熱工過程自動調(diào)節(jié)第5章典型控制方案

熱工過程自動調(diào)節(jié)典型控制方案

第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案一、離心泵的控制方案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(dāng)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(jié)果使流量回到給定值。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案4圖11-1改變泵出口阻力控制流量圖11-2泵的流量特性曲線與管路特性曲線

控制閥一般應(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）。注意第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案52.控制泵的轉(zhuǎn)速圖11-3改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量

圖11-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)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(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案63.控制泵的出口旁路圖11-4改變旁路閥控制流量

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(shí)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(jì)，因?yàn)榕月烽y消耗一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案二、往復(fù)泵的控制方案7

往復(fù)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(fù)滑行來輸送流體的。往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計(jì)算

（11-1）第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案81.改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速圖11-5改變轉(zhuǎn)速的方案

該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動機(jī)的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案92.控制泵的出口旁路圖11-6改變旁路流量

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(jì)性較差。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案103.改變沖程s

圖11-7往復(fù)泵的特性曲線

計(jì)量泵常用改變沖程s來進(jìn)行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進(jìn)行，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案三、壓氣機(jī)的控制方案11壓氣機(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)、壓縮機(jī)等類型。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案121.直接控制流量

對于低壓的離心式鼓風(fēng)機(jī)，一般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。其余情況下，為了防止出口壓力過高，通常在入口端控制流量。因?yàn)闅怏w的可壓縮性，所以這種方案對于往復(fù)式壓縮機(jī)也是適用的。為了減少阻力損失，對大型壓縮機(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)流體輸送設(shè)備的控制方案13圖11-8分程控制方案圖11-9分程閥的特性第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案142.控制旁路流量圖11-10控制壓縮機(jī)旁路方案

對于壓縮比很高的多段壓縮機(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。為了解決這個問題，可以在中間某段安裝控制閥，使其回到入口端，用一只控制閥可滿足一定工作范圍的需要。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案153.調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

壓氣機(jī)的流量控制可以通過調(diào)節(jié)原動機(jī)的轉(zhuǎn)速來達(dá)到，這種方案效率最高，節(jié)能最好。

問題在于調(diào)速機(jī)構(gòu)一般比較復(fù)雜，沒有前兩種方法簡便。第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案四、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制161.離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振現(xiàn)象圖11-11離心式壓縮機(jī)特性曲線圖11-12喘振現(xiàn)象示意圖第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案17

喘振是出現(xiàn)壓縮機(jī)工作點(diǎn)這種反復(fù)迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計(jì)和壓力表的指針大幅度擺動。喘振是離心式壓縮機(jī)固有的特性。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。

第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案2.防喘振控制方案（1）固定極限流量法

對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量QB，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機(jī)吸入流量的最小值QP，且有QP＜QB。圖11-13防喘振旁路控制18第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案（2）可變極限流量法

圖11-14防喘振曲線

圖11-14上的喘振極限線是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機(jī)特性曲線的最高點(diǎn)的連線。只要壓縮機(jī)的工作點(diǎn)在喘振極限線的右側(cè)，就可以避免喘振發(fā)生。19第一節(jié)流體輸送設(shè)備的控制方案21圖11-15變極限流量防喘振控制方案

該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過運(yùn)算得到的，因此能根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)荷變化的情況隨時調(diào)整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運(yùn)算部分放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案221.控制載熱體的流量圖11-16改變載熱體流量控制溫度

圖11-16表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。若不考慮傳熱過程中的熱損失第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制24圖11-17換熱器串級控制系統(tǒng)

如果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控制系統(tǒng)。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制252.控制載熱體旁路流量圖11-18用載熱體旁路控制溫度

采用三通控制閥來改變進(jìn)入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進(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。旁路的流量一般不用直通閥來直接進(jìn)行控制，因?yàn)樵趽Q熱器內(nèi)部流體阻力小的時候，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。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制263.控制被加熱流體自身流量圖11-19用介質(zhì)自身流量控制溫度

只能用在工藝介質(zhì)的流量允許變化的場合。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制274.控制被加熱流體自身流量的旁路圖11-20用介質(zhì)旁路控制溫度

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，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制二、載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動控制28

在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200℃以上或30℃以下時，常采用一些有機(jī)化工物作為載熱體。這種傳熱過程分兩段進(jìn)行，先冷凝后降溫。

當(dāng)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)傳熱設(shè)備的自動控制29

當(dāng)被加熱介質(zhì)的出口溫度t2為被控變量時，常采用下述兩種控制方案。1.控制蒸汽流量圖11-21用蒸汽流量控制溫度

通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當(dāng)閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制302.控制換熱器的有效換熱面積圖11-22用凝液排出量控制溫度圖11-23溫度-液位串級控制系統(tǒng)圖11-24溫度-流量串級控制系統(tǒng)第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制31兩種方案比較控制蒸汽流量法優(yōu)點(diǎn)：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺點(diǎn)：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100℃以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負(fù)壓，造成冷凝液的排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制32控制換熱器的有效換熱面積法缺點(diǎn)：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點(diǎn)：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學(xué)變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽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。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制三、冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制331.控制冷卻劑的流量圖11-25用冷卻劑流量控制溫度

該方案不以液位為被控變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機(jī)的操作事故。這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制，當(dāng)液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷。

第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制342.溫度與液位的串級控制圖11-26溫度-液位串級控制

該方案的實(shí)質(zhì)是改變傳熱面積。但采用了串級控制，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。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制353.控制汽化壓力圖11-27用汽化壓力控制溫度工作原理

基于當(dāng)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(yīng)的汽化溫度也就改變了。第二節(jié)傳熱設(shè)備的自動控制36

這種方案控制作用迅速，只要汽化壓力稍有變化，就能很快影響汽化溫度，達(dá)到控制工藝介質(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)氣氨壓力由于整個制冷系統(tǒng)的統(tǒng)一要求不能隨意加以控制時，這個方案就不能采用了。第三節(jié)精餾塔的自動控制一、工藝要求371.保證質(zhì)量指標(biāo)

對于一個正常操作的精餾塔，一般應(yīng)當(dāng)使塔頂或塔底產(chǎn)品中的一個產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的純度要求，另一個產(chǎn)品的成分亦應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為此，應(yīng)當(dāng)取塔頂或塔底的產(chǎn)品質(zhì)量作被控變量，這樣的控制系統(tǒng)稱為質(zhì)量控制系統(tǒng)。質(zhì)量控制系統(tǒng)需要能測出產(chǎn)品成分的分析儀表。

第三節(jié)精餾塔的自動控制382.保證平穩(wěn)操作

為了保證塔的平穩(wěn)操作，必須把進(jìn)塔之前的主要可控干擾盡可能預(yù)先克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。為了維持塔的物料平衡，必須控制塔頂餾出液和釜底采出量，使其之和等于進(jìn)料量，而且兩個采出量變化要緩慢，以保證塔的平穩(wěn)操作。塔內(nèi)的持液量應(yīng)保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。控制塔內(nèi)壓力穩(wěn)定，對塔的平穩(wěn)操作是十分必要的。第三節(jié)精餾塔的自動控制393.約束條件

為保證正常操作，需規(guī)定某些參數(shù)的極限值為約束條件。第三節(jié)精餾塔的自動控制404.節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性

在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在質(zhì)量指標(biāo)一定的前提下，應(yīng)在控制過程中使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，同時能量消耗盡可能低一些。第三節(jié)精餾塔的自動控制二、精餾塔的干擾因素41圖11-28精餾塔的物料流程圖1.進(jìn)料流量F的波動（＊）2.進(jìn)料成分ZF的變化（＊）3.進(jìn)料溫度TF及進(jìn)料熱焓QF的變化4.再沸器加熱劑（如蒸汽）加入熱量的變化5.冷卻劑在冷凝器內(nèi)除去熱量的變化6.環(huán)境溫度的變化第三節(jié)精餾塔的自動控制三、精餾塔的控制方案421.精餾塔的提餾段溫控圖11-29提餾段溫控的控制方案示意圖

如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為提餾段溫控。

第三節(jié)精餾塔的自動控制43提餾段溫控的主要特點(diǎn)與使用場合：

（1）采用了提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，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，就能較好地保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到規(guī)定值。（2）當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時，用提餾段溫控就比較及時，動態(tài)過程也比較快。第三節(jié)精餾塔的自動控制442.精餾塔的精餾段溫控

如果采用以精餾段溫度作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接指標(biāo)，而以改變回流量作為控制手段的方案，就稱為精餾段溫控。圖11-30精餾段溫控的控制方案示意圖第三節(jié)精餾塔的自動控制45精餾段溫控的主要特點(diǎn)與使用場合：

①采用了精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，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)格時，一般宜采用精餾段溫控方案。②如果干擾首先進(jìn)入精餾段，采用精餾段溫控就比較及時。第三節(jié)精餾塔的自動控制46

在采用精餾段溫控或提餾段溫控時，當(dāng)分離的產(chǎn)品較純時，由于塔頂或塔底的溫度變化很小，對測溫儀表的靈敏度和控制精度都提出了很高的要求，但實(shí)際上卻很難滿足。解決這一問題的方法，是將測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)精餾塔的自動控制473.精餾塔的溫差控制及雙溫差控制

采用溫差作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接變量，是為了消除塔壓波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。圖11-31ΔT-x曲線溫差與產(chǎn)品純度之間并非單值關(guān)系。第三節(jié)精餾塔的自動控制48圖11-32雙溫差控制方案

雙溫差控制就是分別在精餾段及提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號（即控制系統(tǒng)的被控變量）。第三節(jié)精餾塔的自動控制494.按產(chǎn)品成分或物性的直接控制方案

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)品成分的直接指標(biāo)控制。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制一、化學(xué)反應(yīng)器的控制要求501.質(zhì)量指標(biāo)

化學(xué)反應(yīng)器的質(zhì)量指標(biāo)一般指反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率或反應(yīng)生成物的規(guī)定濃度。顯然，轉(zhuǎn)化率應(yīng)是被控變量，但轉(zhuǎn)化率不能直接測量，就只能選幾個與它有關(guān)的參數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算去間接地控制它。如聚合釜出口溫差控制與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系為當(dāng)進(jìn)料濃度一定時，轉(zhuǎn)化率與溫差成正比，此時就以溫差為被控變量來控制轉(zhuǎn)化率。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制51注意：以溫度、壓力等工藝變量作為間接控制指標(biāo)，有時并不能保證質(zhì)量穩(wěn)定。當(dāng)有干擾作用時，轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)生成物組分等仍會受到影響。特別是在有些反應(yīng)中，溫度、壓力等工藝變量與生成物組分間不完全是單值對應(yīng)關(guān)系，這就需要不斷地根據(jù)工況變化去改變溫度控制系統(tǒng)的給定值。在有催化劑的反應(yīng)器中，由于催化劑的活性變化，溫度給定值也要隨之改變。第四節(jié)反應(yīng)器的自動控制522.物料平衡

為使反應(yīng)正常，轉(zhuǎn)化率高，要求維持進(jìn)入反應(yīng)器的各種物料量恒定，配比符合要求。為此，在進(jìn)入反應(yīng)器之前，往往采用流量定值控制或比值控制。3.約束條件

對于反應(yīng)器，要防止工藝變量進(jìn)入危險區(qū)域或不正常工況，應(yīng)當(dāng)配備一些報警、聯(lián)鎖裝置或設(shè)置取代控制系統(tǒng)，當(dāng)工藝參數(shù)超出正常范圍時，就發(fā)出告警信號；或當(dāng)接近危險區(qū)域時，將某些閥門打開、切斷或保持在限定位置等。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制二、釜式反應(yīng)器的溫度自動控制531.控制進(jìn)料溫度圖11-33改變進(jìn)料溫度控制釜溫反應(yīng)溫度的測控是實(shí)現(xiàn)釜式反應(yīng)器最佳操作的關(guān)鍵問題，改變進(jìn)料溫度，即將引進(jìn)的熱量發(fā)生變化，從而讓反應(yīng)釜的溫度發(fā)生改變。第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制542.改變傳熱量

由于大多數(shù)反應(yīng)釜均有傳熱面，以引入或移去反應(yīng)熱，所以用改變引入傳熱量多少的方法就能實(shí)現(xiàn)溫度控制。右圖是一帶夾套的反應(yīng)釜，當(dāng)釜內(nèi)溫度發(fā)生改變時，可用改變加熱劑或冷卻劑流量的方法控制釜內(nèi)溫度。圖11-34改變加熱劑或冷卻劑流量控制釜溫第四節(jié)反應(yīng)器的自動控制553.串級控制為了針對反應(yīng)釜滯后較大的特點(diǎn)，可采用串級控制方案。圖11-35釜溫與冷劑流量串級控制示意圖第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制56圖11-36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系統(tǒng)示意圖第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制三、固定床反應(yīng)器的自動控制57

固定床反應(yīng)器是指催化劑床層固定于設(shè)備中不動的反應(yīng)器，流體原料在催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以生成所需反應(yīng)物。固定床反應(yīng)器的溫度控制非常重要，那么溫度控制時，檢測點(diǎn)的位置的選擇必須正確，以便及時、真實(shí)地反映整個催化劑床層溫度的變化，而多段的催化劑床層往往有要求分段進(jìn)行溫度控制，以使操作更趨合理化。常見的溫度控制方案有：

改變進(jìn)料濃度改變進(jìn)料溫度改變段間進(jìn)入的冷氣量第四節(jié)反應(yīng)器的自動控制58圖11-38改變進(jìn)料濃度控制反應(yīng)器溫度圖11-39用載熱體流量控制溫度第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制59圖11-40用旁路控制溫度圖11-41用改變段間冷氣量控制溫度圖11-42用改變段間蒸汽量控制溫度第四節(jié)化學(xué)反應(yīng)器的自動控制四、流化床反應(yīng)器的自動控制60圖11-43流化床反應(yīng)器原理示意圖圖11-44改變?nèi)肟跍囟瓤刂品磻?yīng)器溫度第四節(jié)反應(yīng)器的自動控制61圖11-45改變冷劑流量控制溫度圖11-46流化床差壓指示系統(tǒng)第五節(jié)生化過程的控制一、常用生化過程控制621.發(fā)酵罐溫度控制

一般發(fā)酵過程均為放熱過程，溫度多數(shù)要求控制在30～50℃（±0.5℃）。過程操縱變量為冷卻水量，一般不需加熱（特別寒冷地區(qū)除外）。圖11-47發(fā)酵罐溫度控制第五節(jié)生化過程的控制632.通氣流量、罐壓和攪拌轉(zhuǎn)速控制圖11-48發(fā)酵罐攪拌轉(zhuǎn)速、罐壓（或流通氣量）控制