過程自動檢測與控制技術_CHAPT8_典型化工單元的控制方案

1、第八章典型化工單元的控制方案第一節(jié)、流體輸送設備的控制方案 1離心泵的控制方案 (1)直接節(jié)流法改變直接節(jié)流閥的開度，即改變了管路特性，從而改變了平衡工作點C的位置，達到控制的目的。 FC(b)控制方案HL1HL2C1HL3C2HC3Q(a)流量特性圖91-3 直接節(jié)流以控制流量第八章典型化工單元的控制方案(2)改變泵的轉速n HLFC調轉速原動機(b)控制方案Hn3n2n1Q(a)流量特性圖91-4 調節(jié)轉速式控制第八章典型化工單元的控制方案(3)改變旁路回流量 FC圖91-5 旁路控制流量FCPC圖91-6 往復泵出口壓力和流量控制第八章典型化工單元的控制方案2容積式泵的控制方案 由于容積

2、式泵的排出平均流量與管路阻力無關，所以不能采用出口節(jié)流的方法來控制流量，一旦出口閥關死，將造成泵體損壞。容積式泵常用的控制方式有：改變原動機的轉速。調節(jié)回流量。 第八章典型化工單元的控制方案二、壓縮機的常規(guī)控制方案 氣量控制系統(tǒng)。即出口排量或壓力控制，也就是負荷控制系統(tǒng)?？刂品绞脚c離心泵的控制類似，如直接節(jié)流法，改變轉速和改變旁路回流量等。 防喘振控制系統(tǒng)。喘振現象是由離心式壓縮機結構特性所引起的，而且對壓縮機的正常運行危害極大。為此，必須專門設置防喘振控制系統(tǒng)，確保壓縮機的安全運行。 第八章典型化工單元的控制方案三、離心式壓縮機的防喘振控制 1喘振現象及原因 p2/plTp2/plQM1MQ

3、QM圖91-7 離心式壓縮機工作點 圖示為在某一轉速下離心式壓縮機的特性曲線，是壓縮機的出口絕壓p2與入口絕壓pl之比和入口體積流量Q的關系曲線。由圖中可看出，這種駝峰型的特性曲線具有極值點T。工作點建立在極值點右側是穩(wěn)定的，極值點左側則為不穩(wěn)定的。當系統(tǒng)受一個干擾而偏離該工作點后，系統(tǒng)能否自動返回到原來的工作點？ 極值點右側的工作點M1。由于某種原因使系統(tǒng)壓力p2 下降時，工作點沿特性曲線下滑，隨之壓縮機的排量Q增大。因整個管網系統(tǒng)是定容積的，Q的增大必將使系統(tǒng)壓力p2回升，也就自動地把工作點拉回到原來的Ml點上。 第八章典型化工單元的控制方案 T點左側的工作點。由于某種原因使系統(tǒng)壓力p2下

4、降，工作點同樣沿特性曲線下滑，隨后壓縮機的排量Q也下降，對于定容系統(tǒng)來說，將進一步導致壓力下降，工作點繼續(xù)沿特性曲線下滑而不能返回M點，所以是不穩(wěn)定的工作點。 喘振區(qū)p2/p1n3n2n1Qp1 Qp2 Qp3Q圖91-8離心式壓縮機喘振極限線第八章典型化工單元的控制方案2防喘振控制系統(tǒng) (1)固定極限流量防喘振控制 n3n2n1p2/p1QpQ圖91-10 喘振極限值壓縮機排出吸入循環(huán)FC圖91-9 固定極限流量防喘振控制方案第八章典型化工單元的控制方案(2)可變極限流量防喘振控制 變極限流量防喘振控制，需解決以下兩個問題：安全操作線的數學方程的建立。用儀表等技術工具實現上述數學方程的運算。

5、安全操作線可用一個拋物線方程來近似。操作線方程一般由廠家給出，如： 12112TQbapp第八章典型化工單元的控制方案喘振極限線安全操作線p2/p1n3n2n1Q2圖91-11 喘振極限線及安全線通常氣量的測量用差壓法，因此還需對公式作進一步的推導。把式中流量Ql以差壓法測得的pl來代替：整理后可得: 根據公式可演化出多種表達形式，從而組成不同形式的可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)。 111pKQ11212pprKbapp第八章典型化工單元的控制方案)(1221appbKrpp2-ap1p2+r/bk2p1-r（p2-ap1）/bk2plFC可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)之一第八章典型化工單元的控制方案

6、2121bKrapppp2 +p1 -FCp2-ap1plr/bK2可變極限防喘振控制系統(tǒng)之二第八章典型化工單元的控制方案在某些引進裝置中，有時也采用簡化形式，令a=0，此時安全操作線方程簡化為： 221pbKrp r/bK2p1FCp2r/bK2p2可變極限防喘振控制系統(tǒng)之三第二節(jié) 傳熱設備的自動控制一概 述 按結構型式來分，則有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等。傳熱的目的主要有下列三種：(1)使工藝介質達到規(guī)定的溫度。對工藝介質進行加熱或冷卻。有時在工藝過程進行中加入或除去熱量，使工藝過程在規(guī)定的溫度范圍內進行。(2)使工藝介質改變相態(tài)。根據工藝過程的需要，有時加熱使工藝介質汽化，也有冷凝

7、除熱，使氣相物料液化。(3)回收熱量。第二節(jié) 傳熱設備的自動控制v二傳熱設備的特性 逆流單程換熱器G1c1 T10G2c2 T20G2c2 T2iG1c1 T1iG1G2換熱器特性T2iT1iT1o1 110122220()()iiqGc TTG c TTq=KF T2)()(212010221iiTTTTttT第二節(jié) 傳熱設備的自動控制整理后可得：221111121101211cGcGKFcGTTTTiii第二節(jié) 傳熱設備的自動控制a工藝介質入口溫度T1i對出口溫度T10的影響，即T1iT10通道的靜態(tài)放大倍數。對公式進行增量化，令T2i=0，則可得：表明，T10與T1i之間為線形關系，其靜

8、態(tài)放大倍數為小于1的常數。 22111111012111cGcGKFcGTTi第二節(jié) 傳熱設備的自動控制b載熱體入口溫度T2i對工藝介質出口溫度T10的影響，即T2iT10通道的靜態(tài)放大倍數。增量化，令T1i=0，可得： 表明，T10與T2i之間也為線形關系。 2211112101211cGcGKFcGTTi第二節(jié) 傳熱設備的自動控制c載熱體流量G2對工藝介質出口溫度T10的影響，即G2T10通道的靜態(tài)放大倍數?？赏ㄟ^求導，求取靜態(tài)放大倍數為：可見，G2T10通道的靜態(tài)特性是一個非線性關系。 222111122212112101212)(cGcGKFcGcGTTcGdGdTii2 4T10與G

9、2的靜態(tài)關系iiiTTTT12110111KFcGKFcG22第二節(jié) 傳熱設備的自動控制d工藝介質流量Gl對其出口溫度T10。的影響，即GT10通道的靜態(tài)放大倍數。同樣可通過求導求得，其結果相似： 31T10與G1的靜態(tài)關系KFcG11KFcG22iiiTTTT12110第二節(jié) 傳熱設備的自動控制三、一般傳熱設備的控制一般傳熱設備通常指換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器等。1換熱器的控制 （1）控制載熱體流量 載熱體G2TC控制載熱體流量的方案工藝介質G1載熱體 G2G1工藝介質TC合流形式載熱體流量控制第二節(jié) 傳熱設備的自動控制（2）工藝介質的旁路控制 T1iTCTCFCG1G2G1G2

10、將工藝介質分路的方案換熱器前饋串級控制前饋控制模型第二節(jié) 傳熱設備的自動控制2蒸汽加熱器的控制 (1)控制載熱劑蒸汽的流量 蒸汽 G2 TC凝液G1控制蒸汽流量的方案所示為調節(jié)蒸汽流量的溫度控制方案。其傳熱機理是同時改變傳熱速率方程中的T和傳熱面積F。當加熱器的傳熱面沒有富裕時，以改變T為主；而在傳熱面有富裕時，以改變傳熱面F為主。這種控制方案控制靈敏，但是當采用低壓蒸汽作為熱源時，進入加熱器內的蒸汽一側會產生負壓。此時，冷凝液將不能連續(xù)排出，采用此方案就需謹慎。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(2)控制冷凝液排量 蒸汽 凝液TCG1 控制冷凝管排放的方案所示為調節(jié)冷凝液流量的控制方案。是通過冷凝

11、液排放量，改變了加熱器內凝液的液位，導致傳熱面F的變化，從而改變傳熱量，以達到對出口溫度的控制。這種方案利于凝液的排放，傳熱變化較平緩，可防止局部過熱，有利于熱敏介質的控制。此外，排放閥的口徑也小于蒸汽閥。但這種改變傳熱面的方案控制比較遲鈍。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制蒸汽 G2G1TC凝液LC圖92-13 蒸汽加熱器TL串級控制蒸汽 G2G1TC凝液FC蒸汽加熱器前饋控制第二節(jié) 傳熱設備的自動控制3冷凝冷卻器的控制 (1)控制載熱劑流量 氣氨液氨TC 控制載熱劑流量方案所示為冷凝冷卻器調節(jié)載熱劑流量的控制方案。這種方案的機理也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面F來實現。該方案調節(jié)平穩(wěn)，冷量利用

12、充分，且對壓縮機入口壓力無影響。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，損壞壓縮機。第二節(jié) 傳熱設備的自動控制氣氨液氨TCLC冷凝冷卻器TL串級控制方案冷凝冷卻器選擇性控制TCLS液氨LC氣氨第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(2)控制氣氨排量 控制氣氨排量方案液氨LCTC氣氨冷凝冷卻器(氨冷器)控制氣氨排量的方案如圖所示。該方案的機理是調節(jié)傳熱速率方程中的平均溫差T。采用這種方案，控制靈敏迅速。但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機入口壓力的波動，另外冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)正常運行，還需設置一個液位控制系統(tǒng)。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制v四、鍋爐及加熱爐控制 熱空氣送往爐膛265D

13、SD過熱蒸汽送負荷設備Pm378給水（由水泵來）1燃料熱空氣圖92-19 鍋爐設備主要工藝流程圖 1一燃燒嘴；2一爐膛；3一汽包；4一減溫器；5一爐墻； 6一過熱器；7一省煤器；8一空氣預熱器冷空氣（由送風機來）4第二節(jié) 傳熱設備的自動控制鍋爐設備要有如下主要的控制系統(tǒng): 鍋爐汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要是保持汽包內部的物料平衡，使給水量適應鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內。這是保證了鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的重要指標。 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制。有三個被控變量：蒸汽壓力(或負荷)、煙氣成分(經濟燃燒指標)和爐膛負壓?？蛇x用的操縱變

14、量也有三個：燃料量、送風量和引風量。組成的燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產生的熱量，適應蒸汽負荷的需要；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全運行；使引風量與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍內。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。被控變量為過熱蒸汽溫度，操縱變量為減溫器的噴水量。使過熱器出口溫度保持在允許范圍內，并保證管壁溫度不超出工藝允許的溫度。鍋爐水處理過程的控制。主要使鍋爐給水的水性能指標達到工藝要求。一般采用離子交換樹脂對水進行軟化處理。通常應用程序控制，確保水處理和樹脂再生正常交替運行。 1鍋爐汽包水位的控制 (1)汽包水位的動態(tài)特性 汽包水位

15、在給水流量作用下動態(tài)特性，即控制通道特性。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制WHH1tHt給水流量作用下水位階躍響應曲線7432816鍋爐汽水系統(tǒng) l給水母管；2給水控制閥；3省煤器；4汽包； 5下降管；6上升管；7過熱器；8蒸汽母管5sesKsWsH0)()(第二節(jié) 傳熱設備的自動控制汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。 DHH2tHH1t蒸汽流量擾動作用下的水位相應曲線7432816鍋爐汽水系統(tǒng) l給水母管；2給水控制閥；3省煤器；4汽包； 5下降管；6上升管；7過熱器；8蒸汽母管51)()()()()()(2221sTKsKsDsHsDsHsDsHf第二節(jié) 傳熱設備的自動

16、控制(2)單沖量控制系統(tǒng) 給水省煤器蒸汽汽包LC單沖量控制系統(tǒng)這種控制系統(tǒng)結構簡單，對于汽包內水的停留時間長，負荷變化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運行。 單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題：當負荷變化產生虛假液位時，將使控制器反向錯誤動作；對負荷不靈敏；對給水干擾不能及時克服。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(3)雙沖量控制系統(tǒng) 蒸汽給水I0IFICILCI=C1ICC2IFI0GC（a）IFGPDGmFDLL0ICIC2C1GVGPC（b）I0Gm雙沖量控制系統(tǒng)原理圖及方塊圖第二節(jié) 傳熱設備的自動控制雙沖量控制系統(tǒng)實質上是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制的前饋反饋控制系統(tǒng)。 為

17、確保雙沖量控制系統(tǒng)能按照設計意圖正常運行，必須正確選定控制閥的開閉形式、控制器的正反作用以及運算器的符號。 a.閥的開閉形式選定。從工藝安全角度來考慮，若以保護鍋爐安全為主，選氣閉式；如以保護汽輪機用戶安全為主，則選氣開式。bLC控制器的正反作用。把控制系統(tǒng)視為負反饋系統(tǒng)，因此當氣閉閥時為正作用，氣開閥時則為反作用。c運算器符號：氣閉閥時 IC1IcC2IFI0； 氣開閥時 IC1IcC2IFI0。第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(4)三沖量控制系統(tǒng) 蒸汽ICIFI0三沖量控制系統(tǒng)LCI=ICCIF-I0給水IFFCILGmIFGmFGPDUGP2GPCICI L0GC2GmF，I0IFGC1三沖量

18、控系統(tǒng)方塊圖第二節(jié) 傳熱設備的自動控制2蒸汽過熱系統(tǒng)的控制 過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽用戶設備都是不利的。過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機也因內部過度的熱膨脹，而嚴重影響安全運行；過熱蒸汽溫度過低，一方面使設備的效率降低，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。 過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間常數及純滯后均較大，所以組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產的要求。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制第二過熱器 第一過熱器減溫器d/dtTC減溫水 過熱蒸汽溫度雙沖量控制系統(tǒng)蒸汽過熱蒸汽第二過熱器 過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)減溫器第一過熱器減溫

19、水T2CT1C蒸汽過熱蒸汽第二節(jié) 傳熱設備的自動控制3鍋爐燃燒過程的控制燃燒過程的控制基本要求有三個：保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負荷要求自動增減燃料量。燃燒良好，供氣適宜。既要防止由空氣不足使煙囪冒黑煙，也不要因空氣過量而增加熱量損失。保證鍋爐安全運行。保持爐膛一定的負壓，以免負壓太小，甚至為正，造成爐膛內熱煙氣往外冒出，影響設備和工作人員的安全；如果負壓過大，會使大量冷空氣漏進爐內，從而使熱量損失增加。此外，還需防止燃燒嘴背壓(對于氣相燃料)太高時脫火，燃燒嘴背壓（氣相燃料）太低時回火的危險。 第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(1)蒸汽壓力控制和燃料與空氣比值控制系統(tǒng)燃燒過程的基本控制方案空氣量燃

20、料量P汽KPC FCFC空氣閥燃料閥AOAC燃料量空氣量P汽KFCPCFC空氣閥LSHS燃料閥燃燒過程的改進控制方案AOAC第二節(jié) 傳熱設備的自動控制（2）燃燒過程的煙氣氧含量閉環(huán)控制最優(yōu)值空氣量PCFC燃料量燃料閥煙氣中氧含量的閉環(huán)控制方案p汽ACO2 LSHS FC空氣閥第二節(jié) 傳熱設備的自動控制(3)爐膛負壓控制與有關安全保護系統(tǒng) 蒸汽汽包P1CLS PSAP3C K圖92-33 爐膛負壓與安全保護控制系統(tǒng)燃料AOAO空氣P2C312爐膛負壓控制系統(tǒng) 防脫火系統(tǒng) 防回火系統(tǒng) 第三節(jié) 精餾塔的自動控制 1精餾塔的靜態(tài)特性 冷劑LDL進料 D,xDF,zf V熱劑圖93-1 簡單精餾控制示意

21、圖釜液,B,xBLBBDBfxxxzFDBDfDxxzxFB(1)物料平衡關系 (2)能量平衡關系 )1 ()1 (lnDBBDxxxxFV第三節(jié) 精餾塔的自動控制2精餾塔的動態(tài)特性 dtdMVVLLjjjjj11dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj1111Lj+1j+1Mj LjVjVj-1j-1 Lj-1精餾塔第j塊板物料流動情況j第三節(jié) 精餾塔的自動控制3精餾塔的整體控制方案 （1）傳統(tǒng)的物料平衡控制 FLDVBQLCFC FCFC傳統(tǒng)物料平衡控制方案之二LCFLDBVQLCFC FCFC傳統(tǒng)物料平衡控制方案之一LC保持DF(或BF)和VF(或回流比)一定，完全按物料及能量平衡

22、關系進行控制。它適用于對產品質量要求不高以及擾動不多的情況。 第三節(jié) 精餾塔的自動控制（2）質量指標反饋控制 L DTCLCV FCFLC Q塔頂按能量平衡防護司控制BTCLC Q V FCFL DLC塔頂按物料平衡方式控制B第三節(jié) 精餾塔的自動控制V LCFFCL DLC塔底按物料平衡方式控制BTC Q塔底按能量平衡方式控制FFCL DLCBLC Q V TC 第四節(jié) 化學反應器的自動控制v化學反應器的控制目標:v轉化率 v產率v收率1AOAAAAOAOCCCAXACC 反應了的 的量進入反應器的 的量A轉化為產品L的A量反應了的 量PXA轉化為產品L的A量進入反應器的 量第四節(jié) 化學反應器

23、的自動控制一、化學反應器的控制要求(1)物料平衡控制 對化學反應器來說，從穩(wěn)態(tài)角度出發(fā)，流入量應等于流出量，如屬可能常常對主要物料進行流量控制。另外，在有一部分物料循環(huán)系統(tǒng)內，應定時排放或放空系統(tǒng)中的惰性物料。(2)能量平衡控制 要保持化學反應器的熱量平衡，應使進入反應器的熱量與流出的熱量及反應生成熱之間相互平衡。能量平衡控制對化學反應器來說至關重要，它決定反應器的安全生產，也間接保證化學反應器的產品質量達到工藝的要求。 第四節(jié) 化學反應器的自動控制(3)約束條件控制 要防止工藝參數進入危險區(qū)域或不正常工況，為此，應當配置一些報警、聯鎖和選擇性控制系統(tǒng)，進行安全界限的保護性控制。(4)質量控制

24、 通過上述三項控制，保證反應過程平穩(wěn)安全進行的同時，還應使反應達到規(guī)定的轉化率，或使產品達到規(guī)定的成分，因此必須對反應進行質量控制。質量指標的選取，即被控變量的選擇可分為兩類：取出料的成分或反應的轉化率等指標作為被控變量；取反應過程的工藝狀態(tài)參數(間接質量指標)作為被控變量。 第四節(jié) 化學反應器的自動控制現以丙烯聚合反應釜為例，說明這些控制系統(tǒng)的設置情況。 氣相出料液位報警ACFCTC圖94-3 丙烯聚合反應工藝流程示意圖丙烯 H2LCFCFC催化劑冷卻水乙烯 乙烷 FC漿液第四節(jié) 化學反應器的自動控制物料平衡控制。恒定輸入物料量：聚合反應的主要原料丙烯及H2、乙烯、乙烷分別設置流量定值控制。另外聚合反應物漿液采出有液位控制。能量平衡控制。反應釜的釜溫控制冷卻水量，使進、出釜及反應生成熱達到平衡。 質量控制。在圖中畫出以氣相出料中H2含量為質量指標，組成H2含量與加入H2流量的串級控制系統(tǒng)，通過調整H2的加入量，保持反映聚合反應進行好壞的氣相中H2含量為某給定值。約束條件控制。本工藝流程無爆炸危險，故控制較為簡單，設有漿液液位報警系統(tǒng)，在釜內漿液液位過高、過低時發(fā)出報警信號。 第四節(jié) 化學反應器的自動控制)()(0fpcpGcKFyHGxdtdcV式中