化工儀表及自動化第十七章典型化工單元的控制方案

內容提要要流體輸送送設備的的自動控控制離心泵的的自動控控制方案案往復泵的的自動控控制方案案壓氣機的的自動控控制方案案傳熱設備備的自動動控制兩側均無無相變化化的換熱熱器控制制方案載熱體進進行冷凝凝的加熱熱器自動動控制冷卻劑進進行汽化化的冷卻卻器自動動控制精餾塔的的自動控控制精餾塔的的干擾因因素及對對自動控控制的要要求1內容提要要精餾塔的的控制方方案化學反應應器的自自動控制制化學反應應器的控控制要求求釜式反應應器的溫溫度自動動控制固定床反反應器的的自動控控制流化床反反應器的的自動控控制2第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制一、離心心泵的自自動控制制方案3離心泵流流量控制制的目的的是要將將泵的排排出流量量恒定于于某一給給定的數數值上。。離心泵的的流量控控制大體體的三種種方法1.控制泵的的出口閥閥門開度度當干擾作作用使被被控變量量（流量量）發生生變化偏偏離給定定值時，，控制器器發出控控制信號號，閥門門動作，，控制結結果使流流量回到到給定值值。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制4圖17-2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）。注意圖17-1改變泵出口阻力調流量第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制52.控制制泵的轉轉速圖17-3改變泵的轉速調流量圖17--3中曲曲線1、、2、3表示轉轉速分別別為n1、n2、n3時的流量量特性，，且有n1＞n2＞n3。該方案從從能量消消耗的角角度來衡衡量最為為經濟，，機械效效率較高高，但調調速機構構一般較較復雜，，所以多多用在蒸蒸汽透平平驅動離離心泵的的場合，，此時僅僅需控制制蒸汽量量即可控控制轉速速。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制63.控制泵的的出口旁旁路將泵的部部分排出出量重新新送回到到吸入管管路，用用改變旁旁路閥開開啟度的的方法來來控制泵泵的實際際排出量量。控制閥裝裝在旁路路上，壓壓差大，，流量小小，因此此控制閥閥的尺寸寸較小。。該方案不不經濟，，因為旁旁路閥消消耗一部部分高壓壓液體能能量，使使總的機機械效率率降低，，故很少少采用。。圖17-4改變旁路閥調流量第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制二、往復復泵的自自動控制制方案7往復泵多用于流流量較小小、壓頭頭要求較較高的場場合，它它是利用用活塞在在汽缸中中往復滑滑行來輸輸送流體體的。往復泵提供的理論流量可按下式計算

（17-1）第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制81.改變原動動機的轉轉速該方案適適用于以以蒸汽機機或汽輪輪機作原原動機的的場合，，此時，，可借助助于改變變蒸汽流流量的方方法方便便地控制制轉速。。圖17-5改變轉速的方案第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制92.控制泵的的出口旁旁路該方案由由于高壓壓流體的的部分能能量要白白白消耗耗在旁路路上，故故經濟性性較差。。圖17-6改變旁路流量第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制103.改變沖程程s圖17-7往復泵的特性曲線計量泵常常用改變變沖程s來進行流流量控制制。沖程程s的調整可可在停泵泵時進行行，也有有可在運運轉狀態態下進行行的。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制三、壓氣氣機的自自動控制制方案11壓力機的的分類其作用原理理不同可分分為離心心式和往往復式兩兩大類；；按進、出口口壓力高高低的差別，，可分為為真空泵泵、鼓風風機、壓壓縮機等等類型。。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制121.直接控制制流量對于低壓壓的離心心式鼓風風機，一一般可在在其出口口直接用用控制閥閥控制流流量。由由于管徑徑較大，，執行器器可采用用蝶閥。。其余情情況下，，為了防防止出口口壓力過過高，通通常在入入口端控控制流量量。因為為氣體的的可壓縮縮性，所所以這種種方案對對于往復復式壓縮縮機也是是適用的的。為了減少少阻力損損失，對對大型壓壓縮機，，往往不不用控制制吸入閥閥的方法法，而用用調整導導向葉片片角度的的方法。。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制13圖17-9分程閥的特性圖17-8分程控制方案第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制142.控制旁路路流量對于壓縮縮比很高高的多段段壓縮機機，從出出口直接接旁路回回到入口口是不適適宜的。。這樣控控制閥前前后壓差差太大，，功率損損耗太大大。為了解決這個問題題，可以以在中間間某段安安裝控制制閥，使使其回到到入口端端，用一一只控制制閥可滿滿足一定定工作范范圍的需需要。圖17-10控制壓縮機旁路方案第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制153.調節轉速速壓氣機的的流量控控制可以以通過調調節原動動機的轉轉速來達達到，這這種方案案效率最最高，節節能最好好。問題在于調速速機構一一般比較較復雜，，沒有前前兩種方方法簡便便。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制16“喘振””現象當負荷降降低到一一定程度度時,氣氣體的排排送會出出現強烈烈的振蕩蕩,從而而引起機機身的劇劇烈振動動。這種種現象稱稱為“喘振”。喘振會造造成事故故,操作作中必須須防止喘喘振現象象產生。。防喘振的的控制方方案有很很多種,,其中最最簡單的的是旁路控制制方案。第一節流流體輸輸送設備備的自動動控制17旁路控制制方案圖17-11簡單的防喘振方案第二節傳傳熱設設備的自自動控制制一、兩側側均無相相變化的的換熱器器控制方方案181.控制載熱熱體的流流量圖17--12表表示利用用控制載載熱體流流量來穩穩定被加加熱介質質出口溫溫度的控控制方案案。采用用傳熱基基本方程程式的工工作原理理。若不考慮傳熱過程中的熱損失圖17-12改變載熱體流量控制溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制19傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算整理后，得移項后改寫為第二節傳傳熱設設備的自自動控制制20如果載熱熱體本身身壓力不不穩定，，可另設設穩壓系系統，或或者采用用以溫度度為主變變量、流流量為副副變量的的串級控控制系統統。圖17-13換熱器串級控制系統第二節傳傳熱設設備的自自動控制制212.控制載熱熱體旁路路采用三通通控制閥閥來改變變進入換換熱器的的載流體體流量與與旁路流流量的比比例，可可以改變變進入換換熱器的的載熱體體流量，，還可以以保證載載熱體總總流量不不受影響響。旁路的流流量一般般不用直直通閥來來直接進進行控制制，因為為在換熱熱器內部部流體阻阻力小的的時候，，控制閥閥前后壓壓降很小小，這樣樣就使控控制閥的的口徑要要選得很很大，而而且閥的的流量特特性易發發生畸變變。圖17-14用載熱體旁路控制溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制223.控制被加加熱流體體自身流流量只能用在在工藝介介質的流流量允許許變化的的場合。。圖17-15用介質自身流量調溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制234.控制被加加熱流體體自身流流量的旁旁路當被加熱熱流體的的總流量量不允許許控制，，而且換換熱器的的傳熱面面積有余余量時，，可將一一小部分分被加熱熱流體由由旁路直直接流到到出口處處，使冷冷熱物料料混合來來控制溫溫度。圖17-16用介質旁路調溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制二、載熱熱體進行行冷凝的的加熱器器自動控控制24在蒸汽加加熱器中中，蒸汽汽冷凝由由汽相變變液相，，放熱，，通過管管壁加熱熱工藝介介質。如如果要加加熱到200℃℃以上或或30℃℃以下時時，常采采用一些些有機化化工物作作為載熱熱體。這種傳熱熱過程分分兩段進進行，先先冷凝后后降溫。。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傳傳熱設設備的自自動控制制25當被加熱熱介質的的出口溫溫度t2為被控變變量時，，常采用用下述兩兩種控制制方案。。1.控制蒸汽汽流量通過改變變加熱蒸蒸汽量來來穩定被被加熱介介質的出出口溫度度。當閥閥前蒸汽汽壓力有有波動時時，可對對蒸汽總總管加設設壓力定定值控制制，或者者采用溫溫度與蒸蒸汽流量量（或壓壓力）的的串級控控制。圖17-17用蒸汽流量調溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制262.控制換熱熱器的有有效換熱熱面積圖17-18用凝液排出量調溫度圖17-19溫度-液位串級系統圖17-20溫度-流量串級系統第二節傳傳熱設設備的自自動控制制27兩種方案案比較控制蒸汽汽流量法法優點：簡單易行行、過渡渡過程時時間短、、控制迅迅速。缺點：需選用較較大的蒸蒸汽閥門門、傳熱熱量變化化比較劇劇烈，有有時凝液液冷到100℃℃以下，，這時加加熱器內內蒸汽一一側會產產生負壓壓，造成成冷凝液液的排放放不連續續，影響響均勻傳傳熱。第二節傳傳熱設設備的自自動控制制28控制換熱熱器的有有效換熱熱面積法法缺點：控制通道道長、變變化遲緩緩，且需需要有較較大的傳傳熱面積積裕量。。優點：防止局部部過熱，，對一些些過熱后后會引起起化學變變化的過過敏性介介質比較較適用。。另外，，由于蒸蒸汽冷凝凝后凝液液的體積積比蒸汽汽體積小小得多，，所以可可以選用用尺寸較較小的控控制閥門門。第二節傳傳熱設設備的自自動控制制三、冷卻卻劑進行行汽化的的冷卻器器自動控控制291.控制冷卻卻劑的流流量該方案不不以液位位為操縱縱變量，，但液位位不能過過高，過過高會造造成蒸發發空間不不足，使使出去的的氨氣中中夾帶大大量液氨氨，引起起氨壓縮縮機的操操作事故故。這種控制制方案帶帶有上限限液位報報警，或或采用溫溫度-液液位自動動選擇性性控制，，當液位位高于某某上限值值時，自自動把液液氨閥關關小或暫暫時切斷斷。圖11-25用冷卻劑流量控制溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制302.溫度與液液位的串串級控制制該方案的的實質是是改變傳傳熱面積積。但采采用了串串級控制制，將液液氨壓力力變化而而引起液液位變化化的這一一主要干干擾包含含在副環環內，從從而提高高了控制制質量。。圖17-22溫度-液位串級控制第二節傳傳熱設設備的自自動控制制313.控制汽化化壓力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。圖17-23用汽化壓力調溫度第二節傳傳熱設設備的自自動控制制32這種方案案控制作作用迅速速，只要要汽化壓壓力稍有有變化，，就能很很快影響響汽化溫溫度，達達到控制制工藝介介質出口口溫度的的目的。。但是由由于控制制閥安裝裝在氣氨氨出口管管道上，，故要求求氨冷器器要耐壓壓，并且且當氣氨氨壓力由由于整個個制冷系系統的統統一要求求不能隨隨意加以以控制時時，這個個方案就就不能采采用了。。第三節精精餾塔塔的自動動控制一、精餾餾塔的干干擾因素素及對自自動控制制的要求求33圖17-24精餾塔的物料流程圖（1）進進料流量量F的波動（＊）（2）進進料成分分ZF的變化（＊）（3）進進料溫度度及進料料熱焓QF的變化（4）再再沸器加加熱劑（（如蒸汽汽）加入入熱量的的變化（5）冷冷卻劑在在冷凝器器內除去去熱量的的變化（6）環環境溫度度的變化化1.干擾因素素第三節精精餾塔塔的自動動控制2.精餾塔對對自動控控制的要要求保證質量量指標保證平穩穩操作約束條件件34第三節精精餾塔塔的自動動控制三、精餾餾塔的控控制方案案351.精餾塔的的提餾段段溫控如果采用用以精餾餾段溫度度作為衡衡量質量量指標的的間接指指標，而而以改變變回流量量作為控控制手段段的方案案，就稱稱為提餾段溫溫控。圖17-25提餾段溫控的控制方案示意圖第三節精精餾塔塔的自動動控制36提餾段溫溫控的主主要特點點與使用用場合：：（1）采采用了提提餾段溫溫度作為為間接質質量指標標，因此此它能較較直接地地反映提提餾段產產品情況況。將提提餾段溫溫度恒定定后，就就能較好好地保證證塔底產產品的質質量達到到規定值值。（2）當當干擾首首先進入入提餾段段時，用用提餾段段溫控就就比較及及時，動動態過程程也比較較快。第三節精精餾塔塔的自動動控制372.精餾塔的的精餾段段溫控如果采用用以精餾餾段溫度度作為衡衡量質量量指標的的間接指指標，而而以改變變回流量量作為控控制手段段的方案案，就稱稱為精餾段溫溫控。圖17-26精餾段溫控的控制方案示意圖第三節精精餾塔塔的自動動控制38精餾段溫溫控的主主要特點點與使用用場合：：①采用用了精餾餾段溫度度作為間間接質量量指標，，因此它它能較直直接地反反映精餾餾段的產產品情況況。當塔塔頂產品品純度要要求比塔塔底嚴格格時，一一般宜采采用精餾餾段溫控控方案。。②如果果干擾首首先進入入精餾段段，采用用精餾段段溫控就就比較及及時。第三節精精餾塔塔的自動動控制39在采用精精餾段溫溫控或提提餾段溫溫控時，，當分離離的產品品較純時時，由于于塔頂或或塔底的的溫度變變化很小小，對測測溫儀表表的靈敏敏度和控控制精度度都提出出了很高高的要求求，但實實際上卻卻很難滿滿足。解解決這一一問題的的方法，，是將測測溫元件件安裝在在塔頂以以下或塔塔底以上上幾塊塔塔板的靈靈敏板上上，以靈靈敏板的的溫度作作為被控控變量。。第三節精精餾塔塔的自動動控制403.精餾塔的的溫差控控制采用溫差差作為衡衡量質量量指標的的間接變變量，是是為了消消除塔壓壓波動對對產品質質量的影影響。圖17-27ΔT-X曲線注意：溫差與產產品純度度之間并并非單值值關系。。第三節精精餾塔塔的自動動控制414.按產品成成分或物物性的直直接控制制能利用成成分分析析器，例例如紅外外分析器器、色譜譜儀、密密度計、、干點和和閃點以以及初餾餾點分析析器等，，分析出出塔頂（（或塔底底）的產產品成分分并作為為被控變變量，用用回流量量（或再再沸器加加熱量））作為控控制手段段組成成成分控制制系統，，就可實實現按產產品成分分的直接接指標控控制。第四節化化學反反應器的的自動控控制一、化學學反應器器的控制制要求42(1)質量指標標化學反應應器的質質量指標標一般指指反應的的轉化率率或反應應生成物物的規定定濃度。。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為第四節化化學反反應器的的自動控控制43以溫度、、壓力等等工藝變變量作為為間接控控制指標標，有時時并不能能保證質質量穩定定。當有干擾擾作用時時，轉化化率和反反應生成成物組分分等仍會會受到影影響。特別是在在有些反反應中，，溫度、、壓力等等工藝變變量與生生成物組組分間不不完全是是單值對對應關系系，這就就需要不不斷地根根據工況況變化去去改變溫溫度控制制系統的的給定值值。在有催化化劑的反反應器中中，由于于催化劑劑的活性性變化，，溫度給給定值也也要隨之之改變。。第四節化化學反反應器的的自動控控制44(2)物料平衡衡為使反應應正常，，轉化率率高，要要求維持持進入反反應器的的各種物物料量恒恒定，配配比符合合要求。。(3)約束條件件對于反應應器，要要防止工工藝變量量進入危危險區域域或不正正常工況況，應當當配備一一些報警警、聯鎖鎖裝置或或設置取取代控制制系統。。第四節化化學反反應器的的自動控控制二、釜式式反應器器的溫度度自動控控制45(1)控制進料料溫度圖17-28改變進料溫度調釜溫第四節化化學反反應器的的自動控控制46(2)控制傳熱熱量由于大多多數反應應釜均有有傳熱面面，引入入或移去去反應熱熱，所以以用改變變引入傳傳熱量多多少的方方法就能能實現溫溫度控制制。圖17-29改變加熱劑或冷卻劑流量調釜溫第四節化化學反反應器的的自動控控制47(3)串級控制制為了針對對反應釜釜滯后較較大的特特點，可可采用串串級控制制方案。。圖17-30釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四節化化學反反應器的的自動控控制48圖17-31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示意圖第四節化化學反反應器的的自動控控制三、固定定床反應應器的自自動控制制49固定床反反應器是指催化化劑床層層固定于于設備中中不動的的反應器器，流體體原料在在催化劑劑作用下下進行化化學反應應以生成成所需反反應物。。常見的溫溫度控制制方案有有：控制進料料濃度控制進料料溫度控制段間間進入的的冷氣量量第四節化化學反反應器的的自動控控制50圖17-33改變進料濃度調反應器溫度圖17-34用載熱體流量調溫度第四節化化學反反應器的的自動控控制51圖17-35用旁路調溫度圖17-36用改變段間冷氣量調溫度圖17-37用改變段間蒸汽量調溫度第四節化化學反反應器的的自動控控制四、流化化床反應應器的自自動控制制52圖17-38流化床反應器原理示意圖圖17-39改變入口溫度調反應器溫度第四節化化學反反應器的的自動控控制53圖17-41流化床差壓指示系統圖17-40改變冷劑流量調溫度例題分析析1.試判判斷圖17-42(a)、((b)控控制方案案是否正正確。圖17-42泵的控制方案54例題分析析解：要分析圖圖17--42所所示控制制方案是是否正確確,首先先必須了了解離心心泵和往往復泵的的特性。。圖17--42((a)是是離心泵泵的流量量控制方方案。為為了控制制出口流流量的大大小,控控制閥一一般應該該直接裝裝在出口口管線上上。這是是因為離離心泵吸吸入高度度是有限限的,如如果控制制閥裝在在吸入管管線上,,會產生生壓降,,這樣一一來,進進口端壓壓力就有有可能過過低,因因為液體體氣化,,使泵失失去排液液能力,,這叫氣氣縛。或或者壓到到出口端端又急速速冷凝,,沖蝕厲厲害,這這叫氣蝕蝕。這兩兩種情況況都要避避免發生生。所以以控制閥閥一般不不應安裝裝在離心心泵的入入口管線線上。55例題分析析圖17--42((b)為為往復泵泵出口流流量控制制方案。。從往復復泵的特特性來看看,只要要轉速一一定,排排出的流流量是基基本不變變的。因因此采用用出口節節流的方方法來控控制出口口流量是是不行的的。56例題分析析2.圖17-43所示示的加熱熱器,如如果兩側側無相變變,載熱熱體流量量很大,,且進出出口溫差差(T20-T21))很小時時,采用用圖示溫溫控方案案是否合合理?圖17-43加熱器控制方案57例題分析析解：從分析對對象(加加熱器))的靜態態特性來來看，采采用圖示示控制方方案是不不合理的的。設載熱體體流量為為F2，摩爾熱熱容為C2，冷流體體流量為為F1，摩爾熱熱容為C1。為了弄弄清主要要問題，對圖17-43所示示加熱器器可忽略略一些次次要因素素(如熱熱損失等等)，則則可列出出熱量平平衡式，，即單位位時間內內冷流體體吸收的的熱量等等于載熱熱體放出