化工儀表及其自動化-第十一章典型化工單元的控制方案課件

化工儀表及自動化內(nèi)容提要1流體輸送設(shè)備的控制方案精餾塔的自動控制化學(xué)反應(yīng)器的自動控制第一節(jié)流體輸送設(shè)備的自動控制2一、離心泵的自動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(dāng)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(jié)果使流量回到給定值。圖11-2泵的流量特性曲線與管路特性曲線注意控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。圖11-1改變泵出口阻力調(diào)流量32.控制泵的轉(zhuǎn)速圖11-3改變泵的轉(zhuǎn)速調(diào)流量4圖11-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)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(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)速機構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。3.控制泵的出口旁路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?？刂崎y裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。圖11-4改變旁路閥調(diào)流量該方案不經(jīng)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。5二、往復(fù)泵的自動控制方案往復(fù)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(fù)滑行來輸送流體的。往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計算（11-1）61.改變原動機的轉(zhuǎn)速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(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。圖11-5改變轉(zhuǎn)速的方案72.控制泵的出口旁路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(jīng)濟性較差。圖11-6改變旁路流量83.改變沖程

s圖11-7往復(fù)泵的特性曲線9計量泵常用改變沖程s來進(jìn)行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進(jìn)行，也有可在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。三、壓氣機的自動控制方案10壓力機的分類其作用原理不同可分為離心式和往復(fù)式兩大類；按

進(jìn)、出口壓力高低

的差別，可分為真空泵、鼓風(fēng)機、壓縮機等類型。1.直接控制流量11對于低壓的離心式鼓風(fēng)機，一般可在其出口直接用控制閥控制流量。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(fù)式壓縮機也是適用的。圖11-9分程閥的特性圖11-8分程控制方案122.控制旁路流量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。圖11-10控制壓縮機旁路方案133.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速14壓氣機的流量控制可以通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速來達(dá)到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。問題在于調(diào)速機構(gòu)一般比較復(fù)雜，沒有前兩種方法簡便。四、離心式壓縮機的防喘振控制1.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15喘振是出現(xiàn)壓縮機工作點這種反復(fù)迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)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(fù)荷減小是離心式壓縮機產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)入喘振區(qū)。162.防喘振控制方案（1）固定極限流量法對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的

離心式壓縮機，都有一個進(jìn)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17（2）可變極限流量法圖11-14上的喘振極限線是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)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(cè)，就可以避免喘振發(fā)生。圖11-14防喘振曲線18安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示（11-2）在 時，工況是安全的。經(jīng)過換算，上述不等式可寫成如下形式（11-3）19該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過運算得到的，因此能根據(jù)壓縮機負(fù)荷變化的情況隨時調(diào)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)。圖11-15變極限流量防喘振控制方案20第三節(jié)精餾塔的自動控制21一、工藝要求1.保證質(zhì)量指標(biāo)對于一個正常操作的精餾塔，一般應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的純度要求，另一個產(chǎn)品的成分亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此，應(yīng)當(dāng)取塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)。質(zhì)量控制系統(tǒng)需要能測出產(chǎn)品成分的分析儀表。2.保證平穩(wěn)操作22為了保證塔的平穩(wěn)操作，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(jìn)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(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)?？刂扑?nèi)壓力穩(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。3.約束條件23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。4.節(jié)能要求和經(jīng)濟性24在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，應(yīng)在控制過程中使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。二、精餾塔的干擾因素進(jìn)料流量F的波動（＊）進(jìn)料成分ZF的變化（＊）進(jìn)料溫度及進(jìn)料熱焓QF的變化再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化25圖11-28精餾塔的物料流程圖（6）環(huán)境溫度的變化圖11-29提餾段溫控的控制方案示意圖26三、精餾塔的控制方案1.精餾塔的提餾段溫控如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。提餾段溫控的主要特點與使用場合：27采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映提餾段產(chǎn)品情況。將提餾段溫度恒定后，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到規(guī)定值。當(dāng)干擾首先進(jìn)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。圖11-30精餾段溫控的控制方案示意圖282.精餾塔的精餾段溫控如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。精餾段溫控的主要特點與使用場合：29①

采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，因此它能較直接地反映精餾段的產(chǎn)品情況。當(dāng)塔頂產(chǎn)品純度要求比塔底嚴(yán)格時，一般宜采用精餾段溫控方案。②

如果干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當(dāng)分離

的產(chǎn)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。303.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。注意：溫差與產(chǎn)品純

度之間并非單值關(guān)系。圖11-31ΔT-x曲線31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）。圖11-32雙溫差控制方案324.按產(chǎn)品成分或物性的直接控制33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(chǎn)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(chǎn)品成分的直接指標(biāo)控制。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制一、化學(xué)反應(yīng)器的控制要求(1)質(zhì)量指標(biāo)化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為34以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標(biāo)，有時并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)有干擾作用時，轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)生成物組分等仍會受到影響。特別是在有些反應(yīng)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(yīng)關(guān)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(yīng)器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。35物料平衡為使反應(yīng)正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進(jìn)入反應(yīng)器的各種物料量恒定，配比符合要求。約束條件對于反應(yīng)器，要防止工藝變量進(jìn)入危險區(qū)域或不正常工況，應(yīng)當(dāng)配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。36圖11-33改變進(jìn)料溫度控制釜溫37二、釜式反應(yīng)器的溫度自動控制(1)控制進(jìn)料溫度圖11-34改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫38(2)控制傳熱量由于大多數(shù)反應(yīng)釜均有傳熱面，引入或移去反應(yīng)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。圖11-35釜溫與冷劑流量串級控制示意圖39(3)串級控制為了針對反應(yīng)釜滯后較大的特點，可采用串級控制方案。圖11-36釜溫與夾套溫度串級控制示意圖40圖11-37釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖三、固定床反應(yīng)器的自動控制固定床反應(yīng)器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動的反應(yīng)器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以生成所需反應(yīng)物。常見的溫度控制方案有：控制進(jìn)料濃度控制進(jìn)料溫度控制段間進(jìn)入的冷氣量41圖11-38改變進(jìn)料濃度控制反應(yīng)器溫度42圖11-39用載熱體流量控制溫度圖11-40用旁路控制溫度43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四、流化床反應(yīng)器的自動控制圖11-43流化床反應(yīng)器原理示意圖44圖11-44改變?nèi)肟跍囟瓤刂品磻?yīng)器溫度圖11-45改變冷劑流量控制溫度45圖11-46流化床差壓指示系統(tǒng)例題分析1.試判斷圖1

(a)、(b)控制方案是否正確。圖1 泵的控制方案46解：要分析圖1所示控制方案是否正確,首先必須了解離心泵和往復(fù)泵的特性。圖1

(a)是離心泵的流量控制方案。為了控制出口流量的大小,控制閥一般應(yīng)該直接裝在出口管線上。這是因為離心泵吸入高度是有限的,如果控制閥裝在吸入管線

上,會產(chǎn)生壓降,這樣一來,進(jìn)口端壓力就有可能過低,因為液體氣化,使泵失去排液能力,這叫氣縛?；蛘邏旱匠隹诙擞旨彼倮淠?沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要避免發(fā)生。所以控制閥一般不應(yīng)安裝在離心泵的入口管線上。47圖1

(b)為往復(fù)泵出口流量控制方案。從往復(fù)泵的特性來看,只要轉(zhuǎn)速一定,排出的流量是基本不變的。因此采用出口節(jié)流的方法來控制出口流量是不行的。48例題分析3.圖2所示為一放熱催化反應(yīng)器。原料氣在預(yù)熱器內(nèi)加熱后進(jìn)入反應(yīng)器。反應(yīng)以后的反應(yīng)氣作為預(yù)熱器內(nèi)的載熱體，放出部分熱量后再進(jìn)入下一工序。試問上述工藝過程應(yīng)該采取什么控制方案，才能使生產(chǎn)正常運行。圖2 反應(yīng)器49例題分析50解：分析放熱反應(yīng)器的特性，可知上述生產(chǎn)過程不加控制是不行的。如果沒有任何控制系統(tǒng)，一旦原料氣由于某種原因溫度升高時，進(jìn)入催化放熱反應(yīng)器后，會使反應(yīng)加劇，放出更多熱量，出來的反應(yīng)氣溫度也相應(yīng)升高,進(jìn)入預(yù)熱器后，使原料氣的溫度進(jìn)一步升高，于是反