《化工儀表及自動化》第10章

1、第十章 典型化工單元的控制方案,流體輸送設(shè)備的控制方案 離心泵的控制方案 往復(fù)泵的控制方案 壓氣機(jī)的控制方案 離心式壓縮機(jī)的防喘振控制 傳熱設(shè)備的自動控制 一般傳熱設(shè)備的控制 鍋爐設(shè)備的控制 精餾塔的自動控制 工藝要求 精餾塔的干擾因素 精餾塔的控制方案,化學(xué)反應(yīng)器的自動控制 化學(xué)反應(yīng)器的控制要求 釜式反應(yīng)器的溫度自動控制 固定床反應(yīng)器的自動控制 流化床反應(yīng)器的自動控制 生化過程的控制 常用生化過程控制 青霉素發(fā)酵過程控制 啤酒發(fā)酵過程控制,第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案,一、離心泵的控制方案,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,圖10-1 改變泵出口阻力控制流量,圖1

2、0-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線,2.控制泵的轉(zhuǎn)速,該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)一般較復(fù)雜。,3.控制泵的出口旁路,圖10-4 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(jīng)濟(jì)，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。,二、往復(fù)泵的控制方案,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,1.改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速,圖10-5 改變轉(zhuǎn)速的方

3、案,該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動機(jī)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。,2.控制泵的出口旁路,圖10-6 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(jīng)濟(jì)性較差。,3.改變沖程 s,圖10-7 往復(fù)泵的特性曲線,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(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。,2.控制旁路流量,1.直接控制流量,三、壓氣機(jī)的控制方案,3.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,四、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制,1.離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振現(xiàn)象,圖10-11 離心式壓縮機(jī)特性曲線,圖10-12 喘振現(xiàn)象示意圖,喘振是出現(xiàn)壓縮機(jī)工

4、作點(diǎn)這種反復(fù)迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)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(jī)固有的特性。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)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(jī)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(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。,2.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(jī)，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(jī)吸入流量的最小值QP，且有QPQB。,圖10-13 防喘振旁路控制,（2）可變極限流量法,圖10-14 防喘振曲線,喘振極

5、限線是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機(jī)特性曲線的最高點(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)，就可以避免喘振發(fā)生。,圖10-15 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(jīng)過運(yùn)算得到的，因此能根據(jù)壓縮機(jī)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(yùn)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(shè)備的自動控制,1.兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案,(1) 控制載熱體的流量,改變載熱體流量控制溫度,一、一般傳熱設(shè)備的控制,換熱器串級控制系統(tǒng),(2) 控制載熱體旁路流量,（3）控制被加熱流體自身流量,（4）控制被加熱流體自身流量的旁路,(1

6、) 控制蒸汽流量,2.載熱體進(jìn)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，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200以上或30以下時，常采用一些有機(jī)化工物作為載熱體。,(2) 控制換熱器的有效換熱面積,圖10-22 用凝液排出量控制溫度,圖10-23 溫度-液位串級控制系統(tǒng),圖10-24 溫度-流量串級控制系統(tǒng),3.冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制,(1) 控制冷卻劑的流量,圖10-25 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(jī)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

7、自動選擇性控制，當(dāng)液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷。,(2) 溫度與液位的串級控制,圖10-26 溫度-液位串級控制,該方案的實質(zhì)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(nèi)，從而提高了控制質(zhì)量。,(3) 控制汽化壓力,圖10-27 用汽化壓力控制溫度,基于當(dāng)控制閥的開度變化時，會引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改變，于是相應(yīng)的汽化溫度也就改變了。,汽輪發(fā)電機(jī)組,火力發(fā)電廠外觀,二、鍋爐設(shè)備自動控制,單元機(jī)組生產(chǎn)流程示意圖,1下聯(lián)箱；2噴燃器；3水冷壁管；4下降管；5爐膛；6汽包；7飽和蒸汽； 8過熱蒸汽；9過熱器；10煙道；11省煤器；12給水；

8、13空氣預(yù)熱器； 14送風(fēng)機(jī)；15燃料；16煙道擋板；17除塵器；18引風(fēng)機(jī)； 19煙囪,自然循環(huán)式固態(tài)排渣煤粉鍋爐原理圖,WinCC 鍋爐監(jiān)控主畫面,1. 鍋爐汽包液位控制,單沖量控制系統(tǒng),雙沖量控制系統(tǒng),三沖量前饋串級控制系統(tǒng),單回路控制系統(tǒng),2.鍋爐主蒸汽溫度控制,串級控制系統(tǒng),3.爐膛壓力控制,第三節(jié) 精餾塔的自動控制,一、工藝要求,1.保證質(zhì)量指標(biāo),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)。,4.節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性,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)。,2.保證平穩(wěn)操作,保證塔的平穩(wěn)操作，維持塔的物料平衡，

9、塔內(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。,3.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。,二、精餾塔的干擾因素,圖10-28 精餾塔的物料流程圖,1.進(jìn)料流量F的波動（） 2.進(jìn)料成分ZF的變化（） 3.進(jìn)料溫度TF及進(jìn)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(nèi)除去熱量的變化 6.環(huán)境溫度的變化,三、精餾塔的控制方案,1.精餾塔的提餾段溫控,圖10-42 提餾段溫控的控制方案示意圖,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。,2.精餾塔的精餾段溫控,采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指

10、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。,圖10-43 精餾段溫控的控制方案示意圖,3.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。,圖10-45 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。,2.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。,3.約束條件,對

11、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)。,二、釜式反應(yīng)器的溫度自動控制,1.控制進(jìn)料溫度,改變進(jìn)料溫度控制釜溫,2.改變傳熱量,改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫,3.串級控制,為了針對反應(yīng)釜滯后較大的特點(diǎn)，可采用串級控制方案。,圖10-49 釜溫與夾套溫度串級控制示意圖,圖10-50 釜溫與釜壓串級控制系統(tǒng)示意圖,圖10-48 釜溫與冷劑流量串級控制示意圖,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：,改變進(jìn)料濃度 改變進(jìn)料溫度

12、改變段間進(jìn)入的冷氣量,圖10-53 改變進(jìn)料濃度控制反應(yīng)器溫度,圖10-52 用載熱體流量控制溫度,圖10-53 用旁路控制溫度,圖10-54 用改變段間冷氣量控制溫度,圖10-55 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10-56 流化床反應(yīng)器原理示意圖,圖10-57 改變?nèi)肟跍囟瓤刂品磻?yīng)器溫度,圖10-58 改變冷劑流量控制溫度,圖10-59 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,1.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3050（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10-60 發(fā)酵罐溫

13、度控制,2.通氣流量、罐壓和攪拌轉(zhuǎn)速控制,圖10-61 發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓（或流通氣量）控制,3.溶氧濃度控制,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量消耗動力。 培養(yǎng)液的溶解氧水平其實質(zhì)為供氧和需氧矛盾的結(jié)果。,最常用的溶氧濃度控制方案：,改變攪拌速率； 改變通氣速率。,圖10-62 改變攪拌轉(zhuǎn)速的溶氧串級控制系統(tǒng),4.pH值控制,在發(fā)酵過程中為控制pH值而加入的酸堿性物料，往往就是工藝要求所需的補(bǔ)料基質(zhì)，所以在pH控制系統(tǒng)中還須對所加酸堿物料進(jìn)行計量，以便進(jìn)行有關(guān)離線參數(shù)的計算。,圖10-63 連續(xù)流加pH控制,圖10-64 脈沖式流加pH控制,5.自動消泡控制,當(dāng)電極檢測到泡沫信號后，控制器便周期性地加入消泡劑，直至泡沫消失。,圖10-65 消泡控制,二、青霉素發(fā)酵過程控制,青霉素發(fā)酵過程中直接檢測的變量有：,溫度、pH值、溶解氧、通氣流量、轉(zhuǎn)速、罐壓、溶解CO2、發(fā)酵液體積、排氣CO2、排氣O2等。,離線檢測的參數(shù)有：,菌體量、殘?zhí)橇?、含氮量、前體濃度和產(chǎn)物濃度等。,相關(guān)