化工過程控制

化工流程的自動控制儀表和計算機自動控制系統(tǒng)在化工過程中發(fā)揮著重要作用。強化化工流程的自動控制，是化工生產(chǎn)過程的發(fā)展趨勢和方向。化工流程自動化控制的優(yōu)點：①、提高關(guān)鍵工藝參數(shù)的操作精度，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量或收率；②、保證化工流程安全、穩(wěn)定的運行；③、對間歇過程，還可減少批間差異，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和重復性；④、降低工人的勞動強度，減少人為因素對化工生產(chǎn)過程的影響；“CAC”－－－ComputerAidedControl“CAO”－－－ComputerAidedOperation化工流程中經(jīng)常需要控制的部分工藝變量（參數(shù)）：溫度壓力流量液位攪拌轉(zhuǎn)速PH值濁度、粘度、各種組份濃度對一個化工流程進行控制人工控制儀表和計算機控制（自動控制）自動控制是在人工控制的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，由檢測儀表、計算機裝置、自控閥門組成的自動控制系統(tǒng)分別代替人的眼睛觀察、大腦判斷決策、手動操作。計算機自動控制系統(tǒng)示意圖化工過程（或化工設(shè)備）一次儀表二次儀表（物理量）（變送器）計算機控制裝置4～20mA0～5V執(zhí)行機構(gòu)（自控閥門）計算機自動控制系統(tǒng)儀表（一次和二次儀表）計算機控制裝置動作機構(gòu)（自控閥門）計算機主機（硬件、軟件）A/D、D/A（模入、模出）控制軟件（平臺軟件及二次開發(fā)的控制應(yīng)用軟件）化工流程自控儀表的一些圖形符號：自控參量代號：T——溫度F——流量P——壓力或真空度L——物位C——濃度pH——氫離子濃度A——分析V——黏度M——攪拌轉(zhuǎn)速自控功能代號：I——指示 C——控制 Q——累積J——記錄X——信號 T——調(diào)節(jié)L——聯(lián)鎖A——報警R——人工遙控

表示將位號為101的流量信號引入計算機自控系統(tǒng)，顯示并控制該值。表示在設(shè)備附近就地加裝儀表顯示溫度101，而不引入計算機自控系統(tǒng)。FIC101TI101例如：8.1化工流程自控控制的一些基本概念一、自動控制術(shù)語TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水要求：熱流股溫度控制在80±1℃1、被控對象（被控過程、被控設(shè)備）TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水定義：需要實現(xiàn)自動控制的生產(chǎn)流程（過程）或設(shè)備。上述例子中，被控對象就是換熱器。2、被控變量（被控參數(shù)）定義：被控對象中需要保持規(guī)定數(shù)值的物理量。上述例子中，熱流股的溫度。TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水3、控制變量（操縱變量）定義：受執(zhí)行裝置（自控閥門）操縱，用來使被控變量保持在設(shè)定值的某個物理量。上述例子中，加熱蒸汽的流量。4、干擾變量（擾動變量）定義：除控制變量以外，作用于被控對象，并可能引起被控變量發(fā)生變化的一些物理量。上述例子中，加熱蒸汽的壓力（溫度）、冷流股的流量及溫度。TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水5、設(shè)定值與控制精度設(shè)定值－－－被控變量的工藝規(guī)定值。（注意：對開環(huán)控制系統(tǒng)，控制變量也可以有設(shè)定值。）控制精度－－－設(shè)定值允許的波動范圍。上述例子中，熱流股的溫度要求控制在80±1℃。80℃就是被控變量的設(shè)定值，±1℃就是對熱流股溫度的控制精度要求。對連續(xù)過程，設(shè)定值是一個定值溫度（℃）時間80溫度（℃）時間對間歇過程，設(shè)定值也可以是一個隨時間而變的曲線（時變曲線）TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水6、控制偏差差控制偏差－－－－被控變量量的設(shè)定值與與其實際測量量值之差。上述例子中，，熱流股的溫溫度要求控制制在80±1℃。如果果實際檢測為為80.6℃℃，那么0.6℃就是是控制偏差。。偏差在控制精精度以內(nèi)－－－－控制有效效（成功控制制），如80.9℃偏差在控制精精度以外－－－－控制失控控，如81.2℃控制失效的原原因有多種。。二、控制系統(tǒng)統(tǒng)類型計算機自動控控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)TI換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水1、開環(huán)控制制系統(tǒng)人工預先給定定蒸汽流量值值計算機控制裝裝置TI換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水FI2、閉環(huán)控制制系統(tǒng)TIC換熱器冷流股熱流股加熱蒸汽冷凝水閉環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)作用原理：：通過被控變量量的檢測值與與其設(shè)定值的的偏差（包括括偏差正負方方向），反過過來通過計算算機控制裝置置對控制變量量進行操縱調(diào)調(diào)節(jié)。開環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)與閉環(huán)控制制系統(tǒng)的幾點點顯著區(qū)別：：①、閉環(huán)控制制系統(tǒng)是按被被控變量的檢檢測值與其設(shè)設(shè)定值的偏差差去操縱（影影響）控制變變量；而開環(huán)控制系系統(tǒng)是按照控控制變量本身身的設(shè)定值或或干擾變量的的大小去操縱縱（影響）控控制變量。②、閉環(huán)控制制系統(tǒng)在被控變量控控制裝置置控控制變量之間形成了相相互影響的回回路。即：控制變量量可以改變到到被控變量，，反過來，被被控變量的信信息有可以指指導控制變量量的調(diào)節(jié)。而開環(huán)控制系系統(tǒng)不存在此此相互影響的的回路。③、閉環(huán)控制制系統(tǒng)必須有有被控變量的的檢測，而開開環(huán)控制系統(tǒng)統(tǒng)可以沒有被被控變量的檢檢測?；ち鞒痰目乜刂葡到y(tǒng)類型型，絕大多數(shù)數(shù)為閉合控制制系統(tǒng)。關(guān)于化工流程程控制回路的的控制算法（（控制器算法法）◆普通固定PID算法；；◆自校正PID算法；◆自適應(yīng)控制制算法；◆自校正控制制算法；◆模糊（FUZZY）控控制算法；◆專家控制系系統(tǒng)算法；在化工流程的的實際控制中中，經(jīng)常遇到到一些干擾變量多、、大滯后等問題，對控控制回路的控控制算法提出出了挑戰(zhàn)?！簟刂埔鬄榱诉_到設(shè)計計的各項要求求，必須對生生產(chǎn)裝置進行行連續(xù)的監(jiān)視視和控制?？乜刂葡到y(tǒng)應(yīng)滿滿足兩項基本本要求：抑止外部擾動動的影響使過程在優(yōu)化化的工況下操操作控制要求為了達到設(shè)計計的各項要求求，必須對生生產(chǎn)裝置進行行連續(xù)的監(jiān)視視和控制。控控制系統(tǒng)應(yīng)滿滿足兩項基本本要求：抑止外部擾動動的影響擾動—外界因因素變化如原原料和公用工工程流量、溫溫度和壓力的的波動對系統(tǒng)統(tǒng)的影響。干擾不可避免免過程變量x，如溫度、、壓力、流量量、濃度等，，在受到外部部因素影響時時，可能有兩兩種變化：穩(wěn)定系統(tǒng)的響響應(yīng)特性（1）穩(wěn)定系系統(tǒng)——在開開始時受到外外界的影響而而波動，但隨隨時間的變化化，x無需需外界干預就就能穩(wěn)定，即即不需要利用用控制機構(gòu)就就能回復到初初值。過程變量x，如溫度、、壓力、流量量、濃度等，，在受到外部部因素影響時時，可能有兩兩種變化：（1）穩(wěn)定系系統(tǒng)——在開開始時受到外外界的影響而而波動，但隨隨時間的變化化，x無需需外界干預就就能穩(wěn)定，即即不需要利用用控制機構(gòu)就就能回復到初初值。（2）不穩(wěn)定定系統(tǒng)——受受到外界的影影響不能隨著著時間的變化化恢復原狀。。不穩(wěn)定系統(tǒng)的的一種響應(yīng)特特性設(shè)在冷卻夾套套的連續(xù)攪拌拌反應(yīng)釜中，，進行串聯(lián)反反應(yīng):副反應(yīng)為放熱熱反應(yīng)，其放放熱量通過器器壁傳給夾套套中的冷劑。。通過分析，，可知反應(yīng)放放熱量可用釜釜溫T的S形形函數(shù)A來來表示，而而冷劑吸收的的熱量是釜溫溫T的線性性函數(shù)B?？刂埔鬄榱诉_到設(shè)計計的各項要求求，必須對生生產(chǎn)裝置進行行連續(xù)的監(jiān)視視和控制?？乜刂葡到y(tǒng)應(yīng)滿滿足兩項基本本要求：抑止外部擾動動的影響使過程在優(yōu)化化的工況下操操作設(shè)在某氣固催催化反應(yīng)，其其催化劑失活活迅速，需定定期切換，副副反應(yīng)的活化化能高于主反反應(yīng)。反應(yīng)器器全年利潤：：——每年反應(yīng)應(yīng)器再生次數(shù)數(shù)——操作周期期若反應(yīng)器高溫溫操作：反應(yīng)選擇性低低，原料消耗耗費用增加；；應(yīng)采用變溫操操作，在操作作周期內(nèi)逐步步升溫。反應(yīng)速度低，，產(chǎn)率低；同同樣產(chǎn)量，催催化劑再生費費用增加若反應(yīng)器低溫溫操作：最優(yōu)化控制控制系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計要點及步步驟例如，苯（B)和乙烯烯（E）氣相相烴化的反應(yīng)應(yīng)方程式如下下：確定達到設(shè)計計要求所需測測量的參數(shù)乙苯二乙苯二甲苯甲苯反應(yīng)采用的催催化劑較易失失活，若苯過過量能減緩催催化劑的失活活并能提高反反應(yīng)的選擇性性。試決定需需測量的參數(shù)數(shù)。苯和乙烯氣相相烷基化流程程圖(1)產(chǎn)品數(shù)數(shù)量：生產(chǎn)過程的產(chǎn)產(chǎn)品是乙苯，，決定乙苯數(shù)數(shù)量的控制因因素是原料乙烯的流量。。為了計量目目的，應(yīng)測量量乙苯的流量量；為了控制制的目的應(yīng)測測量乙烯的進進料量。苯和乙烯氣氣相烷基化流流程圖(1)產(chǎn)品數(shù)數(shù)量：生產(chǎn)過程的產(chǎn)產(chǎn)品是乙苯，，決定乙苯數(shù)數(shù)量的控制因因素是原料苯的流量。為為了計量目的的，應(yīng)測量乙乙苯的流量；；為了控制的的目的應(yīng)測量量乙烯的進料料量。(2)產(chǎn)品質(zhì)質(zhì)量：乙苯的質(zhì)量由由乙苯精餾塔塔塔頂產(chǎn)品的的組成決定。。為確保該組組成為預期值值，測量參數(shù)數(shù)有以下三種種方案：反饋控制前饋控制推斷控制反饋控制乙苯精餾塔產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量反饋饋控制------利用被控變變量的直接測測量值調(diào)節(jié)控控制變量前饋控制乙苯精餾塔產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量前饋饋控制-----利利用直接測量量的擾動來調(diào)調(diào)節(jié)被控制變變量的方法推斷控制乙苯精餾塔產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量推斷斷控制---利用塔塔板溫度與餾餾出液組成的的嚴格關(guān)系，，控制精餾塔塔塔頂出口組組成(3)安全：：為了防止燃燒燒與爆炸事故故，應(yīng)防止設(shè)設(shè)備的超溫和和超壓。對于反應(yīng)器R101應(yīng)測測量其進出口口溫度和床層層溫度，并設(shè)設(shè)置超溫報警警及緊急情況況下切斷乙烯烯進料的裝置置。對于精餾塔應(yīng)應(yīng)測量其塔頂頂或塔釜的壓壓力。(4)可操作作可操作的基本本要求是滿足足各個設(shè)備內(nèi)內(nèi)在的約束條條件。例如儲罐不應(yīng)應(yīng)溢流或抽空空，精餾塔不不應(yīng)液泛或漏漏液。因此，，應(yīng)設(shè)置儲罐罐V101，，V102，，V103的的液面測量，，精餾塔T102，T103的壓降降測量等措施施。(5)經(jīng)濟：：優(yōu)化控制設(shè)備備：例如反應(yīng)應(yīng)器R101的優(yōu)化控制制問題，是否否采用優(yōu)化控控制要根據(jù)可可能性和經(jīng)濟濟評價結(jié)論確確定；在乙烯、苯、、乙基苯、冷冷卻水總管、、蒸汽總管等等管道上設(shè)置置流量計，為為計算車間成成本提供所必必須的產(chǎn)量和和原料、輔助助材料以及公公用工程的消消耗量。重要要的流量計不不僅能提供和和顯示瞬間值值，而且有累累計功能。苯和乙烯氣相相烷基化流程程圖2)選擇控制制變量對于某個測量量參數(shù)，可能能有多個可任任意調(diào)節(jié)的輸輸入變量，需需選擇一個或或多個變量作作為控制變量量，即確定控控制方案。-----該該項工作是過過程控制的核核心內(nèi)容。若有多個方案案可供選擇而而定性分析不不能作出判斷斷時，則有必必要進行動態(tài)態(tài)模擬以得出出定量的結(jié)論論?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)設(shè)計要點及步步驟確定達到設(shè)計計要求所需測測量的參數(shù)2)選擇控制制變量控制系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計要點及步步驟確定達到設(shè)計計要求所需測測量的參數(shù)3)確定調(diào)節(jié)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用用的調(diào)節(jié)規(guī)律律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)節(jié)比例積分微分分調(diào)節(jié)3)確定調(diào)節(jié)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)規(guī)律比例調(diào)節(jié)按照被調(diào)參數(shù)數(shù)值與給定值值的偏差大小小和方向，發(fā)發(fā)出與偏差成成比例的控制制信號。例如：盤管加加熱器處于穩(wěn)穩(wěn)態(tài)工況下的的熱量平衡式式為：式中F、、Cp、、T1和T2分別是物料的的流量、密度度、熱容、進進口和槽內(nèi)溫溫度。Q為蒸蒸汽傳遞給物物料的熱量，，上標0表示示穩(wěn)定狀態(tài)。。若有外界干擾擾T1升高，如果不不改變Q，T2將隨著時間t逐漸升高高。設(shè)儲槽內(nèi)液體體體積穩(wěn)定為為V，則0要使偏差等于于0，需要按按照T2與T20的偏差調(diào)節(jié)Q。設(shè)控制規(guī)規(guī)律使Q的變變化與偏差T2-T20成比例，即比例增益比例反饋控制制的溫度響應(yīng)應(yīng)曲線比例調(diào)節(jié)不適適用于負荷變變化較大而又又不允許有殘殘余偏差的系系統(tǒng)。確定調(diào)節(jié)器的的調(diào)節(jié)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用用的調(diào)節(jié)規(guī)律律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)節(jié)比例積分微分分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)節(jié)是指它的輸輸出不是與偏偏差保持比例例關(guān)系，而與與偏差對時間間的積分保持持比例關(guān)系。。即：比例積分反饋饋控制的溫度度響應(yīng)曲線比例積分調(diào)節(jié)節(jié)不適用于純純滯后和慣性性滯后較大的的系統(tǒng)。比例積分調(diào)節(jié)節(jié)適用于負荷荷變化較大而而又不允許有有殘余偏差的的系統(tǒng)。確定調(diào)節(jié)器的的調(diào)節(jié)規(guī)律目前廣泛應(yīng)用用的調(diào)節(jié)規(guī)律律有三種：比例調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)節(jié)比例積分微分分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)規(guī)律律是：與比例積分調(diào)調(diào)節(jié)相結(jié)合，，如果微分時時間選擇恰當當，能提高慣慣性滯后較大大的對象的調(diào)調(diào)節(jié)品質(zhì)，提提高系統(tǒng)的穩(wěn)穩(wěn)定性。第七章過過程控制控制要求：簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計要點及步步驟復雜調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)抑制外部擾動動，使過程在在優(yōu)化的狀態(tài)態(tài)下操作壓力控制液液位控制溫溫度控制制流量控制制串級控制分分程控制超超馳控制前前饋控制制簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制壓力控制有大量不凝氣氣體的精餾塔塔壓力控制控制排放量調(diào)節(jié)下游壓縮縮機轉(zhuǎn)速壓力控制的方方式取決于過過程特征壓力控制有少量不凝氣氣體的精餾塔塔壓力控制，，可采用改變變塔頂蒸汽冷冷凝量的方法法：調(diào)節(jié)冷劑的流流量；壓力控制有少量不凝氣氣體的精餾塔塔壓力控制，，可采用改變變塔頂蒸汽冷冷凝量的方法法：調(diào)節(jié)冷劑的流流量；當不允許調(diào)節(jié)節(jié)冷劑流量時時，可接三通通使一部分冷冷劑不進入冷冷凝器；簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制液位控制氣液兩相的界界面控制，通通常有三種控控制方案：用溢流保持液液面恒定；液位控制氣液兩相的界界面控制，通通常有三種控控制方案：用溢流保持液液面恒定；用出料控制液液面穩(wěn)定；液位控制氣液兩相的界界面控制，通通常有三種控控制方案：用溢流保持液液面恒定；用出料控制液液面穩(wěn)定；用進料控制液液面穩(wěn)定；液位控制兩個液相的界界面控制：對臥式容器液位控制兩個液相的界界面控制：對立式容器液位控制液相與其他參參數(shù)的交叉控控制：例如精餾塔塔塔釜液位受再再沸器內(nèi)供熱熱影響較大，，液位對塔釜釜排出量調(diào)節(jié)節(jié)不靈敏時，，應(yīng)采用交叉叉控制。簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)統(tǒng)壓力控制液位控制溫度控制流量控制溫度控制熱交換器溫度度控制——也也即傳熱量Q的控制——傳熱面積積；——傳熱溫差差；——傳熱系數(shù)；在正常的物流流流量和溫度度范圍內(nèi)變化化很少傳熱量Q的控控制可通過調(diào)調(diào)節(jié)換熱面積積A和傳傳熱溫差T來實現(xiàn)。。溫度度控控制制熱交交換換器器溫溫度度控控制制————也也即即傳傳熱熱量量Q的的控控制制無相相變變換換熱熱器器通通過過改改變變冷冷（（熱熱））介介質(zhì)質(zhì)或或物物料料的的流流量量調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)物物料料出出口口溫溫度度。。a)控控制制冷冷熱熱媒媒流流量量b)冷冷熱熱媒媒流流量量旁旁通通c)改改變變物物料料流流量量溫度度控控制制熱交交換換器器溫溫度度控控制制————也也即即傳傳熱熱量量Q的的控控制制有相相變變換換熱熱器器，，若若壓壓力力不不可可調(diào)調(diào)，，則則溫溫差差一一定定，，溫溫度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)可可通通過過改改變變換換熱熱面面積積實實現(xiàn)現(xiàn)；；若若壓壓力力可可調(diào)調(diào)，，如如使使用用蒸蒸汽汽加加熱熱，，可可通通過過改改變變蒸蒸汽汽壓壓力力，，即即冷冷凝凝溫溫度度的的辦辦法法來來調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)物物料料溫溫度度。。a)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)蒸蒸汽汽壓壓力力溫度度控控制制熱交交換換器器溫溫度度控控制制————也也即即傳傳熱熱量量Q的的控控制制有相相變變換換熱熱器器，，如如使使用用蒸蒸汽汽加加熱熱，，若若物物料料溫溫度度低低，，且且熱熱負負荷荷低低時時，，蒸蒸汽汽冷冷凝凝溫溫度度低低于于1000C,壓壓力力低低于于飽飽和和蒸蒸汽汽壓壓力力，，可可將將調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥裝裝在在凝凝液液排排出出管管道道上上，，通通過過凝凝液液排排出出量量的的變變化化，，調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)有有效效傳傳熱熱面面積積。。b)調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)有有效效傳傳熱熱面面溫度度控控制制2））精精餾餾塔塔的的溫溫度度控控制制————若若在在線線組組分分分分析析技技術(shù)術(shù)復復雜雜，，靠靠人人工工分分析析又又不不能能及及時時得得到到控控制制信信息息，，可可用用溫溫度度控控制制代代替替質(zhì)質(zhì)量量控控制制。。a)精精餾餾段段回回流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)控控制制溫溫度度b)提提餾餾段段調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)蒸蒸汽汽量量控控制制溫溫度度溫度度控控制制2））精精餾餾塔塔的的溫溫度度控控制制————若若在在線線組組分分分分析析技技術(shù)術(shù)復復雜雜，，靠靠人人工工分分析析又又不不能能及及時時得得到到控控制制信信息息，，可可用用溫溫度度控控制制代代替替質(zhì)質(zhì)量量控控制制。。對于于一一個個精精餾餾塔塔，，精精餾餾段段和和提提餾餾段段兩兩者者中中只只能能采采用用一一個個溫溫度度控控制制，，下下列列情情況況可可采采用用提提餾餾段段溫溫度度控控制制：：塔底底產(chǎn)產(chǎn)品品純純度度要要求求比比塔塔頂頂產(chǎn)產(chǎn)品品的的高高；；精餾餾段段板板上上溫溫度度不不能能很很好好的的反反映映組組成成的的變變化化或或不不靈靈敏敏；；進料料為為液液相相，，進進料料的的溫溫度度或或組組成成的的波波動動對對提提餾餾段段的的影影響響較較精精餾餾段段更更迅迅速速和