(guò)程的不斷強(qiáng)化，生產(chǎn)設(shè)備的不斷革新，作為全廠動(dòng)力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。為確保安全，穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制就顯得由為重要了。7典型單元的基本控制方案由于鍋爐設(shè)備所使用的燃料種類(lèi)、燃燒設(shè)備、爐體形式、鍋爐功能和運(yùn)行要求的不同，鍋爐有各種各樣的流程。常見(jiàn)的鍋爐設(shè)備主要工藝流程如圖7-29所示7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案由圖可知，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和熱空氣按一定的比例進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds，然后經(jīng)過(guò)熱器，形成一定汽溫的過(guò)熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制閥供給生產(chǎn)負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪排入大氣。7典型單元的基本控制方案7.4.1鍋爐設(shè)備的控制要求鍋爐是重要的大型動(dòng)力設(shè)備，對(duì)其要求是提供合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量要適應(yīng)負(fù)荷的需要，為此生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)工藝參數(shù)必須加以嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，主要輸入變量有：負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等。主要輸出變量有：汽包水位、蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣含氧量等。7典型單元的基本控制方案這些輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間存在著相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，必然會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度的變化；燃料量的變化不僅會(huì)影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響汽包水位，過(guò)熱蒸汽溫度，煙氣含氧量和爐膛負(fù)壓；給水量的變化不僅會(huì)影響汽包水位，而且對(duì)蒸汽壓力，過(guò)熱蒸汽溫度亦有影響；減溫水的變化會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化。所以，鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入，多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象。對(duì)于這種復(fù)雜的對(duì)象，目前工程處理上作了一些假設(shè)之后，將鍋爐設(shè)備的控制方案劃分為若干個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施，主要的控制系統(tǒng)有：7典型單元的基本控制方案（1）鍋爐汽包水位的控制控制參數(shù)是給水流量W，它主要考慮汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐生產(chǎn)、汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一。7典型單元的基本控制方案（2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制有三個(gè)被控變量：蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛負(fù)壓。而操縱變量也有三個(gè)：燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。這三個(gè)被控變量和操縱變量互相關(guān)聯(lián)，需要統(tǒng)籌兼顧，從而組成合適的燃燒系統(tǒng)的控制方案，以滿足燃料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全性。爐膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)。7典型單元的基本控制方案（3）過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制以過(guò)熱蒸汽溫度為被控變量，噴水量為操縱變量組成的溫度控制系統(tǒng)，以使過(guò)熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。7典型單元的基本控制方案7.4.2鍋爐汽包水位的控制汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)。如果水位過(guò)低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而蒸汽負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，會(huì)導(dǎo)致汽包內(nèi)的水量加速減少，水位迅速下降，如不及時(shí)控制就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，可能導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸；7典型單元的基本控制方案水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，會(huì)使過(guò)熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致?lián)p壞，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽如果是作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，將會(huì)損壞汽輪機(jī)的葉片，影響設(shè)備運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性。由此可見(jiàn)，水位過(guò)低或過(guò)高時(shí)所產(chǎn)生的后果是極為嚴(yán)重的，所以汽包水位操作的平穩(wěn)顯得尤為重要，必須要嚴(yán)格保證控制質(zhì)量。7典型單元的基本控制方案汽包水位的主要干擾蒸汽負(fù)荷對(duì)汽包水位的影響在燃料量不變的情況下，蒸汽用量的突然增加，瞬時(shí)間必然會(huì)導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰會(huì)突然加劇，水中汽包會(huì)迅速增加，將整個(gè)水位會(huì)抬高，形成了虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂假水位現(xiàn)象。在蒸汽流量干擾下，水位變化的階躍反應(yīng)曲線如圖7-30所示。當(dāng)蒸汽流量突然增大時(shí)，由于假水位現(xiàn)象的產(chǎn)生，在開(kāi)始階段水位不會(huì)下降反而會(huì)上升，然后下降；反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后再上升。蒸汽流量D的突然增加時(shí)，實(shí)際水位的變化L應(yīng)是在不考慮水面下汽泡容積變化時(shí)的水位變化L1與只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化L2的疊加。即：L=L1+L27典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案給水流量W對(duì)汽包水位的影響在給水流量的作用下，水位階躍反應(yīng)曲線如圖7-31所示。把汽包和給水看作是單容無(wú)自衡對(duì)象，水位反應(yīng)曲線如圖中的L1線。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水量變化之后，使汽包中汽泡的含量減少，從而導(dǎo)致汽包水位下降。因此實(shí)際的水位反應(yīng)曲線如圖中L線，即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開(kāi)始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始的慣性段。給水的溫度越低，純滯后時(shí)間τ亦越大。一般τ約在15~100秒之間，如果采用省媒器，則由于某種原因省煤器本身的延遲，會(huì)使τ增加到100~200秒之間。7典型單元的基本控制方案（3）鍋爐排污、吹灰等對(duì)汽包水位的影響鍋爐排污直接自汽包里放水，吹灰時(shí)用鍋爐自身的蒸汽來(lái)吹，這些都是短時(shí)的負(fù)荷變化而引入的干擾。7典型單元的基本控制方案單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位為被控變量，選擇給水流量W為操縱變量而組成的一個(gè)單回路汽包水位的控制系統(tǒng)。對(duì)于小型鍋爐，由于水在汽包停留時(shí)間較長(zhǎng)，蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一套聯(lián)鎖報(bào)警裝置，也是可以保證安全操作，采用這種單沖量控制方案也能滿足生產(chǎn)的工藝要求。對(duì)于中大型鍋爐，由于蒸汽負(fù)荷變化，假水位的現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，控制器不但不能開(kāi)大控制閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，卻會(huì)關(guān)小控制閥的開(kāi)度，減少給水量，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很劇烈，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊幌陆档轿ｋU(xiǎn)限而導(dǎo)致發(fā)生事故。該控制方案就難以滿足中大型鍋爐生產(chǎn)的安全和操作平穩(wěn)的工藝要求。7典型單元的基本控制方案雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位的控制中，最主要的干擾是蒸汽負(fù)荷的變化，如果根據(jù)蒸汽流量來(lái)進(jìn)行校正，就可以糾正假水位引起的誤動(dòng)作，而且使控制閥的動(dòng)作十分及時(shí)，從而減少水位的波動(dòng)，改善的控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號(hào)的引入，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)，如圖7-32所示是典型的雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖及方塊圖。這是一個(gè)前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案現(xiàn)在來(lái)分析這些系數(shù)的設(shè)置。C2項(xiàng)取正號(hào)還是負(fù)號(hào)，要根據(jù)控制閥是氣開(kāi)還是氣關(guān)而定?？刂崎y的氣開(kāi)與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮等，那么為了保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(kāi)閥為宜；如果蒸汽作為加熱及工藝物料使用時(shí)，為了保護(hù)鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。因?yàn)樵谡羝考哟髸r(shí)，給水流量亦要加大，如果采用氣關(guān)閥，I應(yīng)減小即應(yīng)該取負(fù)號(hào)；如果采用氣開(kāi)閥，I應(yīng)增加，即應(yīng)該取正號(hào)。7典型單元的基本控制方案C2的數(shù)值應(yīng)考慮達(dá)到靜態(tài)補(bǔ)償。如果在現(xiàn)場(chǎng)湊試，那么應(yīng)在只有負(fù)荷干擾的條件下，調(diào)整到水位基本不變。如果有閥門(mén)特性數(shù)據(jù)，設(shè)閥門(mén)的工作特性是線性的，可以通過(guò)采用如下公式計(jì)算來(lái)獲得：C2=aDmax/KV（Zmax-Zmin）7典型單元的基本控制方案C1的設(shè)置比較簡(jiǎn)單，可取1，也可以小于1。不難看出C1與控制器的放大倍數(shù)的乘積相當(dāng)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中控制器的放大倍數(shù)的作用。I0的設(shè)置目的是使正常負(fù)荷下，控制器和加法器的輸出都能有一個(gè)適中的數(shù)值。最好是在正常負(fù)荷下I0值與C2IF項(xiàng)恰好抵消。7典型單元的基本控制方案在有些裝置中，采用另一種接法，即將加法器放在控制器之前，如圖7-33所示。因?yàn)樗簧仙c蒸汽流量增加時(shí)，閥門(mén)的動(dòng)作方向相反，所以一定是信號(hào)相減。這樣的接法好處是使用儀表比較少，因?yàn)橐粋€(gè)雙通道的控制器就可以實(shí)現(xiàn)加減和控制的功能。假設(shè)水位控制器采用單比例作用，則這種接法與圖7-32的接法可以等效轉(zhuǎn)換，差別不大。7典型單元的基本控制方案三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個(gè)弱點(diǎn)：一是控制閥的工作特性不一定是線性的，因而要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難；二是對(duì)于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。為此可再將給水流量信號(hào)引入，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，如圖7-34所示。從該圖可以看出，這是前饋與串級(jí)控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。在汽包停留時(shí)間較短時(shí)，需要引入蒸汽信號(hào)的微分作用如圖中虛線所示，這種微分信號(hào)應(yīng)是負(fù)微分作用，以避免由于負(fù)荷突然增加和突然減少時(shí)，水位偏離給定值過(guò)高或過(guò)低而造成鍋爐停車(chē)。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-35所示是三沖量控制系統(tǒng)的連接圖和方塊圖。系數(shù)設(shè)置：系數(shù)C1通?？扇?或稍小于1的數(shù)值。假設(shè)采用氣開(kāi)閥時(shí)，C2就取正值，其值的計(jì)算相當(dāng)簡(jiǎn)單，按物料平衡的要求，當(dāng)變送器采用開(kāi)方器時(shí)：C2=aDmax/Wmax

I0的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案在有些控制裝置中，采用了比較簡(jiǎn)單的三沖量控制系統(tǒng)，只用一臺(tái)控制器及一臺(tái)加法器，加法器可接在控制器之前如圖7-36（a）所示，也可接在控制器之后如圖7-36（b）所示。圖中的加法器正負(fù)號(hào)是針對(duì)采用氣關(guān)閥正作用控制器的情況。圖7-36（a）接法的優(yōu)點(diǎn)是使用儀表最少，只要一臺(tái)多通道的控制器即可實(shí)現(xiàn)。但如果系數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。圖7-36（b）的接法，水位無(wú)余差，但用儀表較上法多，在投運(yùn)及系數(shù)設(shè)置等方面較上法麻煩一些。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.4.3過(guò)熱蒸汽溫度控制蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器?？刂迫蝿?wù)是使過(guò)熱器的出口溫度維持的工藝要求允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低，對(duì)鍋爐運(yùn)行及蒸汽用戶設(shè)備都是不利的。過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，過(guò)熱器容易損壞，汽輪機(jī)也會(huì)因內(nèi)部過(guò)度的膨脹而嚴(yán)重影響安全運(yùn)行；過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。所以必須把過(guò)熱器出口的溫度控制在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。7典型單元的基本控制方案過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時(shí)間常數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)的要求，因此，可采用如圖7-37所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，以減溫器出口溫度為副參數(shù)，可以提高對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。過(guò)熱蒸汽溫度控制有時(shí)還采用雙沖量控制系統(tǒng)工程，如圖7-38所示。這種控制方案實(shí)質(zhì)上是串級(jí)控制系統(tǒng)的變形，把減溫器出口溫度經(jīng)微分器作為一個(gè)沖量，其作用與串級(jí)的副參數(shù)相似。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.4.4鍋爐燃燒過(guò)程的控制燃燒過(guò)程控制的任務(wù)燃燒過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)與燃料的種類(lèi)、燃燒設(shè)備以及鍋爐型式等有著密切關(guān)系。這里主要討論燃油鍋爐的燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)。蒸汽壓力控制和燃料與空氣比值控制系統(tǒng)蒸汽壓力對(duì)象的主要干擾是燃料量的波動(dòng)與蒸汽負(fù)荷的變化。當(dāng)燃料流量及蒸汽負(fù)荷波動(dòng)較小時(shí)，可以采用蒸汽壓力來(lái)控制燃料量的單回路控制系統(tǒng)。而當(dāng)燃料流量波動(dòng)較大時(shí)，可以采用蒸汽壓力對(duì)燃料流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案如圖7-39所示是燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)的一例，從圖中可以看出有四個(gè)控制系統(tǒng)。蒸汽出口壓力與燃料流量的串級(jí)控制系統(tǒng)（正常工況）；燃料流量與空氣流量的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)（正常工況）；空氣量過(guò)少時(shí)自動(dòng)減少燃料量的選擇性控制系統(tǒng)；蒸汽出口壓力降低時(shí)自動(dòng)加大空氣量的前饋選擇性控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案爐膛負(fù)壓控制與相關(guān)安全保護(hù)系統(tǒng)如圖7-40所示是燃燒過(guò)程控制系統(tǒng)的又一示例，用該方案來(lái)說(shuō)明爐膛負(fù)壓控制與相關(guān)安全保護(hù)性控制系統(tǒng)。從圖中可以看出下列控制系統(tǒng)功能：7典型單元的基本控制方案蒸汽壓力控制系統(tǒng)，P1C依據(jù)蒸汽壓力的變化來(lái)控制燃料量；爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)，一般情況下可以根據(jù)爐膛負(fù)壓來(lái)控制煙道的翻板或引風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定爐膛負(fù)壓的要求，這里設(shè)置了一個(gè)前饋（蒸汽壓力控制器的輸出，反映燃料量也即空氣量）與爐膛負(fù)壓反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)；如果燃料控制閥閥后壓力過(guò)高，可能會(huì)引起脫火的危險(xiǎn)，由過(guò)壓控制器P2C通過(guò)低選器LS來(lái)控制燃料控制閥，以防止脫火；如果燃料控制閥閥后壓力過(guò)低，可能導(dǎo)致回火的危險(xiǎn)，由PAL系統(tǒng)帶動(dòng)聯(lián)鎖裝置，將燃料控制閥的上游控制閥截?cái)?，切斷發(fā)燃料量的供給。過(guò)程控制技術(shù)化學(xué)反應(yīng)器的控制7典型單元的基本控制方案7.5化學(xué)反應(yīng)器的控制化學(xué)反應(yīng)器在工業(yè)生產(chǎn)中是一種重要的裝置，由于它們所完成操作的特殊性和重要性，以及它又具有與一般生產(chǎn)裝置不同的特點(diǎn)，因此對(duì)化學(xué)反應(yīng)器的控制既十分重要，又常常比較難以實(shí)施。至今為止，由于反應(yīng)器的反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜，在自動(dòng)控制方面的研發(fā)工作做得還不夠，所以在進(jìn)行反應(yīng)器控制方案的設(shè)計(jì)時(shí)需要做反復(fù)的調(diào)查研究、總結(jié)反應(yīng)器的操作經(jīng)驗(yàn)，才能制訂出合理的、行之有效的自動(dòng)控制方案。7典型單元的基本控制方案7.5.1化學(xué)反應(yīng)器的控制要求化學(xué)反應(yīng)的種類(lèi)比較多，因此化學(xué)反應(yīng)器的控制難易程度相差也很大。一些容易控制的反應(yīng)器，控制方案非常簡(jiǎn)單，與一個(gè)換熱器的控制方案完全相同。但是，當(dāng)反應(yīng)速度快、放熱量大或由于工藝設(shè)計(jì)上的原因，使得反應(yīng)器的穩(wěn)定操作區(qū)域很狹窄的情況下，反應(yīng)器控制方案的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。此外，對(duì)于一些高分子聚合反應(yīng)，也會(huì)因物料的粘度大而給溫度、流量和壓力的準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)較大的困難以致嚴(yán)重影響反應(yīng)器控制方案的實(shí)施。7典型單元的基本控制方案一般情況下，在確定反應(yīng)器控制方案時(shí)首先要調(diào)查清楚反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)被控變量和可能的操縱變量。關(guān)于質(zhì)量指標(biāo)被控變量可從以下幾個(gè)方面考慮：質(zhì)量指標(biāo)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)器及其內(nèi)在進(jìn)行反應(yīng)的機(jī)理不同，其質(zhì)量指標(biāo)被控變量可以選擇反應(yīng)轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量等直接指標(biāo)為被控變量，或與它們有關(guān)的間接工藝指標(biāo)，如溫度、壓力、粘度等作為被控變量。7典型單元的基本控制方案物料平衡和能量平衡為了使反應(yīng)器的操作能夠正常進(jìn)行，必須使反應(yīng)器系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中保持物料平衡和能量平衡。例如，為了保持熱量平衡，需要及時(shí)除去反應(yīng)熱，以防止熱量的積聚，為了保持物料平衡，需要定時(shí)的排除或放空系統(tǒng)中的惰性物料，以保證反應(yīng)的正常進(jìn)行。7典型單元的基本控制方案約束條件與其它的單元操作設(shè)備相比較，反應(yīng)器操作的安全性具有更重要的意義，這樣就構(gòu)成了反應(yīng)器控制中的一系列約束條件。比如，要防止工藝參數(shù)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或不正常工況，應(yīng)該設(shè)置一些報(bào)警、聯(lián)鎖或自動(dòng)選擇性控制系統(tǒng)。當(dāng)工藝參數(shù)越出正常的操作范圍時(shí)，就應(yīng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；當(dāng)其接近危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，就會(huì)把某些閥門(mén)打開(kāi)或切斷或保持在限定的位置，以確保生產(chǎn)的安全運(yùn)行。7典型單元的基本控制方案在上述的三個(gè)因素中，質(zhì)量指標(biāo)的選擇常常的反應(yīng)器控制方案設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。根據(jù)反應(yīng)器操作的實(shí)際情況，如有條件直接測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物的成分的，可選擇成分作為直接的被控變量?；蛘哌x擇某種間接的被控變量，最常用的間接指標(biāo)是反應(yīng)器的溫度，但是對(duì)于具有分布參數(shù)特性的反應(yīng)器，應(yīng)該注意所測(cè)溫度的代表性。7典型單元的基本控制方案7.5.2反應(yīng)器的控制目前大型化工生產(chǎn)過(guò)程所使用的反應(yīng)釜，其容量相當(dāng)龐大，反應(yīng)的放熱量也很大，而且傳熱效果往往又很差，要使其反應(yīng)溫度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，已經(jīng)成為過(guò)程控制技術(shù)中的一個(gè)難題。7典型單元的基本控制方案實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，這類(lèi)反應(yīng)器的開(kāi)環(huán)響應(yīng)大都是不穩(wěn)定的，如果在運(yùn)行過(guò)程中不及時(shí)有效地移去反應(yīng)熱，則由于反應(yīng)器內(nèi)部的正反饋將使反應(yīng)器內(nèi)的溫度不斷上升，以致達(dá)到無(wú)法控制的地步，最后以產(chǎn)生事故或事故停車(chē)而告終。從理論上說(shuō)，增加反應(yīng)器的傳熱面積或加快傳熱速度，使移去熱量的速度大于反應(yīng)熱生成的速度，就能提高反應(yīng)器操作的穩(wěn)定性。但是，由于在設(shè)計(jì)上與工藝上的困難，對(duì)于大型聚合反應(yīng)釜是難以實(shí)現(xiàn)這些要求的，因此，只能在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)施提出更高的要求，來(lái)滿足聚合反應(yīng)釜的工藝操作的質(zhì)量指標(biāo)和安全運(yùn)行。7典型單元的基本控制方案一個(gè)間歇反應(yīng)器的控制方案如圖7-41所示是聚丙烯腈反應(yīng)器的內(nèi)溫控制方案。由丙烯腈聚合成聚丙烯腈的聚合反應(yīng)要在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行，引發(fā)劑等連續(xù)的加入聚合釜內(nèi)，丙烯腈通過(guò)計(jì)量槽同時(shí)加入，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，將反應(yīng)的聚合物加入到分離器中，以除去未反應(yīng)的單體物料。在聚合釜中發(fā)生的聚合反應(yīng)有以下三個(gè)主要特點(diǎn)：7典型單元的基本控制方案在反應(yīng)開(kāi)始之前，反應(yīng)物必須升溫至指定的最低溫度。反應(yīng)是放熱反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)速度會(huì)隨溫度的升高而增加。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案為了使反應(yīng)能發(fā)生，必須要首先把熱量供給反應(yīng)物。但是，一旦反應(yīng)發(fā)生后，則必須要將熱量取走，以維持一個(gè)穩(wěn)定的操作溫度。此外，單體轉(zhuǎn)化為聚合物的轉(zhuǎn)化率取決于給定溫度、給定時(shí)間下的反應(yīng)速率，這個(gè)給定時(shí)間即為反應(yīng)物在反應(yīng)器中的停留時(shí)間。因此，首先需要對(duì)反應(yīng)器實(shí)行定量喂料，來(lái)維持一定的停留時(shí)間。其次，為了控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，可采用選擇反應(yīng)器內(nèi)溫度為被控變量反應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)，選擇夾套溫度為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。同時(shí)該內(nèi)溫控制方案采用了分程控制的方式，控制閥分程動(dòng)作如圖7-42所示。采用供熱或除熱的操作，分別控制進(jìn)料過(guò)程和反應(yīng)過(guò)程的物料溫度，使其能符合工藝的要求。7典型單元的基本控制方案一個(gè)連續(xù)反應(yīng)器的控制方案化學(xué)反應(yīng)器控制方案的設(shè)計(jì)，除了考慮溫度、轉(zhuǎn)化率等質(zhì)量指標(biāo)的核心問(wèn)題之外，還必須對(duì)反應(yīng)器的其它問(wèn)題，如安全操作，開(kāi)停車(chē)等應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)，才能使反應(yīng)器的控制方案比較完善。下面以一個(gè)連續(xù)反應(yīng)器為例來(lái)說(shuō)明一個(gè)反應(yīng)器的全局控制方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-43所示是一個(gè)連續(xù)反應(yīng)器的控制方案流程圖。在反應(yīng)器中物料A與物料B進(jìn)行合成反應(yīng)，生成的反應(yīng)熱從夾套中通過(guò)循環(huán)水除去，反應(yīng)時(shí)放熱量與反應(yīng)物B的流量成正比。進(jìn)料量A大于進(jìn)料量B，反應(yīng)速度很快，而且反應(yīng)完成的時(shí)間比停留的時(shí)間短。反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、收率及副產(chǎn)品的分布決定于物料A與B的流量之比，物料平衡是通過(guò)反應(yīng)器的液面來(lái)改變進(jìn)料量而達(dá)到的。工藝對(duì)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)提出的要求是：7典型單元的基本控制方案平穩(wěn)操作，轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率、產(chǎn)品分布均要確保恒定；安全操作而且要盡可能減少硬性停車(chē)；保證較大的生產(chǎn)能力。通過(guò)深入分析調(diào)研，最后確定了一個(gè)前饋-反饋的控制系統(tǒng)及比較完整的軟保護(hù)控制方案。下面分別予以介紹：7典型單元的基本控制方案（1）反應(yīng)器溫度的前饋-反饋控制系統(tǒng)以溫度作為質(zhì)量指標(biāo)的被控變量，夾套冷卻水作為操縱變量和進(jìn)料流量A為前饋輸入變量的單回路前饋-反饋控制系統(tǒng)。在前饋控制回路中選用了PD控制器作為前饋的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器。此外，由于溫度控制器采用了外部積分反饋（F.B）來(lái)克服積分飽和現(xiàn)象，因此，在前饋輸出能道采用了濾除直流分量的措施，即前饋補(bǔ)償器的輸出通過(guò)一個(gè)傳遞函數(shù)的線路Tas/（Tas+1），這樣加法器的方程就是：Ia（s）=Ic（s）+[Tas/（Tas+1）]If（s）7典型單元的基本控制方案（2）器進(jìn)料的比值控制系統(tǒng)進(jìn)料的比值控制系統(tǒng)與一般的比值控制系統(tǒng)完全相同。但是，在控制物料B的流量QB時(shí)，工藝上提出了以下限制條件：反應(yīng)器溫度低于結(jié)霜溫度時(shí)，不能進(jìn)料；若測(cè)量出比值QB/QA過(guò)大了，不能進(jìn)料；QA達(dá)到低限以下QA＜QA

min時(shí)，不能進(jìn)料；反應(yīng)器液位Lr＜Lr

min時(shí)，不能進(jìn)料；反應(yīng)器溫度過(guò)高時(shí)不進(jìn)料。7典型單元的基本控制方案（3）反應(yīng)器的液面及出料控制系統(tǒng)由圖7-43可知，反應(yīng)器液位的控制參數(shù)是物料A的流量QA，除了圖示的控制系統(tǒng)之外，還需要考慮對(duì)QA的兩個(gè)附加要求：進(jìn)料速度要與冷卻能力配合，不能太快；開(kāi)車(chē)時(shí)，如果反應(yīng)器的溫度低于下限時(shí)，不能進(jìn)料，同時(shí)也要求液位低于下限時(shí)不能關(guān)閉進(jìn)料閥。此外，關(guān)于反應(yīng)器的出料主要是由反應(yīng)物的質(zhì)量和后續(xù)工序來(lái)決定。設(shè)計(jì)產(chǎn)品出料控制系統(tǒng)的原則：反應(yīng)器的液位如果低于量程的25%時(shí)應(yīng)當(dāng)停止出料；開(kāi)車(chē)時(shí)的出料質(zhì)量與反應(yīng)溫度有關(guān)，故等反應(yīng)溫度達(dá)到工藝指標(biāo)時(shí)才能出料。反之，如果反應(yīng)溫度低于正常值時(shí)應(yīng)停止出料。7典型單元的基本控制方案7.5.3PH值的控制化學(xué)反應(yīng)常常會(huì)涉及到酸、堿物質(zhì)，pH值往往是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)。由于pH值能夠在線測(cè)量，所以把pH值作為反應(yīng)過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)加以控制。酸堿中和過(guò)程的非線性程度很大，而且由于pH值的測(cè)量特點(diǎn)等原因，使得測(cè)量過(guò)程具有一定的純滯后時(shí)間，所以pH值的控制通常被認(rèn)為是比較難以實(shí)施的控制系統(tǒng)。7典型單元的基本控制方案pH值控制系統(tǒng)可以采用常規(guī)的線性反饋PID控制器，通過(guò)控制某一中和液的流量進(jìn)行單回路控制。但不能使用純比例控制規(guī)律，因?yàn)榧儽壤饔么嬖谥嗖?，而pH值控制系統(tǒng)的設(shè)定值又大多在對(duì)中和液流量十分敏感的區(qū)域，即pH值為7附近，中和液流量的微小偏差就使值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)定值，如圖7-44所示。選用PI還是PID控制規(guī)律以及參數(shù)的整定則需要根據(jù)所控制的對(duì)象的特性來(lái)定。考慮到過(guò)程的非線性，這時(shí)可以選用非線性控制閥，對(duì)被控對(duì)象的非線性進(jìn)行部分補(bǔ)償。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案工程上考慮對(duì)中和反應(yīng)過(guò)程的非線性進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，經(jīng)常采用的方法之一是使用Shinskey提出的三段式非線性控制器。其基本原理是，在對(duì)象的增益較大時(shí)，控制器的增益較?。划?dāng)對(duì)象的增益較小時(shí)，控制器的增益較大，以此來(lái)維持系統(tǒng)增益的基本不變，如圖7-45所示。其中低增益的一段稱(chēng)為“死區(qū)”，其范圍可根據(jù)對(duì)象特性加以控制。如果對(duì)象的設(shè)定值不在其滴定曲線的中點(diǎn)附近，需將控制器增益中的一段切除，否則將使過(guò)程的非線性程度加大。7典型單元的基本控制方案上述的方法對(duì)控制對(duì)象非線性的補(bǔ)償是近似的。為了能更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，首先需要確定中和反應(yīng)過(guò)程非線性增益的特性。這可以根據(jù)正常工況下的中和反應(yīng)過(guò)程滴定曲線，由下式求取，如圖7-46所示Kp=△pH/△F式中Kp——對(duì)象增益；F——中和液的流量。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案對(duì)控制對(duì)象純滯后進(jìn)行補(bǔ)償?shù)幕痉椒ㄖ坏闹腟mith補(bǔ)償方案，如圖7-47所示。由于該方法對(duì)對(duì)象模型的精度要求較高，因此在pH值控制中直接使用比較困難。但可以采用對(duì)模型適應(yīng)性較強(qiáng)的改進(jìn)方案。根據(jù)對(duì)對(duì)象的控制質(zhì)量要求及對(duì)象特性，綜合出具體的控制算法，以得到更適合的補(bǔ)償效果。對(duì)中和反應(yīng)過(guò)程而言，由于在進(jìn)行純滯后補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)往往還需要對(duì)被控制對(duì)象的非線性進(jìn)行補(bǔ)償，因而在各種純滯后補(bǔ)償?shù)乃惴ㄖ?，?duì)象模型應(yīng)具有變?cè)鲆娴奶匦?。MagneticResonanceImaging磁共振成像發(fā)生事件作者或公司磁共振發(fā)展史1946發(fā)現(xiàn)磁共振現(xiàn)象BlochPurcell1971發(fā)現(xiàn)腫瘤的T1、T2時(shí)間長(zhǎng)Damadian1973做出兩個(gè)充水試管MR圖像Lauterbur1974活鼠的MR圖像Lauterbur等1976人體胸部的MR圖像Damadian1977初期的全身MR圖像

Mallard1980磁共振裝置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振設(shè)備中國(guó)安科

2003諾貝爾獎(jiǎng)金LauterburMansfierd時(shí)間MR成像基本原理實(shí)現(xiàn)人體磁共振成像的條件:人體內(nèi)氫原子核是人體內(nèi)最多的物質(zhì)。最易受外加磁場(chǎng)的影響而發(fā)生磁共振現(xiàn)象(沒(méi)有核輻射)有一個(gè)穩(wěn)定的靜磁場(chǎng)（磁體）梯度場(chǎng)和射頻場(chǎng)：前者用于空間編碼和選層，后者施加特定頻率的射頻脈沖，使之形成磁共振現(xiàn)象信號(hào)接收裝置：各種線圈計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：完成信號(hào)采集、傳輸、圖像重建、后處理等

人體內(nèi)的H核子可看作是自旋狀態(tài)下的小星球。自然狀態(tài)下，H核進(jìn)動(dòng)雜亂無(wú)章，磁性相互抵消zMyx進(jìn)入靜磁場(chǎng)后，H核磁矩發(fā)生規(guī)律性排列（正負(fù)方向），正負(fù)方向的磁矢量相互抵消后，少數(shù)正向排列（低能態(tài)）的H核合成總磁化矢量M，即為MR信號(hào)基礎(chǔ)ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脈沖前的磁化矢量MzB:施加90度RF脈沖后的磁化矢量Mxy.并以Larmor頻率橫向施進(jìn)C:90度脈沖對(duì)磁化矢量的作用。即M以螺旋運(yùn)動(dòng)的形式傾倒到橫向平面ABC在這一過(guò)程中，產(chǎn)生能量

三、弛豫（Relaxation）回復(fù)“自由”的過(guò)程

1.

縱向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢復(fù)，“量變”高能態(tài)1H→低能態(tài)1H自旋—晶格弛豫、熱弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能態(tài)1H高能態(tài)1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫時(shí)間：

MZ恢復(fù)到M0的2/3所需的時(shí)間

T1愈小、M0恢復(fù)愈快T2弛豫時(shí)間：MXY喪失2/3所需的時(shí)間；T2愈大、同相位時(shí)間長(zhǎng)MXY持續(xù)時(shí)間愈長(zhǎng)MXY與ST1加權(quán)成像、T2加權(quán)成像

所謂的加權(quán)就是“突出”的意思

T1加權(quán)成像（T1WI）----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別

T2加權(quán)成像（T2WI）----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別。

磁共振診斷基于此兩種標(biāo)準(zhǔn)圖像磁共振常規(guī)h檢查必掃這兩種標(biāo)準(zhǔn)圖像.T1的長(zhǎng)度在數(shù)百至數(shù)千毫秒（ms）范圍T2值的長(zhǎng)度在數(shù)十至數(shù)千毫秒（ms）范圍

在同一個(gè)馳豫過(guò)程中,T2比T1短得多

如何觀看MR圖像：首先我們要分清圖像上的各種標(biāo)示。分清掃描序列、掃描部位、掃描層面。正?；虍惓５乃诓课?--即在同一層面觀察、分析T1、T2加權(quán)像上信號(hào)改變。絕大部分病變T1WI是低信號(hào)、T2WI是高信號(hào)改變。只要熟悉掃描部位正常組織結(jié)構(gòu)的信號(hào)表現(xiàn)，通常病變與正常組織不會(huì)混淆。一般的規(guī)律是T1WI看解剖,T2WI看病變。磁共振成像技術(shù)－－圖像空間分辨力，對(duì)比分辨力一、如何確定MRI的來(lái)源（一）層面的選擇1.MXY產(chǎn)生（1H共振）條件

RF=ω=γB02.梯度磁場(chǎng)Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同頻率的RF

特定層面1H激勵(lì)、共振

3.層厚的影響因素

RF的帶寬↓

GZ的強(qiáng)度↑層厚↓〈二〉體素信號(hào)的確定1、頻率編碼2、相位編碼

M0↑--GZ、RF→相應(yīng)層面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋進(jìn)速度不同同頻率一定時(shí)間后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋進(jìn)頻率不同位置不同（相位不同）〈三〉空間定位及傅立葉轉(zhuǎn)換

GZ----某一層面產(chǎn)生MXYGX----MXY旋進(jìn)頻率不同

GY----MXY旋進(jìn)相位不同（不影響MXY大?。?/p>

↓某一層面不同的體素，有不同頻率、相位

MRS（FID）第三節(jié)、磁共振檢查技術(shù)檢查技術(shù)產(chǎn)生圖像的序列名產(chǎn)生圖像的脈沖序列技術(shù)名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE壓脂壓水MRA短TR短TE－－T1W長(zhǎng)TR長(zhǎng)TE－－T2W增強(qiáng)MR最常用的技術(shù)是：多層、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技術(shù)磁共振掃描時(shí)間參數(shù)：TR、TE磁共振掃描還有許多其他參數(shù)：層厚、層距、層數(shù)、矩陣等序列常規(guī)序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高級(jí)序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三維成像（SPGR）彌散成像（DWI）關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析是一種成像技術(shù)而非掃描序列自旋回波（SE）必掃序列圖像清晰顯示解剖結(jié)構(gòu)目前只用于T1加權(quán)像快速自旋回波（FSE）必掃序列成像速度快多用于T2加權(quán)像梯度回波（GE）成像速度快對(duì)出血敏感T2加權(quán)像水抑制反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶顯示清晰判斷病灶成份脂肪抑制反轉(zhuǎn)恢復(fù)（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信號(hào)判斷病灶成分其它組織顯示更清晰血管造影（MRA）無(wú)需造影劑TOF法PC法MIP投影動(dòng)靜脈分開(kāi)顯示水成像（MRC