化工儀表及自動化第十七章典型化工單元的控制方案

內(nèi)容提要流體輸送設備的自動控制離心泵的自動控制方案往復泵的自動控制方案壓氣機的自動控制方案傳熱設備的自動控制兩側均無相變化的換熱器控制方案載熱體進行冷凝的加熱器自動控制冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制精餾塔的自動控制精餾塔的干擾因素及對自動控制的要求1內(nèi)容提要精餾塔的控制方案化學反應器的自動控制化學反應器的控制要求釜式反應器的溫度自動控制固定床反應器的自動控制流化床反應器的自動控制2第一節(jié)流體輸送設備的自動控制一、離心泵的自動控制方案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)流體輸送設備的自動控制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(diào)流量第一節(jié)流體輸送設備的自動控制52.控制泵的轉速圖17-3改變泵的轉速調(diào)流量圖17-3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(jīng)濟，機械效率較高，但調(diào)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)流體輸送設備的自動控制63.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。

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。圖17-4改變旁路閥調(diào)流量第一節(jié)流體輸送設備的自動控制二、往復泵的自動控制方案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

（17-1）第一節(jié)流體輸送設備的自動控制81.改變原動機的轉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速。圖17-5改變轉速的方案第一節(jié)流體輸送設備的自動控制92.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17-6改變旁路流量第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制103.改改變沖沖程s圖17-7往復泵的特性曲線計量泵泵常用用改變變沖程程s來進行行流量量控制制。沖沖程s的調(diào)整整可在在停泵泵時進進行，，也有有可在在運轉轉狀態(tài)態(tài)下進進行的的。第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制三、壓壓氣機機的自自動控控制方方案11壓力機機的分分類其作用原原理不同可可分為為離心心式和和往復復式兩兩大類類；按進、出出口壓壓力高高低的差別別，可可分為為真空空泵、、鼓風風機、、壓縮縮機等等類型型。第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制121.直直接控控制流流量對于低低壓的的離心心式鼓鼓風機機，一一般可可在其其出口口直接接用控控制閥閥控制制流量量。由由于管管徑較較大，，執(zhí)行行器可可采用用蝶閥閥。其其余情情況下下，為為了防防止出出口壓壓力過過高，，通常常在入入口端端控制制流量量。因因為氣氣體的的可壓壓縮性性，所所以這這種方方案對對于往往復式式壓縮縮機也也是適適用的的。為了減減少阻阻力損損失，，對大大型壓壓縮機機，往往往不不用控控制吸吸入閥閥的方方法，，而用用調(diào)整整導向向葉片片角度度的方方法。。第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制13圖17-9分程閥的特性圖17-8分程控制方案第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制142.控控制旁旁路流流量對于壓壓縮比比很高高的多多段壓壓縮機機，從從出口口直接接旁路路回到到入口口是不不適宜宜的。。這樣樣控制制閥前前后壓壓差太太大，，功率率損耗耗太大大。為了解決這個問問題，，可以以在中中間某某段安安裝控控制閥閥，使使其回回到入入口端端，用用一只只控制制閥可可滿足足一定定工作作范圍圍的需需要。。圖17-10控制壓縮機旁路方案第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制153.調(diào)調(diào)節(jié)轉轉速壓氣機機的流流量控控制可可以通通過調(diào)調(diào)節(jié)原原動機機的轉轉速來來達到到，這這種方方案效效率最最高，，節(jié)能能最好好。問題在于調(diào)調(diào)速機機構一一般比比較復復雜，，沒有有前兩兩種方方法簡簡便。。第一節(jié)節(jié)流流體輸輸送設設備的的自動動控制制16“喘喘振振””現(xiàn)現(xiàn)象象當負負荷荷降降低低到到一一定定程程度度時時,氣氣體體的的排排送送會會出出現(xiàn)現(xiàn)強強烈烈的的振振蕩蕩,從從而而引引起起機機身身的的劇劇烈烈振振動動。。這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為““喘振振”。。喘振振會會造造成成事事故故,操操作作中中必必須須防防止止喘喘振振現(xiàn)現(xiàn)象象產(chǎn)產(chǎn)生生。。防喘喘振振的的控控制制方方案案有有很很多多種種,其其中中最最簡簡單單的的是是旁路路控控制制方方案案。第一一節(jié)節(jié)流流體體輸輸送送設設備備的的自自動動控控制制17旁路路控控制制方方案案圖17-11簡單的防喘振方案第二二節(jié)節(jié)傳傳熱熱設設備備的的自自動動控控制制一、、兩兩側側均均無無相相變變化化的的換換熱熱器器控控制制方方案案181.控控制制載載熱熱體體的的流流量量圖17-12表表示示利利用用控控制制載載熱熱體體流流量量來來穩(wěn)穩(wěn)定定被被加加熱熱介介質(zhì)質(zhì)出出口口溫溫度度的的控控制制方方案案。。采采用用傳傳熱熱基基本本方方程程式式的的工工作作原原理理。。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二二節(jié)節(jié)傳傳熱熱設設備備的的自自動動控控制制19傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算整理后，得移項后改寫為第二二節(jié)節(jié)傳傳熱熱設設備備的的自自動動控控制制20如果果載載熱熱體體本本身身壓壓力力不不穩(wěn)穩(wěn)定定，，可可另另設設穩(wěn)穩(wěn)壓壓系系統(tǒng)統(tǒng)，，或或者者采采用用以以溫溫度度為為主主變變量量、、流流量量為為副副變變量量的的串串級級控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)。。圖17-13換熱器串級控制系統(tǒng)第二二節(jié)節(jié)傳傳熱熱設設備備的的自自動動控控制制212.控控制制載載熱熱體體旁旁路路采用用三三通通控控制制閥閥來來改改變變進進入入換換熱熱器器的的載載流流體體流流量量與與旁旁路路流流量量的的比比例例，，可可以以改改變變進進入入換換熱熱器器的的載載熱熱體體流流量量，，還還可可以以保保證證載載熱熱體體總總流流量量不不受受影影響響。。旁路路的的流流量量一一般般不不用用直直通通閥閥來來直直接接進進行行控控制制，，因因為為在在換換熱熱器器內(nèi)內(nèi)部部流流體體阻阻力力小小的的時時候候，，控控制制閥閥前前后后壓壓降降很很小小，，這這樣樣就就使使控控制制閥閥的的口口徑徑要要選選得得很很大大，，而而且且閥閥的的流流量量特特性性易易發(fā)發(fā)生生畸畸變變。。圖17-14用載熱體旁路控制溫度第二節(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制223.控制制被加熱熱流體自自身流量量只能用在在工藝介介質(zhì)的流流量允許許變化的的場合。。圖17-15用介質(zhì)自身流量調(diào)溫度第二節(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制234.控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(zhì)旁路調(diào)溫度第二節(jié)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(zhì)。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(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制25當被加熱熱介質(zhì)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.控制制蒸汽流流量通過改變變加熱蒸蒸汽量來來穩(wěn)定被被加熱介介質(zhì)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(diào)溫度第二節(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制262.控制制換熱器器的有效效換熱面面積圖17-18用凝液排出量調(diào)溫度圖17-19溫度-液位串級系統(tǒng)圖17-20溫度-流量串級系統(tǒng)第二節(jié)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(yōu)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(nèi)內(nèi)蒸汽一一側會產(chǎn)產(chǎn)生負壓壓，造成成冷凝液液的排放放不連續(xù)續(xù)，影響響均勻傳傳熱。第二節(jié)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(yōu)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(zhì)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(jié)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.控制制冷卻劑劑的流量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(fā)發(fā)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(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制302.溫度度與液位位的串級級控制該方案的的實質(zhì)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(huán)環(huán)內(nèi)，從從而提高高了控制制質(zhì)量。。圖17-22溫度-液位串級控制第二節(jié)傳傳熱設設備的自自動控制制313.控制制汽化壓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(nèi)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(diào)溫度第二節(jié)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(zhì)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(tǒng)的統(tǒng)統(tǒng)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(jié)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(nèi)除去去熱量的的變化（6）環(huán)環(huán)境溫度度的變化化1.干擾擾因素第三節(jié)精精餾塔塔的自動動控制2.精餾餾塔對自自動控制制的要求求保證質(zhì)量量指標保證平穩(wěn)穩(wěn)操作約束條件件34第三節(jié)精精餾塔塔的自動動控制三、精餾餾塔的控控制方案案351.精餾餾塔的提提餾段溫溫控如果采用用以精餾餾段溫度度作為衡衡量質(zhì)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(jié)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(zhì)質(zhì)量指標標，因此此它能較較直接地地反映提提餾段產(chǎn)產(chǎn)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(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)質(zhì)量達到到規(guī)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(tài)過程程也比較較快。第三節(jié)精精餾塔塔的自動動控制372.精餾餾塔的精精餾段溫溫控如果采用用以精餾餾段溫度度作為衡衡量質(zhì)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(jié)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(zhì)量量指標，，因此它它能較直直接地反反映精餾餾段的產(chǎn)產(chǎn)品情況況。當塔塔頂產(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(jié)精精餾塔塔的自動動控制403.精餾餾塔的溫溫差控制制采用溫差差作為衡衡量質(zhì)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(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量的影影響。圖17-27ΔT-X曲線注意：：溫差與與產(chǎn)品品純度度之間間并非非單值值關系系。第三節(jié)節(jié)精精餾塔塔的自自動控控制414.按按產(chǎn)品品成分分或物物性的的直接接控制制能利用用成分分分析析器，，例如如紅外外分析析器、、色譜譜儀、、密度度計、、干點點和閃閃點以以及初初餾點點分析析器等等，分分析出出塔頂頂（或或塔底底）的的產(chǎn)品品成分分并作作為被被控變變量，，用回回流量量（或或再沸沸器加加熱量量）作作為控控制手手段組組成成成分控控制系系統(tǒng)，，就可可實現(xiàn)現(xiàn)按產(chǎn)產(chǎn)品成成分的的直接接指標標控制制。第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制一、化化學反反應器器的控控制要要求42(1)質(zhì)量量指標標化學反反應器器的質(zhì)質(zhì)量指指標一一般指指反應應的轉轉化率率或反反應生生成物物的規(guī)規(guī)定濃濃度。。如聚合釜出口溫差控制與轉化率的關系為第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制43以溫度度、壓壓力等等工藝藝變量量作為為間接接控制制指標標，有有時并并不能能保證證質(zhì)量量穩(wěn)定定。當有干干擾作作用時時，轉轉化率率和反反應生生成物物組分分等仍仍會受受到影影響。。特別是是在有有些反反應中中，溫溫度、、壓力力等工工藝變變量與與生成成物組組分間間不完完全是是單值值對應應關系系，這這就需需要不不斷地地根據(jù)據(jù)工況況變化化去改改變溫溫度控控制系系統(tǒng)的的給定定值。。在有催催化劑劑的反反應器器中，，由于于催化化劑的的活性性變化化，溫溫度給給定值值也要要隨之之改變變。第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制44(2)物料料平衡衡為使反反應正正常，，轉化化率高高，要要求維維持進進入反反應器器的各各種物物料量量恒定定，配配比符符合要要求。。(3)約束束條件件對于反反應器器，要要防止止工藝藝變量量進入入危險險區(qū)域域或不不正常常工況況，應應當配配備一一些報報警、、聯(lián)鎖鎖裝置置或設設置取取代控控制系系統(tǒng)。。第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制二、釜釜式反反應器器的溫溫度自自動控控制45(1)控制制進料料溫度度圖17-28改變進料溫度調(diào)釜溫第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制46(2)控制制傳熱熱量由于大大多數(shù)數(shù)反應應釜均均有傳傳熱面面，引引入或或移去去反應應熱，，所以以用改改變引引入傳傳熱量量多少少的方方法就就能實實現(xiàn)溫溫度控控制。。圖17-29改變加熱劑或冷卻劑流量調(diào)釜溫第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制47(3)串級級控制制為了針針對反反應釜釜滯后后較大大的特特點，，可采采用串串級控控制方方案。。圖17-30釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制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(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制三、固固定床床反應應器的的自動動控制制49固定床床反應應器是指催催化劑劑床層層固定定于設設備中中不動動的反反應器器，流流體原原料在在催化化劑作作用下下進行行化學學反應應以生生成所所需反反應物物。常見的的溫度度控制制方案案有：：控制進進料濃濃度控制進進料溫溫度控制段段間進進入的的冷氣氣量第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制50圖17-33改變進料濃度調(diào)反應器溫度圖17-34用載熱體流量調(diào)溫度第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制51圖17-35用旁路調(diào)溫度圖17-36用改變段間冷氣量調(diào)溫度圖17-37用改變段間蒸汽量調(diào)溫度第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制四、流流化床床反應應器的的自動動控制制52圖17-38流化床反應器原理示意圖圖17-39改變?nèi)肟跍囟日{(diào)反應器溫度第四節(jié)節(jié)化化學反反應器器的自自動控控制53圖17-41流化床差壓指示系統(tǒng)圖17-40改變冷劑流量調(diào)溫度例題分分析1.試試判斷斷圖17-42(a)、、(b)控控制方方案是是否正正確。。圖17-42泵的控制方案54例題分分析解：要分析析圖17-42所示示控制制方案案是否否正確確,首首先必必須了了解離離心泵泵和往往復泵泵的特特性。。圖17-42(a)是離離心泵泵的流流量控控制方方案。。為了了控制制出口口流量量的大大小,控制制閥一一般應應該直直接裝裝在出出口管管線上上。這這是因因為離離心泵泵吸入入高度度是有有限的的,如如果控控制閥閥裝在在吸入入管線線上,會產(chǎn)產(chǎn)生壓壓降,這樣樣一來來,進進口端端壓力力就有有可能能過低低,因因為液液體氣氣化,使泵泵失去去排液液能力力,這這叫氣氣縛。?；蛘哒邏旱降匠隹诳诙擞钟旨彼偎倮淠?沖沖蝕厲厲害,這叫叫氣蝕蝕。這這兩種種情況況都要要避免免發(fā)生生。所所以控控制閥閥一般般不應應安裝裝在離離心泵泵的入入口管管線上上。55例題分分析圖17-42(b)為往往復泵泵出口口流量量控制制方案案。從從往復復泵的的特性性來看看,只只要轉轉速一一定,排出出的流流量是是基本本不變變的。。因此此采用用出口口節(jié)流流的方方法來來控制制出口口流量量是不不行的的。56例題分分析2.圖圖17-43所所示的的加熱熱器,如果果兩側側無相相變,載熱熱體流流量很很大,且進進出口口溫差差(T20-T21)很很小時時,采采用圖圖示溫溫控方方案是是否合合理?圖17-43加熱器控制方案57例題分分析解：從分析析對象象(加加熱器器)的的靜態(tài)態(tài)特性性來看看，采采用圖圖示控控制方方案是是不合合理的的。設載熱熱體流流量