化工儀表及自動(dòng)化 厲玉鳴第17章ppt課件

1、化工儀表及自動(dòng)化第十七章 典型化工單元的控制方案 內(nèi)容提要流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制離心泵的自動(dòng)控制方案往復(fù)泵的自動(dòng)控制方案壓氣機(jī)的自動(dòng)控制方案?jìng)鳠嵩O(shè)備的自動(dòng)控制兩側(cè)均無(wú)相變化的換熱器控制方案載熱體進(jìn)展冷凝的加熱器自動(dòng)控制冷卻劑進(jìn)展汽化的冷卻器自動(dòng)控制精餾塔的自動(dòng)控制精餾塔的干擾要素及對(duì)自動(dòng)控制的要求1內(nèi)容提要精餾塔的控制方案化學(xué)反響器的自動(dòng)控制化學(xué)反響器的控制要求釜式反響器的溫度自動(dòng)控制固定床反響器的自動(dòng)控制流化床反響器的自動(dòng)控制2第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制一、離心泵的自動(dòng)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

2、出口閥門(mén)開(kāi)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(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，閥門(mén)動(dòng)作，控制結(jié)果使流量回到給定值。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制4圖17-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線 控制閥普通應(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。 留意圖17-1 改動(dòng)泵出口阻力調(diào)流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制52.控制泵的轉(zhuǎn)速圖17-3 改動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)流量 圖17-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3時(shí)的流量特性，且有n1n2n3。 該方案從能量耗費(fèi)的角度來(lái)衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)普通較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動(dòng)離心泵的場(chǎng)所，此時(shí)僅需控

3、制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)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，用改動(dòng)旁路閥開(kāi)啟度的方法來(lái)控制泵的實(shí)踐排出量。 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)，由于旁路閥耗費(fèi)一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。 圖17-4 改動(dòng)旁路閥調(diào)流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制二、往復(fù)泵的自動(dòng)控制方案7 往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場(chǎng)所，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來(lái)保送流體的。 往復(fù)泵提供的實(shí)際流量可按下式計(jì)算 17-1第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制81.改動(dòng)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作

4、原動(dòng)機(jī)的場(chǎng)所，此時(shí)，可借助于改動(dòng)蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速。圖17-5 改動(dòng)轉(zhuǎn)速的方案第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)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耗費(fèi)在旁路上，故經(jīng)濟(jì)性較差。 圖17-6 改動(dòng)旁路流量第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制103.改動(dòng)沖程 s 圖17-7 往復(fù)泵的特性曲線 計(jì)量泵常用改動(dòng)沖程s來(lái)進(jìn)展流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時(shí)進(jìn)展，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)形狀下進(jìn)展的。第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制三、壓氣機(jī)的自動(dòng)控制方案11壓力機(jī)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(jī)、緊縮機(jī)等類型。 第一節(jié) 流體保送設(shè)

5、備的自動(dòng)控制121.直接控制流量 對(duì)于低壓的離心式鼓風(fēng)機(jī)，普通可在其出口直接用控制閥控制流量。由于管徑較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其他情況下，為了防止出口壓力過(guò)高，通常在入口端控制流量。由于氣體的可緊縮性，所以這種方案對(duì)于往復(fù)式緊縮機(jī)也是適用的。 為了減少阻力損失，對(duì)大型緊縮機(jī)，往往不用控制吸入閥的方法，而用調(diào)整導(dǎo)向葉片角度的方法。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制13圖17-9 分程閥的特性圖17-8 分程控制方案第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制142.控制旁路流量 對(duì)于緊縮比很高的多段緊縮機(jī)，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。 為理處理這個(gè)問(wèn)題，可以在中間某段

6、安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定任務(wù)范圍的需求。 圖17-10 控制緊縮機(jī)旁路方案第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制153.調(diào)理轉(zhuǎn)速 壓氣機(jī)的流量控制可以經(jīng)過(guò)調(diào)理原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)到達(dá)，這種方案效率最高，節(jié)能最好。 問(wèn)題在于調(diào)速機(jī)構(gòu)普通比較復(fù)雜，沒(méi)有前兩種方法簡(jiǎn)便。 第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制16“喘振景象 當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí),氣體的排送會(huì)出現(xiàn)劇烈的振蕩,從而引起機(jī)身的猛烈振動(dòng)。這種景象稱為“喘振。 喘振會(huì)呵斥事故,操作中必需防止喘振景象產(chǎn)生。 防喘振的控制方案有很多種,其中最簡(jiǎn)單的是旁路控制方案。第一節(jié) 流體保送設(shè)備的自動(dòng)控制17旁路控制方案圖17-11 簡(jiǎn)單的防喘振方案第

7、二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制一、兩側(cè)均無(wú)相變化的換熱器控制方案181. 控制載熱體的流量 圖17-12表示利用控制載熱體流量來(lái)穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱根本方程式的任務(wù)原理。 假設(shè)不思索傳熱過(guò)程中的熱損失圖17-12 改動(dòng)載熱體流量控制溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制19傳熱過(guò)程中傳熱的速率可按下式計(jì)算整理后，得移項(xiàng)后改寫(xiě)為第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制20 假設(shè)載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)。 圖17-13 換熱器串級(jí)控制系統(tǒng)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制212.控制載熱體旁路 采用三通控制閥來(lái)改動(dòng)進(jìn)入換熱器的載流體流量與旁路流量的

8、比例，可以改動(dòng)進(jìn)入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。 旁路的流量普通不用直通閥來(lái)直接進(jìn)展控制，由于在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時(shí)候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。 圖17-14 用載熱體旁路控制溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制223.控制被加熱流體本身流量 只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場(chǎng)所。 圖17-15 用介質(zhì)本身流量調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制234. 控制被加熱流體本身流量的旁路 當(dāng)被加熱流體的總流量不允許控制，而且換熱器的傳熱面積有余量時(shí)，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來(lái)控制溫度。 圖17

9、-16 用介質(zhì)旁路調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制二、載熱體進(jìn)展冷凝的加熱器自動(dòng)控制24 在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，經(jīng)過(guò)管壁加熱工藝介質(zhì)。假設(shè)要加熱到200以上或30以下時(shí)，常采用一些有機(jī)化工物作為載熱體。 這種傳熱過(guò)程分兩段進(jìn)展，先冷凝后降溫。 當(dāng)僅思索汽化潛熱時(shí)，熱量平衡方程式為 傳熱速率方程式仍為第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制25 當(dāng)被加熱介質(zhì)的出口溫度t2為被控變量時(shí)，常采用下述兩種控制方案。1.控制蒸汽流量 經(jīng)過(guò)改動(dòng)加熱蒸汽量來(lái)穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當(dāng)閥前蒸汽壓力有動(dòng)搖時(shí)，可對(duì)蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量或壓力的串級(jí)控制。 圖17-17 用蒸汽流

10、量調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制262.控制換熱器的有效換熱面積圖17-18 用凝液排出量調(diào)溫度圖17-19 溫度-液位串級(jí)系統(tǒng)圖17-20 溫度-流量串級(jí)系統(tǒng)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制27兩種方案比較控制蒸汽流量法 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易行、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短、控制迅速。缺陷：需選用較大的蒸汽閥門(mén)、傳熱量變化比較猛烈，有時(shí)凝液冷到100以下，這時(shí)加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，呵斥冷凝液的排放不延續(xù)，影響均勻傳熱。 第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制28控制換熱器的有效換熱面積法缺陷：控制通道長(zhǎng)、變化緩慢，且需求有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點(diǎn)：防止部分過(guò)熱，對(duì)一些過(guò)熱后會(huì)引起化學(xué)變化的過(guò)敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽

11、冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門(mén)。 第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制三、冷卻劑進(jìn)展汽化的冷卻器自動(dòng)控制291.控制冷卻劑的流量 該方案不以液位為支配變量，但液位不能過(guò)高，過(guò)高會(huì)呵斥蒸發(fā)空間缺乏，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨緊縮機(jī)的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報(bào)警，或采用溫度-液位自動(dòng)選擇性控制，當(dāng)液位高于某上限值時(shí)，自動(dòng)把液氨閥關(guān)小或暫時(shí)切斷。 圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制302.溫度與液位的串級(jí)控制 該方案的本質(zhì)是改動(dòng)傳熱面積。但采用了串級(jí)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。

12、 圖17-22 溫度-液位串級(jí)控制第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制313.控制汽化壓力任務(wù)原理 基于當(dāng)控制閥的開(kāi)度變化時(shí)，會(huì)引起氨冷器內(nèi)汽化壓力改動(dòng)，于是相應(yīng)的汽化溫度也就改動(dòng)了。 圖17-23 用汽化壓力調(diào)溫度第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動(dòng)控制32 這種方案控制造用迅速，只需汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，到達(dá)控制工藝介質(zhì)出口溫度的目的。但是由于控制閥安裝在氣氨出口管道上，故要求氨冷器要耐壓，并且當(dāng)氣氨壓力由于整個(gè)制冷系統(tǒng)的一致要求不能隨意加以控制時(shí)，這個(gè)方案就不能采用了。 第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制一、精餾塔的干擾要素及對(duì)自動(dòng)控制的要求33圖17-24 精餾塔的物料流程圖1進(jìn)料流量F的動(dòng)搖2進(jìn)料成

13、分ZF的變化3進(jìn)料溫度及進(jìn)料熱焓QF的變化4再沸器加熱劑如蒸汽參與熱量的變化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 1.干擾要素第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制 2.精餾塔對(duì)自動(dòng)控制的要求 保證質(zhì)量目的 保證平穩(wěn)操作 約束條件34第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制三、精餾塔的控制方案351.精餾塔的提餾段溫控 假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動(dòng)回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。 圖17-25 提餾段溫控的控制方案表示圖第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制36提餾段溫控的主要特點(diǎn)與運(yùn)用場(chǎng)所： 1采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，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，

14、就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量到達(dá)規(guī)定值。2當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，用提餾段溫控就比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)過(guò)程也比較快。 第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制372.精餾塔的精餾段溫控 假設(shè)采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量目的的間接目的，而以改動(dòng)回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。 圖17-26 精餾段溫控的控制方案表示圖第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制38精餾段溫控的主要特點(diǎn)與運(yùn)用場(chǎng)所： 采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量目的，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)厲時(shí)，普通宜采用精餾段溫控方案。 假設(shè)干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時(shí)。 第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制39 在采用精餾段溫控或提

15、餾段溫控時(shí)，當(dāng)分別的產(chǎn)品較純時(shí)，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對(duì)測(cè)溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實(shí)踐上卻很難滿足。處理這一問(wèn)題的方法，是將測(cè)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。 第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制403.精餾塔的溫差控制 采用溫差作為衡量質(zhì)量目的的間接變量，是為了消除塔壓動(dòng)搖對(duì)產(chǎn)質(zhì)量量的影響。 圖17-27 T-X曲線留意：溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。第三節(jié) 精餾塔的自動(dòng)控制414.按產(chǎn)品成分或物性的直接控制 能利用成分分析器，例如紅外分析器、色譜儀、密度計(jì)、干點(diǎn)和閃點(diǎn)以及初餾點(diǎn)分析器等，分析出塔頂或塔底的產(chǎn)品成分并作為被控變

16、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(shí)現(xiàn)按產(chǎn)品成分的直接目的控制。第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制一、化學(xué)反響器的控制要求42(1)質(zhì)量目的 化學(xué)反響器的質(zhì)量目的普通指反響的轉(zhuǎn)化率或反響生成物的規(guī)定濃度。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制43 以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制目的，有時(shí)并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。 當(dāng)有干擾作用時(shí)，轉(zhuǎn)化率和反響生成物組分等仍會(huì)遭到影響。 特別是在有些反響中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這就需求不斷地根據(jù)工況變化去改動(dòng)溫度控制系統(tǒng)的給定值。 在有催化劑的反響器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定

17、值也要隨之改動(dòng)。 第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制44(2)物料平衡 為使反響正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進(jìn)入反響器的各種物料量恒定，配比符合要求。(3)約束條件 對(duì)于反響器，要防止工藝變量進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域或不正常工況，該當(dāng)配備一些報(bào)警、聯(lián)鎖安裝或設(shè)置取代控制系統(tǒng)。 第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制二、釜式反響器的溫度自動(dòng)控制45(1)控制進(jìn)料溫度圖17-28 改動(dòng)進(jìn)料溫度調(diào)釜溫第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制46(2)控制傳熱量 由于大多數(shù)反響釜均有傳熱面，引入或移去反響熱，所以用改動(dòng)引入傳熱量多少的方法就能實(shí)現(xiàn)溫度控制。 圖17-29 改動(dòng)加熱劑或冷卻劑流量調(diào)釜溫第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制47(3)串級(jí)控制

18、為了針對(duì)反響釜滯后較大的特點(diǎn)，可采用串級(jí)控制方案。圖17-30 釜溫與冷劑流量串級(jí)控制表示圖第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制48圖17-31 釜溫與夾套溫度串級(jí)控制表示圖圖11-37 釜溫與釜壓串級(jí)控制表示圖第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制三、固定床反響器的自動(dòng)控制49 固定床反響器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動(dòng)的反響器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)展化學(xué)反響以生成所需反響物。常見(jiàn)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 第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制50圖17-33 改動(dòng)進(jìn)料濃度調(diào)反響器溫度圖17-34 用載熱體流量調(diào)溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制51圖17-35 用旁路調(diào)溫

19、度圖17-36 用改動(dòng)段間冷氣量調(diào)溫度圖17-37 用改動(dòng)段間蒸汽量調(diào)溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制四、流化床反響器的自動(dòng)控制52圖17-38 流化床反響器原理表示圖圖17-39 改動(dòng)入口溫度調(diào)反響器溫度第四節(jié) 化學(xué)反響器的自動(dòng)控制53圖17-41 流化床差壓指示系統(tǒng)圖17-40 改動(dòng)冷劑流量調(diào)溫度例題分析 1.試判別圖17-42(a)、(b)控制方案能否正確。圖17-42 泵的控制方案54例題分析解：要分析圖17-42所示控制方案能否正確,首先必需了解離心泵和往復(fù)泵的特性。 圖17-42(a)是離心泵的流量控制方案。為了控制出口流量的大小,控制閥普通應(yīng)該直接裝在出口管線上。這是由于離心泵吸

20、入高度是有限的,假設(shè)控制閥裝在吸入管線上,會(huì)產(chǎn)生壓降,這樣一來(lái),進(jìn)口端壓力就有能夠過(guò)低,由于液體氣化,使泵失去排液才干,這叫氣縛?；蛘邏旱匠隹诙擞旨彼倮淠?沖蝕厲害,這叫氣蝕。這兩種情況都要防止發(fā)生。所以控制閥普通不應(yīng)安裝在離心泵的入口管線上。 55例題分析 圖17-42(b)為往復(fù)泵出口流量控制方案。從往復(fù)泵的特性來(lái)看,只需轉(zhuǎn)速一定,排出的流量是根本不變的。因此采用出口節(jié)流的方法來(lái)控制出口流量是不行的。56例題分析2.圖17-43所示的加熱器,假設(shè)兩側(cè)無(wú)相變,載熱體流量很大,且進(jìn)出口溫差(T20-T21)很小時(shí),采用圖示溫控方案能否合理?圖17-43 加熱器控制方案57例題分析解：從分析對(duì)象(加熱器)的靜態(tài)特性來(lái)看，采用圖示控制方案是不合理的。 設(shè)載熱體流量為F2，摩爾熱容為C2，冷流體流量為F1，摩爾熱容為C1。為了弄清主要問(wèn)題，對(duì)圖17-43所示加熱器可忽略一些次要要素(如熱損失等)，那么可列出