過程控制技術-第七章 典型單元的基本控制方案

過程控制技術典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案工業(yè)生產過程是由一系列基本單元操作的設備所組成的生產線來進行的，這些單元的操作主要有動量傳遞過程、傳熱過程、傳質過程和化學反應過程，單元操作的控制方案的確定是實現生產過程自動化的重要環(huán)節(jié)。要確定出一個好的控制方案,必須深入了解生產工藝,按照單元設備的內在機理來探討其自動控制方案。本章主要從自動控制的角度出發(fā)，選擇一些典型的生產過程操作單元為例，根據對象的特性和控制的要求，分析典型操作單元中具有代表性的設備的基本控制方案，從中闡明確定控制方案的共性原則和方法，以便從中更廣泛地獲取一些應用過程控制技術的經驗。7典型單元的基本控制方案

7.1流體輸送設備的控制在工業(yè)生產過程中，各種物料多數是在連續(xù)流動狀態(tài)下進行傳熱過程、傳質過程或者是化學反應過程。為了使物料便于輸送、控制，多數是以氣態(tài)或液態(tài)方式在管道內流動。流體的輸送是一個動量傳遞過程，流體在管道內流動是從泵或壓縮機等流體輸送設備的運行中獲得能量，以克服流動阻力。泵是液體的輸送設備，壓縮機則是氣體的輸送設備。7典型單元的基本控制方案流體輸送設備的基本任務是輸送流體和提高流體的壓頭。在連續(xù)性的工業(yè)生產過程中，除了某些特殊情況如泵的啟停、壓縮機的程序控制和信號聯鎖保護外，對流體輸送設備的控制多數是屬于流量或壓力控制，如簡單控制、比值控制或流量作為副環(huán)的串級控制等。此外，還有為保護輸送設備不被損壞的一些控制方案，如離心壓縮機的“防喘振”控制。7典型單元的基本控制方案7.1.1離心泵的控制方案離心泵是最常見的液體輸送設備。它的壓頭是由旋轉翼輪作用于液體的離心力而產生的。轉速越高則離心力越大，壓頭也就越高。泵的壓頭H、排量Q、和轉速n、之間的函數關系，稱為泵的特性，可用如圖7-1來表示。（圖中：n3<n2<n1）7典型單元的基本控制方案離心泵的特性也可用下列經驗公式來表示：H=K1n2-K2Q27典型單元的基本控制方案控制離心泵的閥門開度通過控制離心泵出口閥門開啟度來控制流量的方法如圖7-2所示。當干擾作用使被控變量發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號指揮控制閥動作，控制結果使得流量回到給定值上。7典型單元的基本控制方案當控制閥開啟度發(fā)生變化時，由于泵的轉速是恒定的，所以離心泵的特性沒有改變，但管路上的阻力卻發(fā)生了變化，即管路特性曲線不再是曲線1，隨著控制閥的關小，可能變?yōu)榍€2或曲線3了。工作點就由C1移向C2或C3，出口流量也由Q1改變?yōu)镼2或Q3，如圖7-3所示。以上就是通過控制離心泵的出口控制閥開啟度來改變排出流量基本原理。7典型單元的基本控制方案采用本控制方案時，要注意控制閥一般應該安裝在泵的出口管路上，而不應該安裝在泵的吸入管路上，否則由于控制閥節(jié)流作用可能會使流體出現“氣縛”及“氣蝕”現象。如果泵的進口壓力過低而使液體部分汽化，使泵喪失排送能力，這叫氣縛。液體夾帶著蒸汽壓到出口又急劇地冷凝，沖蝕著翼輪和泵殼，這叫汽蝕。這兩種現象會對泵的正常運行造成不良影響并且影響泵的使用壽命。7典型單元的基本控制方案控制離心泵的轉速當離心泵的轉速改變時，泵的流量特性曲線會發(fā)生改變。這種控制方案以改變泵的特性曲線，移動工作點，來達到控制流量的目的。如圖7-4表示這種控制方案及泵特性變化改變工作點的情況。7典型單元的基本控制方案改變泵的轉速以控制流量的方法有：用電動機作原動機時，采用變頻調速裝置；用汽輪機作原動機時，可調節(jié)導向葉片角度或蒸汽流量；也可利用在原動機與離心泵之間的聯軸變速器，設法改變轉速比。采用這種控制方案時，在輸送管路上不需安裝控制閥，減少了管路阻力的損耗，泵的機械效率較高，所以在大功率的離心泵裝置中得到了應用。但要具體實現這種控制方案都比較復雜，所需設備費用亦較高。7典型單元的基本控制方案3.控制離心泵的出口旁路如圖7-5所示為改變旁路回流量的控制方案。它是在離心泵的出口與入口之間加一旁路管路，讓一部分排出流量重新回流到泵的入口。這種控制方式實質也是通過改變管路特性來達到控制流量的目的。顯然，采用這種控制方案必然有一部分能量損耗在旁路管路上，所以機械效率也是較低的。但是具有可采用小口徑控制閥的優(yōu)點，因此在實際生產過程中還有一定的應用。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.1.2往復泵的控制方案往復泵也是常見的流體輸送設備，多用于流量較小、壓頭要求較高的場合。它是利用活塞在氣缸中做往復運動來輸送流體的。往復泵提供的理論流量可按下面公式計算：Q理=60nFS（m3/h）7典型單元的基本控制方案從上述的計算公式中可清楚地得知，影響往復泵出口流量變化的僅有n、F、S三個參數，或者說只能通過改變n、F、S來控制流量。了解這一點對設計流量控制方案很有幫助。常用的往復泵流量控制方案有三種：改變原動機的轉速（圖7-6所示）控制泵的出口旁路（圖7-7所示）改變沖程S計量泵常用改變沖程S來進行控制流量。由于控制沖程的機構復雜，其他用途的往復泵很少選擇該方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案由于往復泵以及其它容積式泵均有一個共同的結構特點，即是泵的運動部件與機殼之間的間隙很小，液體不能在縫隙中流動，所以絕對不能采用出口處直接安裝控制閥節(jié)流的方法來控制流量，一旦出口處閥門關死，將可能造成泵損機毀的嚴重后果。7典型單元的基本控制方案7.1.3壓縮機的控制方案壓縮機和泵都是輸送流體的設備，其區(qū)別在于壓縮機是用來提高氣體的壓力，氣體是可以壓縮的，所以在操作時要考慮壓力對其密度的影響的因素。壓縮機的種類很多，按其工作原理的不同可分為離心式和往復式兩大類，按其進、出口壓力高低的差別可分為鼓風機、壓縮機等類型。在制定控制方案時必須要考慮到各自的特點。7典型單元的基本控制方案壓縮機的控制方案與離心泵的控制方案有很多相似之處，被控變量同樣是流量或壓力，控制手段一般可分為三類：直接控制流量對于低壓的離心式鼓風機，一般可在其出口處直接控制流量，氣體輸送的管徑通常都較大，執(zhí)行器可采用蝶閥。其它情況下，為了防止鼓風機出口壓力過高，可在入口端控制流量.因為氣體的可壓縮性，所以這種方案對于往復式壓縮機也是適用的。在控制閥關小時，會在壓縮機入口端引成負壓，這就意味著吸入同樣容積的氣體，其質量流量減少了。流量降低到額定值的50％~70％以下時，負壓嚴重而使壓縮機效率大為降低。這種情況下，可采用分程控制方案，如圖7-8所示。出口流量控制器控制著兩個控制閥。吸入閥1只能關小到一定開度，如果需要的流量還要小，則應打開旁路閥2，以避免入口端負壓嚴重。7典型單元的基本控制方案控制轉速壓縮機轉速的改變能使其出口的流量和壓力發(fā)生變化，控制轉速就能控制壓縮機的出口流量和壓力。這種控制方案從能量效率上說最經濟，但在設施上較復雜。大功率的風機，尤其用蒸汽透平帶動的大功率風機應用調速的方案較多?？刂婆月妨髁坑门月房刂苹亓鞯霓k法控制流量的方案與離心泵的一樣7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.1.4離心式壓縮機的防喘振控制離心式壓縮機的喘振現象離心式壓縮機的固有特性：當負荷降低到一定程度時，氣體的排送會出現強烈的震蕩而引發(fā)壓縮機劇烈振動，這種現象稱為喘振。壓縮機的喘振會嚴重損壞機體，進而產生嚴重的后果。壓縮機在喘振狀態(tài)下運行是不允許的，在生產過程中一定要防止喘振的發(fā)生。因此，在離心式壓縮機的控制方案中，防喘振控制是一個重要的課題。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案為什么會發(fā)生喘振呢？離心式壓縮機的特性曲線即壓縮比（P2/P1）與進口體積流量Q之間的關系曲線如圖7-9所示。圖中n是離心式壓縮機的轉速，由圖可知不同的轉速下每條曲線都有一個P2/P1值的最高點，連接每條曲線最高點的虛線是一條表征喘振的極限曲線。虛線左側的陰影部分是不穩(wěn)定區(qū)，稱為喘振區(qū)，虛線的右側為穩(wěn)定區(qū)，稱為正常運行區(qū)。若壓縮機的工作點在正常運行區(qū)，此時流量減小會提高壓縮比，流量增大會降低壓縮比。假設轉速為n2，正常流量為QA，如有某種干擾流量減小，結果壓縮比增加，即出口壓力P2增加，使壓縮機排出量增加，自衡作用使負荷回復到穩(wěn)定流量QA上。假如負荷繼續(xù)減小，使負荷小于QP時，7典型單元的基本控制方案即移動到P2/P1的最高點排出量繼續(xù)減小，壓力P2繼續(xù)下降，于是出現管網壓力大于壓縮機所能提供壓力的情況，瞬時會發(fā)生氣體倒流，接著壓縮機恢復到正常運行區(qū)，由于負荷還是小于QP，壓力被迫升高，重又把倒流進來的氣體壓出去，此后又引起壓縮比下降，出口的氣體又倒流。這種現象重復進行時，稱之為喘振。表現為壓縮機的出口壓力和出口流量劇烈波動，機器與管道振動，如果與機身相連的近網較小并嚴密，則可能聽到周期性的如同哮喘病人“喘氣”般的噪聲；而當管網容量較大時，喘振時會發(fā)生周期性間斷的吼叫聲，并伴隨有止逆閥的撞擊聲，這種現象將會使壓縮機及所連接的管網系統和設備發(fā)生強烈振動，甚至使壓縮機等設備遭到破壞。7典型單元的基本控制方案防喘振控制方案由上可知，離心式壓縮機產生喘振現象的主要原因是由于負荷降低，排氣量小于極限流量值QP而引起的，只要使壓縮機的吸氣量大于或等于在工況下的極限排氣量即可防止喘振。工業(yè)生產過程中常用的控制方案有固定極限流量法和可變極限流量法兩種，現簡述如下：7典型單元的基本控制方案固定極限流量法對于工作在一定轉速下的離心式壓縮機，都有一個進入喘振區(qū)的極限流量QP，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的最小值QP，且有QP<QA。固定極限流量法防喘振控制的目的就是在當負荷變化時，始終保證壓縮機的入口流量QA不低于QP值。圖7-10所示是一種最簡單的固定極限法防喘振控制方案，這種控制方案與壓縮機旁路控制方案在形式上相同，但其控制目的、測量的位置不一樣。在這種方案中，測量點在壓縮機的吸入管線上，流量控制器的給定值為QP，當壓縮機的排氣量因負荷變小且小于QP時，則開大旁路控制閥以加大回流量，保證吸入流量QA≥QP，從而避免喘振現象的產生。7典型單元的基本控制方案本方案結構簡單，運行安全可靠，投資費用較少，但當壓縮機的轉速變化時，如按高轉速取給定值，勢必在低轉速時給定值偏高，能耗過大；如按低轉速取給定值，則在高轉速時仍有因給定值偏低而使壓縮機產生喘振的危險。因此，當壓縮機的轉速不是恒值時，不宜采用這種控制方案。7典型單元的基本控制方案可變極限流量法當壓縮機的轉速可變時，進入喘振區(qū)的極限流量也是變化的。圖7-11所示的喘振極限線是對應于不同轉速時的壓縮機的特性曲線最高點的連線。只要壓縮機的工作點在喘振極限線的右側，就可以避免喘振的發(fā)生。但為了安全起見，實際工作點應控制在安全操作線的右側。安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示：P2/P1=a+bQ12/T1

7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-12就是根據式（7-7）所設計的一種防喘振的控制方案。壓縮機入口、出口壓力P1、P2經過測量、變送器以后送往加法器∑，得到（P2－aP1）信號，然后乘以系數γ/bK2，作為防喘振控制器FC的給定值。控制器的測量值是測量入口流量的壓差經過變送器后的信號。當測量值大于給定值時，壓縮機工作在正常運行區(qū)，旁路閥是關閉的；當測量值小于給定值時，這時需要打開旁路閥以保證壓縮機的入口流量不小于給定值。這種方案屬于可變極限流量法的防喘振控制方案，這時控制器的給定值是經過運算來獲得，因此該方案能根據壓縮機負荷變化的情況隨時調整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運算部分放在閉合回路之外，因此，該控制方案可像單回路流量控制系統那樣整定控制器的參數。過程控制技術傳熱設備的控制7典型單元的基本控制方案7.2傳熱設備的控制在工業(yè)生產過程中，傳熱設備主要是用來對物料進行加熱或冷卻來維持一定的溫度。傳熱設備的種類很多，主要有換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝器及加熱爐等。由于它們的傳熱目的不同，被控參數也不完全一樣。生產過程中進行傳熱的目的主要有以下三種：使物料達到規(guī)定的溫度；使物料改變相態(tài)；回收熱量。7典型單元的基本控制方案7.2.1換熱器的控制換熱器操作的目的是為了使生產過程中的物料加熱或冷卻到一個工藝要求的溫度，自動控制的目的就是要通過改變換熱器的熱負荷以保證物料在換熱器出口溫度在工藝要求范圍內穩(wěn)定在給定值上。當換熱器兩側流體在傳熱過程中均無相變化時，一般采用下列幾種控制方案：7典型單元的基本控制方案控制載熱體的流量這個控制方案的控制流程如圖7-13所示，從傳熱的基本方程式和傳熱的速率方程式能說明這種控制方案的可行性。如果不考慮傳熱過程中的熱量損失，則熱流體失去的熱量應該等于冷流體獲得的熱量，可寫出下列熱量平衡方程式：Q=G1c1（T1-T2）=G2c2（t1-t2）7典型單元的基本控制方案由于冷熱流體間的傳熱既符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，因此有下列關系式：G2c2（t1-t2）=KFΔtm可改寫為：t2=KFΔtm/G2c2+t17典型單元的基本控制方案從上式可以判斷出，在傳熱面積F、冷流體進口流量G2溫度t1及比熱容c2一定的情況下，影響冷流體出口溫度t2的主要因素是傳熱系數K及平均溫差Δtm。控制載熱體流量實質上是改變了。假設由于某種原因使t2升高，控制器將會使閥門關小以減少載熱體的流量G1，從傳熱速率方程可以看出K、Δtm會同時減小，而使冷流體G2的出口溫度t2也下降回到給定值的控制要求。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制載熱體流量是換熱器操作中應用最為普遍的一種控制方案，多適用于載熱體流量變化對溫度影響較靈敏的場合。如果載熱流體的壓力不穩(wěn)定而成為主要干擾較嚴重地影響到被控參數的控制精度時，可采用以溫度t2為主參數、載熱體流量G1為副參數的串級控制系統的實施控制方案，力求達到工藝操作的要求。如圖7-14所示。7典型單元的基本控制方案控制載熱流體的旁路當載熱體是工藝物料，其流量不允許節(jié)流時，可采用如圖7-15所示的控制方案。這種方案的控制機理與前一種方案相同，也是得用改變溫差Δtm和K的手段來達到控制溫度t2的目的。方案中采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量及其旁路流量的比例，這樣既可控制進入換熱器的載熱體的流量，又可保證載熱體總流量的不受影響。這種控制方案在載熱體為工藝物料時是極為常見的。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制被加熱流體流量的旁路如圖7-16所示為被加熱流體流量旁路控制方案，其中一部分工藝物料經換熱器，另一部分走旁路。這種方案從控制機理來看，實際上是一個混合過程，所以反應迅速及時，適用于物料停留在換熱器里的時間較長的操作。但需要注意的是換熱器必須要有富裕的傳熱面積，而且載熱體流量一直處于高負荷下，該方案在采用專門的載熱體時是不經濟的。然而對于某些熱量回收系統，載熱體是工藝物料，總量本不宜控制，這時便不成為缺點了。7典型單元的基本控制方案7.2.2蒸汽加熱器的控制蒸汽加熱器的載熱體是蒸汽，通過蒸汽冷凝釋放熱量來加熱物料，水蒸氣是最常用的一種載熱體，根據加熱溫度的不同，也可采用其他介質的蒸汽作為載熱體。7典型單元的基本控制方案控制蒸汽載熱體的流量如圖7-17所示是控制蒸汽流量的溫度控制方案。蒸汽在傳熱過程中起了相態(tài)變化，其傳熱機理是同時改變了傳熱速率方程中的平均溫差Δtm和傳熱面積F。當加熱器的傳熱面積沒有富裕時，應以改變溫差Δtm為控制手段，調節(jié)蒸汽載熱體流量G1的大小即可改變溫差Δtm的大小，從而實現對被加熱物料出口溫度t2的控制。這種控制方案控制靈敏，但是當采用低壓蒸汽作為載熱體時，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，采用該控制方案就需慎重。7典型單元的基本控制方案控制冷凝液的排放量如圖7-18所示是控制冷凝液流量的控制方案。該方案的機理是通過控制冷凝液的排放量，改變了加熱器內冷凝液的液位，導致傳熱面積F的變化，從而改變了傳熱量Q，以達到對被加熱物料出口溫度的控制。這種控制方案有利于冷凝液的排放，傳熱變化比較平緩，可防止局部過熱，有利于熱敏介質的控制。此外該方案的排放閥的口徑也小于蒸汽閥的，但這種改變傳熱面積的控制方案的動作比較遲鈍。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.2.3冷卻器的控制冷卻器的載熱體是冷卻劑，工業(yè)生產過程中常常采用液態(tài)氨等介質作為制冷劑，利用它們在冷卻器內蒸發(fā)時吸收工藝物料的大量熱量，使工藝物料的出口溫度下降來達到生產工藝的要求。工業(yè)用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。7典型單元的基本控制方案控制冷卻劑的流量如圖7-19所示為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機理也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面積F來實現。該方案控制平穩(wěn)，冷量利用充分，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，易引起氣氨帶液而損壞壓縮機。為此可采用如圖7-20所示的物料出口溫度與液位的串級控制系統，或如圖7-21所示的選擇性控制系統。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案控制氣氨排量如圖7-22所示為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機理是通過改變傳熱速率方程中的平均溫差來控制工藝物料的出口溫度。采用這種方案時，控制靈敏迅速，但制冷系統必須許可壓縮機入口壓力的波動，另外冷量的利用不充分。為確保系統的安全運行，還需要設置一個液位控制系統，防止液態(tài)氨進入氣氨管路而導致壓縮機損壞。7典型單元的基本控制方案過程控制技術精餾塔的控制7典型單元的基本控制方案7.3精餾塔的控制精餾是現代化工、煉油等工業(yè)生產中應用極為廣泛的傳質傳熱過程，其目的是將混合物中各組分分離，達到規(guī)定的純度。精餾過程的實質就是利用混合物各組分具有不同的揮發(fā)度，使液相中的輕組分轉移到氣中，而氣相中的重組分轉移到液相中，從而實現分離的目的。7典型單元的基本控制方案一般精餾裝置由精餾塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等設備組成，如圖7-23所示。在實際生產過程中，精餾操作可分為歇間精餾和連續(xù)精餾兩種，工業(yè)生產主要采用連續(xù)精餾。精餾塔是精餾過程的關鍵設備，它是一個非常復雜的對象。在精餾操作中，被控變量多，可以選擇的操縱參數也多，它們之間又可以有各種不同的組合，所以控制方案繁多。由于精餾塔對象的控制通道很多，反應緩慢，內在機理復雜，參數之間相互關聯，加上工藝生產對控制要求又較高，因此在確定控制方案前必須深入分析工藝特性，總結實踐經驗，結合具體情況，才能設計出合理的控制方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.3.1精餾塔的控制目標精餾塔的控制目標是：在保證產品質量合格的前提下，回收率最高和能耗最低，或使塔的總收益最大，或總成本最小，一般來講應滿足職下三方面要求。保證質量指標在精餾塔的生產過程中，一般應當使塔頂或塔底產品中的一個產品符合工藝要求的純度，另一個產品的組分亦應該保持在規(guī)定的范圍之內。此時，應取精餾塔塔頂或塔底的產品質量作為被控變量，這種控制系統稱之為精餾塔的質量控制系統。7典型單元的基本控制方案物料平衡和能量平衡為了保證精餾塔的物料平衡和能量平衡，必須把進塔之前的主要可控干擾盡可能預先克服，同時盡可能緩和一些不可控的主要干擾。例如，可設置進料的溫度控制、加熱劑和冷卻劑的壓力控制、進料量的均勻控制系統等等。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，使其之和等于進料量，而且兩個采出量變化要緩慢，以保證精餾塔操作的平穩(wěn)。塔內的持液量應保持在規(guī)定的范圍內波動，控制好塔內的壓力穩(wěn)定，對精餾塔的物料平衡和能量平衡是十分有必要的。7典型單元的基本控制方案約束條件為確保精餾塔的正常、安全運行，操作時必須使某些操作參數限制在約束條件之內。常用的精餾塔限制條件為液泛限、漏液限、壓力限和臨界溫差限等。液泛限又稱氣相速度限，即塔內氣相速度過高時，霧沫夾帶現象十分嚴重，實際上是液相從下面塔板倒流到上面塔板，產生液泛會破壞塔的正常操作。漏液限又稱為氣相最小速度限，當氣相速度小于某一值時，將產生塔板漏液現象，板效率下降。最好能在稍低于液泛的流速下操作。要防止液泛和漏液現象，可以通過塔壓降或壓差來監(jiān)視氣相速度。壓力限是塔的操作壓力的限制，一般設最大操作壓力限，超限會影響塔內的氣液相平衡，嚴重超限甚至會影響安全生產。7典型單元的基本控制方案7.3.2精餾塔的干擾因素在精餾塔的操作過程中，影響其質量指標的主要干擾因素有：7典型單元的基本控制方案進料流量F的波動進料量F在很多情況下是不可控的，它的波動通常難以完全避免。如果一個精餾塔是位于整個工藝生產過程的起點，要使進料流量F恒定，可采用定值控制。然而，在多數情況下，精餾塔的處理量是由上一工序決定的。如果要使進料量恒定，勢必需要設置很大的中間貯存物料的容器。工藝生產上新的設計思想是盡量減小或取消中間貯槽，而是在上一工序中采用液位均勻控制系統來控制出料量，以使進料流量F的波動不致于劇烈。7典型單元的基本控制方案進料成分ZF的變化進料成分ZF一般是不可控的，它的變化也是無法避免的，進料成分ZF由上一工序或原料情況所確定。7典型單元的基本控制方案進料溫度QF及進料熱焓QF的變化進料溫度QF通常是比較恒定的，假如不恒定，可以先將進料進行預熱，通過溫度控制系統來使精餾塔的進料溫度QF恒定。然而，在進料溫度恒定時，只有當進料狀態(tài)全部是汽態(tài)或全部是液態(tài)時，進料熱焓QF才能恒定。當進料量是汽液混相狀態(tài)時，則只有當汽液兩相的比例恒定時，進料熱焓QF才能恒定。為了保持精餾塔的進料熱焓QF的恒定，必要時可通過熱焓控制的方法來維持熱焓QF的恒定。7典型單元的基本控制方案再沸器加入熱量的變化當加熱劑是蒸汽時，加入熱量的變化往往是由蒸汽壓力的變化而引起的，可以通過在蒸汽總管設置壓力控制系統來加以克服，或者在串級控制系統的副回路予以克服。冷凝器內除去熱量的變化冷卻過程熱量的變化會影響到回流量或回流溫度，它的變化主要是由于冷卻劑的壓力或溫度變化而引起的。一般情況冷卻劑溫度的變化較小，而壓力的波動可采用克服加熱劑壓力變化的同樣方法予以控制。7典型單元的基本控制方案環(huán)境溫度的變化一般情況下，環(huán)境溫度變化的影響較小。但在采用風冷器作冷凝器時，則天氣驟變與晝夜溫差會對塔的操作影響較大，它會使回流量或回流溫度發(fā)生改變。為此，可采用內回流控制的方法進行克服。內回流控制是指在精餾過程中，控制內回流量為恒定量或按某一規(guī)律變化的操作。7典型單元的基本控制方案從上述的干擾分析可以得知，進料量F和進料成分ZF的變化是精餾塔操作的主要干擾，而往往是不可控的。其余干擾一般比較小，而且往往是可控的，或者可以采用一些控制系統預先加以克服的。當然，有時并不一定，還需根據具體情況作具體分析。7典型單元的基本控制方案7.3.3精餾塔質量指標的選擇精餾塔最直接的質量指標就是產品的純度。由于成分分析儀表應用于生產過程的實時性的局限,采用直接質量指標仍然是很有限，在此重點討論間接質量指標的選擇。最常用的間接質量指標是溫度。這是因為對于一個二元組分的精餾塔而言，在塔內壓力一定的條件下，溫度與產品純度之間存在著單值的函數關系。因此，如果壓力恒定，則塔板的溫度就間接反映了濃度。對于多元精餾塔而言，雖然情況比較復雜，但也是可以看作在塔內壓力恒定條件下，塔板溫度作為間接反映產品純度的質量指標。7典型單元的基本控制方案塔頂或塔底的溫度控制一般情況，如果主要產品從塔頂部餾出時，應以塔頂溫度作為控制指標，可以得到較好的操作效果。同樣，如果主要產品是從塔底流出，則就以塔底溫度作為控制指標效果較好。為了保證另一產品質量在一定的規(guī)格范圍內符合要求，塔的操作要有一定裕量。例如，如果主要產品在塔頂部餾出時，控制變量為回流量的話，再沸器的加熱量要有一定的裕量，以至于在任何可能的擾動條件下，塔底產品的規(guī)格都在一定的限度之內符合工藝要求。7典型單元的基本控制方案靈敏塔板的溫度控制對質量指標要求不高時，塔頂或塔底的溫度基本可以代表塔頂或塔底的產品質量。然而，當分離的產品較純時，在相鄰塔頂或塔底的各塔板之間，溫度差已經很小，這時，塔頂或塔底的溫度變化0.5℃，可能已超出產品質量的允許范圍。因此，對溫度儀表的靈敏度和控制精度都提了很高的要求，但實際上是很難以滿足的。解決這一問題的方法可以在塔頂或塔底與進料塔板之間選擇靈敏塔板的溫度作為間接質量指標。7典型單元的基本控制方案溫差控制在精密精餾過程中，由于對產品的純度要求很高，而且的塔頂與塔底產品的沸點溫差一般都不大，可考慮采用溫差控制。采用溫差作為反映產品質量指標的間接參數，能消除壓力波動對產品質量的影響。在精餾塔控制系統中雖然設有塔內壓力定值控制，但壓力也會有微小波動，從而會引起產品濃度的變化，這對于一般產品純度要求不高的精餾塔操作的符合要求的。如果是精密精餾，對產品純度要求很高，很小的壓力波動就足以影響產品的質量，這時若還采用溫度作質量指標已經不能滿足產品的質量要求了。溫度的變化是產品的純度和塔壓力變化的結果，因此要考慮采用補償或消除壓力微小波動的影響。7典型單元的基本控制方案雙溫差控制在精餾塔進行精密精餾操作時,采用溫差控制也存在著一個不足之處,就是當物料的進料流量波動時,將會引起塔內成分的變化和塔內壓力的變化。這時溫差與產品的純度就不再呈現單值對應關系，溫差控制難以滿足工藝生產對產品純度的要求。采用雙溫差控制可克服這一不足，滿足精密精餾操作的工藝要求。7典型單元的基本控制方案如果塔頂重組分增加，會引起精餾段靈敏塔板溫度有較大變化；如果塔底輕組分增加，則會引起提餾段靈敏塔板溫度有較大變化。相對地，靠近塔底和塔頂處的溫度變化較小。將溫度變化最小的塔板分別稱為精餾段參比塔板和提餾段參比塔板。如能分別將塔頂、塔底的兩塊參比塔板與兩塊靈敏塔板之間的溫度梯度控制穩(wěn)定，就能達到質量控制的目的要求，這就是雙溫差控制方法。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-24所示是雙溫差控制方案。設T11、T12分別為精餾段參比塔板和靈敏塔板的溫度；T21、T22分別為提餾段參比塔板和靈敏塔板的溫度，構成了精餾段的溫差ΔT1=T12-T11；提餾段的溫差ΔT2=T22-T21，將這兩個溫差的差值ΔTd=ΔT1-ΔT2作為控制指標。從實際的應用情況來看，只要合理選擇靈敏塔板和參比塔板的位置，可使塔得到最大的分離度，得到更純的塔頂產品和塔底產品。7典型單元的基本控制方案采用了雙溫差控制后，若由于進料流量波動引起塔壓的變化對溫差的影響，在塔的精餾段和提餾段同時出現，而精餾段溫差減去提餾段溫差的差值就消除了壓降變化對質量指標的影響。從應用雙溫差控制的許多精密精餾生產過程操作來看，在進料流量波動的影響下仍能獲得符合質量指標的控制效果。7典型單元的基本控制方案7.3.4精餾塔的基本控制方案精餾塔的控制目標是使塔頂和塔底的產品滿足工藝生產規(guī)定的質量要求。精餾塔由于其生產的工藝要求和操作條件的不同，控制方案種類繁多，這里僅討論常見的塔頂和塔底均為液相時的基本控制方案。7典型單元的基本控制方案對于有兩個液相產品的精餾塔來說，質量指標控制可以有根據主要產品的采出位置不同分為兩種情況：一是主要產品從塔頂餾出時可采用按精餾段質量指標的控制方案，二是主要產品從塔底流出的則可采用按提餾段質量指標的控制方案。7典型單元的基本控制方案按精餾段質量指標的控制方案當以塔頂餾出液為主要產品時，往往按精餾段質量指標進行控制。這時，取精餾段某點濃度或溫度作為被控變量，以塔頂的回流量L、餾出量D或上升蒸汽量V作為操縱變量，組成單回路控制系統。也可以根據實際情況選擇副參數組成串級控制系統，迅速有效地克服進入副環(huán)的擾動，并可降低對控制閥特性的要求，這在需要進行精密精餾的控制時常常采用。7典型單元的基本控制方案采用這種控制方案時，在L、D、V和B四者之中選擇一個參數作為控制產品質量指標的控制變量，選擇另一個參數保持流量恒定控制，其余兩個參數則按回流罐和再沸器的物料平衡關系設液位控制系統加以控制。同時，為了保持塔壓的恒定還應設置塔頂的壓力控制系統。精餾段常用的控制方案可分為兩類：7典型單元的基本控制方案選擇回流量L作為操縱變量的質量控制方案如圖7-25所示，這種控制方案的優(yōu)點的控制作用的滯后小，反應迅速，所以對克服進入精餾段的干擾和保證塔頂產品的質量是有利的，這也是精餾塔控制中最常見的控制方案?？墒窃谠摲桨钢蠰受溫度控制器控制，回流量的波動對精餾塔的平穩(wěn)操作是不利的。所以在溫度控制器的參數整定時，應采用比例加積分的控制規(guī)律，不需加微分作用。此外，再沸器加熱量要維持一定而且應足夠大，以便精餾塔在最大負荷運行時仍可保證產品的質量指標合格。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案選擇塔頂餾出量D作為操縱變量的質量控制方案如圖7-26所示，這種控制方案的優(yōu)點是有利精餾塔的平穩(wěn)操作，對于在回流比較大的情況下，控制D要比控制L靈敏。此外還有一個優(yōu)點是當塔頂的產品質量不合格時，如果采用有積分作用的控制器，塔頂餾出量D會自動暫時中斷，進行全回流操作，這樣可確保得到的產品是質量合格的。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案按提餾段質量指標的控制方案當以塔底采出液作為主要產品時，通常就按提餾段質量指標進行控制。這時，選擇提餾段某點的濃度或溫度作為被控變量。組成單回路控制系統或根據需要選擇副參數組成串級控制系統來控制產品的質量，同時還需設置類似于精餾段控制方案中的輔助控制系統。提餾段常用的控制方案也可分兩類：7典型單元的基本控制方案選擇再沸器的加熱量作為操縱變量的質量控制方案如圖7-27所示，這類方案采用塔內上升蒸汽量V作為控制參數，在動態(tài)響應上要比回流量L控制的滯后要小，反應迅速，所以對克服進入提餾段的干擾和保證塔底的產品質量有利。所以該方案是目前應用最廣的精餾塔控制方案?？墒窃谠摲桨钢?，回流量要采用定值控制，而且回流量應有足夠大，以便當塔的負荷在最大運行時仍可確保產品的質量指標合格。如果當進入再沸器蒸汽壓力經常波動時，可采用靈敏塔板溫度-蒸汽流量組成串級控制系統。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案選擇塔底采出量作為操縱變量的質量控制方案如圖7-28所示，這類控制方案如前所述，類似于精餾段選擇D作為控制參數的方案那樣，有其獨特的優(yōu)點和一些弱點。優(yōu)點是當塔底采出量B較小時，操作比較穩(wěn)定；當采出量B不符合產品的質量要求時，會自行暫停出料。其缺點是滯后較大而且液位控制回路存在著反向特性。同樣，也要求回流量應足夠大，以確保在最大負荷運行時的產品質量合格。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案精餾塔的計算機控制由于計算機控制技術特別是集散控制系統（DCS）的迅速發(fā)展，并在工業(yè)生產過程中應用日趨廣泛，計算機控制技術在精餾塔的控制中亦不斷成熟和發(fā)展。不少大中型企業(yè)特別是石油化工、醫(yī)藥化工、煉油等工業(yè)生產中精餾塔相繼采用了計算機控制，使得在精餾過程新的控制方案層出不窮，如精餾過程的內回流、熱焓控制，解耦控制，推斷控制，節(jié)能控制，最優(yōu)控制等?？刂葡到y的品質指標越來越高，使精餾塔的操作收到了明顯的經濟效益。過程控制技術鍋爐設備的控制7典型單元的基本控制方案7.4鍋爐設備的控制鍋爐是工業(yè)生產過程必不可少的重要動力設備，它所產生的蒸汽不僅能夠為工業(yè)生產的蒸餾、干燥、蒸發(fā)、化學反應等過程提供熱源，而且，還可以為壓縮機、泵、透平機等提供動力源。隨著工業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大，生產過程的不斷強化，生產設備的不斷革新，作為全廠動力和熱源的鍋爐，亦向著大容量、高參數、高效率的方向發(fā)展。為確保安全，穩(wěn)定生產，對鍋爐設備的自動控制就顯得由為重要了。7典型單元的基本控制方案由于鍋爐設備所使用的燃料種類、燃燒設備、爐體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐有各種各樣的流程。常見的鍋爐設備主要工藝流程如圖7-29所示7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案由圖可知，蒸汽發(fā)生系統由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和熱空氣按一定的比例進入燃燒室燃燒，產生的熱量傳給蒸汽發(fā)生系統，產生飽和蒸汽Ds，然后經過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經負荷設備控制閥供給生產負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，經省煤器預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經引風機送往煙囪排入大氣。7典型單元的基本控制方案7.4.1鍋爐設備的控制要求鍋爐是重要的大型動力設備，對其要求是提供合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)汽量要適應負荷的需要，為此生產過程的各個工藝參數必須加以嚴格控制。鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要輸入變量有：負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等。主要輸出變量有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、煙氣含氧量等。7典型單元的基本控制方案這些輸入參數與輸出參數之間存在著相互關聯。如果蒸汽負荷發(fā)生變化時，必然會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度的變化；燃料量的變化不僅會影響蒸汽壓力，同時還會影響汽包水位，過熱蒸汽溫度，煙氣含氧量和爐膛負壓；給水量的變化不僅會影響汽包水位，而且對蒸汽壓力，過熱蒸汽溫度亦有影響；減溫水的變化會導致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化。所以，鍋爐設備是一個多輸入，多輸出且相互關聯的控制對象。對于這種復雜的對象，目前工程處理上作了一些假設之后，將鍋爐設備的控制方案劃分為若干個控制系統進行實施，主要的控制系統有：7典型單元的基本控制方案（1）鍋爐汽包水位的控制控制參數是給水流量W，它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發(fā)量，維持汽包水位在工藝允許的范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐生產、汽輪機安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標志之一。7典型單元的基本控制方案（2）鍋爐燃燒系統的控制有三個被控變量：蒸汽壓力、煙氣含氧量和爐膛負壓。而操縱變量也有三個：燃料量、送風量和引風量。這三個被控變量和操縱變量互相關聯，需要統籌兼顧，從而組成合適的燃燒系統的控制方案，以滿足燃料燃燒時所產生的熱量適應蒸汽負荷的需要，保證燃燒的經濟性和鍋爐的安全性。爐膛負壓保持在一定的范圍內。7典型單元的基本控制方案（3）過熱蒸汽系統的控制以過熱蒸汽溫度為被控變量，噴水量為操縱變量組成的溫度控制系統，以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過允許的工作溫度。7典型單元的基本控制方案7.4.2鍋爐汽包水位的控制汽包水位是鍋爐運行的主要指標。如果水位過低，則由于汽包內的水量較少，而蒸汽負荷卻很大，水的汽化速度又快，會導致汽包內的水量加速減少，水位迅速下降，如不及時控制就會使汽包內的水全部汽化，可能導致鍋爐燒壞和爆炸；7典型單元的基本控制方案水位過高會影響汽包內汽水分離，產生蒸汽帶液現象，會使過熱器管壁結垢導致損壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽如果是作為汽輪機動力的話，將會損壞汽輪機的葉片，影響設備運行的安全與經濟性。由此可見，水位過低或過高時所產生的后果是極為嚴重的，所以汽包水位操作的平穩(wěn)顯得尤為重要，必須要嚴格保證控制質量。7典型單元的基本控制方案汽包水位的主要干擾蒸汽負荷對汽包水位的影響在燃料量不變的情況下，蒸汽用量的突然增加，瞬時間必然會導致汽包壓力下降，汽包內水的沸騰會突然加劇，水中汽包會迅速增加，將整個水位會抬高，形成了虛假的水位上升現象，即所謂假水位現象。在蒸汽流量干擾下，水位變化的階躍反應曲線如圖7-30所示。當蒸汽流量突然增大時，由于假水位現象的產生，在開始階段水位不會下降反而會上升，然后下降；反之，當蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升。蒸汽流量D的突然增加時，實際水位的變化L應是在不考慮水面下汽泡容積變化時的水位變化L1與只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化L2的疊加。即：L=L1+L27典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案給水流量W對汽包水位的影響在給水流量的作用下，水位階躍反應曲線如圖7-31所示。把汽包和給水看作是單容無自衡對象，水位反應曲線如圖中的L1線。但由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水量變化之后，使汽包中汽泡的含量減少，從而導致汽包水位下降。因此實際的水位反應曲線如圖中L線，即當突然加大給水量后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現出一段起始的慣性段。給水的溫度越低，純滯后時間τ亦越大。一般τ約在15~100秒之間，如果采用省媒器，則由于某種原因省煤器本身的延遲，會使τ增加到100~200秒之間。7典型單元的基本控制方案（3）鍋爐排污、吹灰等對汽包水位的影響鍋爐排污直接自汽包里放水，吹灰時用鍋爐自身的蒸汽來吹，這些都是短時的負荷變化而引入的干擾。7典型單元的基本控制方案單沖量控制系統單沖量控制系統是以汽包水位為被控變量，選擇給水流量W為操縱變量而組成的一個單回路汽包水位的控制系統。對于小型鍋爐，由于水在汽包停留時間較長，蒸汽負荷變化時，假水位的現象并不顯著，配上一套聯鎖報警裝置，也是可以保證安全操作，采用這種單沖量控制方案也能滿足生產的工藝要求。對于中大型鍋爐，由于蒸汽負荷變化，假水位的現象嚴重，當蒸汽負荷突然增加時，由于假水位現象，控制器不但不能開大控制閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，卻會關小控制閥的開度，減少給水量，將使水位嚴重下降，波動很劇烈，嚴重時甚至會使汽包水位下降到危險限而導致發(fā)生事故。該控制方案就難以滿足中大型鍋爐生產的安全和操作平穩(wěn)的工藝要求。7典型單元的基本控制方案雙沖量控制系統在汽包水位的控制中，最主要的干擾是蒸汽負荷的變化，如果根據蒸汽流量來進行校正，就可以糾正假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善的控制品質。將蒸汽流量信號的引入，就構成了雙沖量控制系統，如圖7-32所示是典型的雙沖量控制系統的原理圖及方塊圖。這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復合控制系統。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案現在來分析這些系數的設置。C2項取正號還是負號，要根據控制閥是氣開還是氣關而定?？刂崎y的氣開與氣關的選用，一般從生產安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮等，那么為了保護這些設備以選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為加熱及工藝物料使用時，為了保護鍋爐以采用氣關閥為宜。因為在蒸汽量加大時，給水流量亦要加大，如果采用氣關閥，I應減小即應該取負號；如果采用氣開閥，I應增加，即應該取正號。7典型單元的基本控制方案C2的數值應考慮達到靜態(tài)補償。如果在現場湊試，那么應在只有負荷干擾的條件下，調整到水位基本不變。如果有閥門特性數據，設閥門的工作特性是線性的，可以通過采用如下公式計算來獲得：C2=aDmax/KV（Zmax-Zmin）7典型單元的基本控制方案C1的設置比較簡單，可取1，也可以小于1。不難看出C1與控制器的放大倍數的乘積相當于簡單控制系統中控制器的放大倍數的作用。I0的設置目的是使正常負荷下，控制器和加法器的輸出都能有一個適中的數值。最好是在正常負荷下I0值與C2IF項恰好抵消。7典型單元的基本控制方案在有些裝置中，采用另一種接法，即將加法器放在控制器之前，如圖7-33所示。因為水位上升與蒸汽流量增加時，閥門的動作方向相反，所以一定是信號相減。這樣的接法好處是使用儀表比較少，因為一個雙通道的控制器就可以實現加減和控制的功能。假設水位控制器采用單比例作用，則這種接法與圖7-32的接法可以等效轉換，差別不大。7典型單元的基本控制方案三沖量控制系統雙沖量控制系統還有兩個弱點：一是控制閥的工作特性不一定是線性的，因而要做到靜態(tài)補償就比較困難；二是對于給水系統的干擾仍不能克服。為此可再將給水流量信號引入，構成三沖量控制系統，如圖7-34所示。從該圖可以看出，這是前饋與串級控制組成的復合控制系統。在汽包停留時間較短時，需要引入蒸汽信號的微分作用如圖中虛線所示，這種微分信號應是負微分作用，以避免由于負荷突然增加和突然減少時，水位偏離給定值過高或過低而造成鍋爐停車。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-35所示是三沖量控制系統的連接圖和方塊圖。系數設置：系數C1通?？扇?或稍小于1的數值。假設采用氣開閥時，C2就取正值，其值的計算相當簡單，按物料平衡的要求，當變送器采用開方器時：C2=aDmax/Wmax

I0的設置與雙沖量控制系統相同。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案在有些控制裝置中，采用了比較簡單的三沖量控制系統，只用一臺控制器及一臺加法器，加法器可接在控制器之前如圖7-36（a）所示，也可接在控制器之后如圖7-36（b）所示。圖中的加法器正負號是針對采用氣關閥正作用控制器的情況。圖7-36（a）接法的優(yōu)點是使用儀表最少，只要一臺多通道的控制器即可實現。但如果系數設置不能確保物料平衡，當負荷變化時，水位將有余差。圖7-36（b）的接法，水位無余差，但用儀表較上法多，在投運及系數設置等方面較上法麻煩一些。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.4.3過熱蒸汽溫度控制蒸汽過熱系統包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器?？刂迫蝿帐鞘惯^熱器的出口溫度維持的工藝要求允許的范圍之內，并保護過熱器使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。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，汽輪機也會因內部過度的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。所以必須把過熱器出口的溫度控制在工藝規(guī)定的范圍內。7典型單元的基本控制方案過熱蒸汽溫度控制系統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，組成單回路控制系統往往不能滿足生產的要求，因此，可采用如圖7-37所示的串級控制系統，以減溫器出口溫度為副參數，可以提高對過熱蒸汽溫度的控制質量。過熱蒸汽溫度控制有時還采用雙沖量控制系統工程，如圖7-38所示。這種控制方案實質上是串級控制系統的變形，把減溫器出口溫度經微分器作為一個沖量，其作用與串級的副參數相似。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案7.4.4鍋爐燃燒過程的控制燃燒過程控制的任務燃燒過程自動控制系統與燃料的種類、燃燒設備以及鍋爐型式等有著密切關系。這里主要討論燃油鍋爐的燃燒過程控制系統。蒸汽壓力控制和燃料與空氣比值控制系統蒸汽壓力對象的主要干擾是燃料量的波動與蒸汽負荷的變化。當燃料流量及蒸汽負荷波動較小時，可以采用蒸汽壓力來控制燃料量的單回路控制系統。而當燃料流量波動較大時，可以采用蒸汽壓力對燃料流量的串級控制系統。7典型單元的基本控制方案如圖7-39所示是燃燒過程控制系統的一例，從圖中可以看出有四個控制系統。蒸汽出口壓力與燃料流量的串級控制系統（正常工況）；燃料流量與空氣流量的單閉環(huán)比值控制系統（正常工況）；空氣量過少時自動減少燃料量的選擇性控制系統；蒸汽出口壓力降低時自動加大空氣量的前饋選擇性控制系統。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案爐膛負壓控制與相關安全保護系統如圖7-40所示是燃燒過程控制系統的又一示例，用該方案來說明爐膛負壓控制與相關安全保護性控制系統。從圖中可以看出下列控制系統功能：7典型單元的基本控制方案蒸汽壓力控制系統，P1C依據蒸汽壓力的變化來控制燃料量；爐膛負壓控制系統，一般情況下可以根據爐膛負壓來控制煙道的翻板或引風機的轉速，以達到穩(wěn)定爐膛負壓的要求，這里設置了一個前饋（蒸汽壓力控制器的輸出，反映燃料量也即空氣量）與爐膛負壓反饋控制的復合控制系統；如果燃料控制閥閥后壓力過高，可能會引起脫火的危險，由過壓控制器P2C通過低選器LS來控制燃料控制閥，以防止脫火；如果燃料控制閥閥后壓力過低，可能導致回火的危險，由PAL系統帶動聯鎖裝置，將燃料控制閥的上游控制閥截斷，切斷發(fā)燃料量的供給。過程控制技術化學反應器的控制7典型單元的基本控制方案7.5化學反應器的控制化學反應器在工業(yè)生產中是一種重要的裝置，由于它們所完成操作的特殊性和重要性，以及它又具有與一般生產裝置不同的特點，因此對化學反應器的控制既十分重要，又常常比較難以實施。至今為止，由于反應器的反應機理比較復雜，在自動控制方面的研發(fā)工作做得還不夠，所以在進行反應器控制方案的設計時需要做反復的調查研究、總結反應器的操作經驗，才能制訂出合理的、行之有效的自動控制方案。7典型單元的基本控制方案7.5.1化學反應器的控制要求化學反應的種類比較多，因此化學反應器的控制難易程度相差也很大。一些容易控制的反應器，控制方案非常簡單，與一個換熱器的控制方案完全相同。但是，當反應速度快、放熱量大或由于工藝設計上的原因，使得反應器的穩(wěn)定操作區(qū)域很狹窄的情況下，反應器控制方案的設計將成為一個非常復雜的問題。此外，對于一些高分子聚合反應，也會因物料的粘度大而給溫度、流量和壓力的準確測量帶來較大的困難以致嚴重影響反應器控制方案的實施。7典型單元的基本控制方案一般情況下，在確定反應器控制方案時首先要調查清楚反應器的質量指標被控變量和可能的操縱變量。關于質量指標被控變量可從以下幾個方面考慮：質量指標根據化學反應器及其內在進行反應的機理不同，其質量指標被控變量可以選擇反應轉化率、產品的質量、產量等直接指標為被控變量，或與它們有關的間接工藝指標，如溫度、壓力、粘度等作為被控變量。7典型單元的基本控制方案物料平衡和能量平衡為了使反應器的操作能夠正常進行，必須使反應器系統運行過程中保持物料平衡和能量平衡。例如，為了保持熱量平衡，需要及時除去反應熱，以防止熱量的積聚，為了保持物料平衡，需要定時的排除或放空系統中的惰性物料，以保證反應的正常進行。7典型單元的基本控制方案約束條件與其它的單元操作設備相比較，反應器操作的安全性具有更重要的意義，這樣就構成了反應器控制中的一系列約束條件。比如，要防止工藝參數進入危險區(qū)域或不正常工況，應該設置一些報警、聯鎖或自動選擇性控制系統。當工藝參數越出正常的操作范圍時，就應發(fā)出報警信號；當其接近危險區(qū)域時，就會把某些閥門打開或切斷或保持在限定的位置，以確保生產的安全運行。7典型單元的基本控制方案在上述的三個因素中，質量指標的選擇常常的反應器控制方案設計中的一個關鍵。根據反應器操作的實際情況，如有條件直接測量反應產物的成分的，可選擇成分作為直接的被控變量?；蛘哌x擇某種間接的被控變量，最常用的間接指標是反應器的溫度，但是對于具有分布參數特性的反應器，應該注意所測溫度的代表性。7典型單元的基本控制方案7.5.2反應器的控制目前大型化工生產過程所使用的反應釜，其容量相當龐大，反應的放熱量也很大，而且傳熱效果往往又很差，要使其反應溫度實現平穩(wěn)操作，已經成為過程控制技術中的一個難題。7典型單元的基本控制方案實踐經驗證明，這類反應器的開環(huán)響應大都是不穩(wěn)定的，如果在運行過程中不及時有效地移去反應熱，則由于反應器內部的正反饋將使反應器內的溫度不斷上升，以致達到無法控制的地步，最后以產生事故或事故停車而告終。從理論上說，增加反應器的傳熱面積或加快傳熱速度，使移去熱量的速度大于反應熱生成的速度，就能提高反應器操作的穩(wěn)定性。但是，由于在設計上與工藝上的困難，對于大型聚合反應釜是難以實現這些要求的，因此，只能在設計控制方案時，對控制系統的實施提出更高的要求，來滿足聚合反應釜的工藝操作的質量指標和安全運行。7典型單元的基本控制方案一個間歇反應器的控制方案如圖7-41所示是聚丙烯腈反應器的內溫控制方案。由丙烯腈聚合成聚丙烯腈的聚合反應要在引發(fā)劑的作用下進行，引發(fā)劑等連續(xù)的加入聚合釜內，丙烯腈通過計量槽同時加入，當反應達到穩(wěn)定狀態(tài)時，將反應的聚合物加入到分離器中，以除去未反應的單體物料。在聚合釜中發(fā)生的聚合反應有以下三個主要特點：7典型單元的基本控制方案在反應開始之前，反應物必須升溫至指定的最低溫度。反應是放熱反應過程。反應速度會隨溫度的升高而增加。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案為了使反應能發(fā)生，必須要首先把熱量供給反應物。但是，一旦反應發(fā)生后，則必須要將熱量取走，以維持一個穩(wěn)定的操作溫度。此外，單體轉化為聚合物的轉化率取決于給定溫度、給定時間下的反應速率，這個給定時間即為反應物在反應器中的停留時間。因此，首先需要對反應器實行定量喂料，來維持一定的停留時間。其次，為了控制反應器內的溫度，可采用選擇反應器內溫度為被控變量反應的質量指標，選擇夾套溫度為副參數的串級控制系統。同時該內溫控制方案采用了分程控制的方式，控制閥分程動作如圖7-42所示。采用供熱或除熱的操作，分別控制進料過程和反應過程的物料溫度，使其能符合工藝的要求。7典型單元的基本控制方案一個連續(xù)反應器的控制方案化學反應器控制方案的設計，除了考慮溫度、轉化率等質量指標的核心問題之外，還必須對反應器的其它問題，如安全操作，開停車等應設計相應的控制系統，才能使反應器的控制方案比較完善。下面以一個連續(xù)反應器為例來說明一個反應器的全局控制方案。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案如圖7-43所示是一個連續(xù)反應器的控制方案流程圖。在反應器中物料A與物料B進行合成反應，生成的反應熱從夾套中通過循環(huán)水除去，反應時放熱量與反應物B的流量成正比。進料量A大于進料量B，反應速度很快，而且反應完成的時間比停留的時間短。反應的轉化率、收率及副產品的分布決定于物料A與B的流量之比，物料平衡是通過反應器的液面來改變進料量而達到的。工藝對自動控制設計提出的要求是：7典型單元的基本控制方案平穩(wěn)操作，轉化率、產率、產品分布均要確保恒定；安全操作而且要盡可能減少硬性停車；保證較大的生產能力。通過深入分析調研，最后確定了一個前饋-反饋的控制系統及比較完整的軟保護控制方案。下面分別予以介紹：7典型單元的基本控制方案（1）反應器溫度的前饋-反饋控制系統以溫度作為質量指標的被控變量，夾套冷卻水作為操縱變量和進料流量A為前饋輸入變量的單回路前饋-反饋控制系統。在前饋控制回路中選用了PD控制器作為前饋的動態(tài)補償器。此外，由于溫度控制器采用了外部積分反饋（F.B）來克服積分飽和現象，因此，在前饋輸出能道采用了濾除直流分量的措施，即前饋補償器的輸出通過一個傳遞函數的線路Tas/（Tas+1），這樣加法器的方程就是：Ia（s）=Ic（s）+[Tas/（Tas+1）]If（s）7典型單元的基本控制方案（2）器進料的比值控制系統進料的比值控制系統與一般的比值控制系統完全相同。但是，在控制物料B的流量QB時，工藝上提出了以下限制條件：反應器溫度低于結霜溫度時，不能進料；若測量出比值QB/QA過大了，不能進料；QA達到低限以下QA＜QA

min時，不能進料；反應器液位Lr＜Lr

min時，不能進料；反應器溫度過高時不進料。7典型單元的基本控制方案（3）反應器的液面及出料控制系統由圖7-43可知，反應器液位的控制參數是物料A的流量QA，除了圖示的控制系統之外，還需要考慮對QA的兩個附加要求：進料速度要與冷卻能力配合，不能太快；開車時，如果反應器的溫度低于下限時，不能進料，同時也要求液位低于下限時不能關閉進料閥。此外，關于反應器的出料主要是由反應物的質量和后續(xù)工序來決定。設計產品出料控制系統的原則：反應器的液位如果低于量程的25%時應當停止出料；開車時的出料質量與反應溫度有關，故等反應溫度達到工藝指標時才能出料。反之，如果反應溫度低于正常值時應停止出料。7典型單元的基本控制方案7.5.3PH值的控制化學反應常常會涉及到酸、堿物質，pH值往往是化學反應過程的一個重要參數。由于pH值能夠在線測量，所以把pH值作為反應過程的質量指標加以控制。酸堿中和過程的非線性程度很大，而且由于pH值的測量特點等原因，使得測量過程具有一定的純滯后時間，所以pH值的控制通常被認為是比較難以實施的控制系統。7典型單元的基本控制方案pH值控制系統可以采用常規(guī)的線性反饋PID控制器，通過控制某一中和液的流量進行單回路控制。但不能使用純比例控制規(guī)律，因為純比例作用存在著余差，而pH值控制系統的設定值又大多在對中和液流量十分敏感的區(qū)域，即pH值為7附近，中和液流量的微小偏差就使值遠遠偏離設定值，如圖7-44所示。選用PI還是PID控制規(guī)律以及參數的整定則需要根據所控制的對象的特性來定?？紤]到過程的非線性，這時可以選用非線性控制閥，對被控對象的非線性進行部分補償。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案工程上考慮對中和反應過程的非線性進行補償時，經常采用的方法之一是使用Shinskey提出的三段式非線性控制器。其基本原理是，在對象的增益較大時，控制器的增益較??；當對象的增益較小時，控制器的增益較大，以此來維持系統增益的基本不變，如圖7-45所示。其中低增益的一段稱為“死區(qū)”，其范圍可根據對象特性加以控制。如果對象的設定值不在其滴定曲線的中點附近，需將控制器增益中的一段切除，否則將使過程的非線性程度加大。7典型單元的基本控制方案上述的方法對控制對象非線性的補償是近似的。為了能更準確地實現這種補償，首先需要確定中和反應過程非線性增益的特性。這可以根據正常工況下的中和反應過程滴定曲線，由下式求取，如圖7-46所示Kp=△pH/△F式中Kp——對象增益；F——中和液的流量。7典型單元的基本控制方案7典型單元的基本控制方案對控制對象純滯后進行補償的基本方法之一的著名的Smith補償方案，如圖7-47所示。由于該方法對對象模型的精度要求較高，因此在pH值控制中直接使用比較困難。但可以采用對模型適應性較強的改進方案。根據對對象的控制質量要求及對象特性，綜合出具體的控制算法，以得到更適合的補償效果。對中和反應過程而言，由于在進行純滯后補償的同時往往還需要對被控制對象的非線性進行補償，因而在各種純滯后補償的算法中，對象模型應具有變增益的特性。MagneticResonanceImaging磁共振成像發(fā)生事件作者或公司磁共振發(fā)展史1946發(fā)現磁共振現象BlochPurcell1971發(fā)現腫瘤的T1、T2時間長Damadian1973做出兩個充水試管MR圖像Lauterbur1974活鼠的MR圖像Lauterbur等1976人體胸部的MR圖像Damadian1977初期的全身MR圖像

Mallard1980磁共振裝置商品化1989

0.15T永磁商用磁共振設備中國安科

2003諾貝爾獎金LauterburMansfierd時間MR成像基本原理實現人體磁共振成像的條件:人體內氫原子核是人體內最多的物質。最易受外加磁場的影響而發(fā)生磁共振現象(沒有核輻射)有一個穩(wěn)定的靜磁場（磁體）梯度場和射頻場：前者用于空間編碼和選層，后者施加特定頻率的射頻脈沖，使之形成磁共振現象信號接收裝置：各種線圈計算機系統：完成信號采集、傳輸、圖像重建、后處理等

人體內的H核子可看作是自旋狀態(tài)下的小星球。自然狀態(tài)下，H核進動雜亂無章，磁性相互抵消zMyx進入靜磁場后，H核磁矩發(fā)生規(guī)律性排列（正負方向），正負方向的磁矢量相互抵消后，少數正向排列（低能態(tài)）的H核合成總磁化矢量M，即為MR信號基礎ZZYYXB0XMZMXYA:施加90度RF脈沖前的磁化矢量MzB:施加90度RF脈沖后的磁化矢量Mxy.并以Larmor頻率橫向施進C:90度脈沖對磁化矢量的作用。即M以螺旋運動的形式傾倒到橫向平面ABC在這一過程中，產生能量

三、弛豫（Relaxation）回復“自由”的過程

1.

縱向弛豫（T1弛豫）：

M0（MZ）的恢復，“量變”高能態(tài)1H→低能態(tài)1H自旋—晶格弛豫、熱弛豫

吸收RF光子能量（共振）低能態(tài)1H高能態(tài)1H

放出能量（光子，MRS）T1弛豫時間：

MZ恢復到M0的2/3所需的時間

T1愈小、M0恢復愈快T2弛豫時間：MXY喪失2/3所需的時間；T2愈大、同相位時間長MXY持續(xù)時間愈長MXY與ST1加權成像、T2加權成像

所謂的加權就是“突出”的意思

T1加權成像（T1WI）----突出組織T1弛豫（縱向弛豫）差別

T2加權成像（T2WI）----突出組織T2弛豫（橫向弛豫）差別。

磁共振診斷基于此兩種標準圖像磁共振常規(guī)h檢查必掃這兩種標準圖像.T1的長度在數百至數千毫秒（ms）范圍T2值的長度在數十至數千毫秒（ms）范圍

在同一個馳豫過程中,T2比T1短得多

如何觀看MR圖像：首先我們要分清圖像上的各種標示。分清掃描序列、掃描部位、掃描層面。正常或異常的所在部位---即在同一層面觀察、分析T1、T2加權像上信號改變。絕大部分病變T1WI是低信號、T2WI是高信號改變。只要熟悉掃描部位正常組織結構的信號表現，通常病變與正常組織不會混淆。一般的規(guī)律是T1WI看解剖,T2WI看病變。磁共振成像技術－－圖像空間分辨力，對比分辨力一、如何確定MRI的來源（一）層面的選擇1.MXY產生（1H共振）條件

RF=ω=γB02.梯度磁場Z（GZ）

GZ→B0→ω

不同頻率的RF

特定層面1H激勵、共振

3.層厚的影響因素

RF的帶寬↓

GZ的強度↑層厚↓〈二〉體素信號的確定1、頻率編碼2、相位編碼

M0↑--GZ、RF→相應層面MXY----------GY→沿Y方向1H有不同ω

各1H同相位MXY旋進速度不同同頻率一定時間后→→GX→沿X方向1H有不同ω沿Y方向不同1H的MXYMXY旋進頻率不同位置不同（相位不同）〈三〉空間定位及傅立葉轉換

GZ----某一層面產生MXYGX----MXY旋進頻率不同

GY----MXY旋進相位不同（不影響MXY大小）

↓某一層面不同的體素，有不同頻率、相位

MRS（FID）第三節(jié)、磁共振檢查技術檢查技術產生圖像的序列名產生圖像的脈沖序列技術名TRA、COR、SAGT1WT2WSETR、TE…….梯度回波FFE快速自旋回波FSE壓脂壓水MRA短TR短TE－－T1W長TR長TE－－T2W增強MR最常用的技術是：多層、多回波的SE（spinecho，自旋回波）技術磁共振掃描時間參數：TR、TE磁共振掃描還有許多其他參數：層厚、層距、層數、矩陣等序列常規(guī)序列自旋回波（SE）,快速自旋回波（FSE）梯度回波（FE）反轉恢復（IR），脂肪抑制（STIR）、水抑制（FLAIR）高級序列水成像（MRCP,MRU,MRM）血管造影（MRA,TOF2D/3D）三維成像（SPGR）彌散成像（DWI）關節(jié)運動分析是一種成像技術而非掃描序列自旋回波（SE）必掃序列圖像清晰顯示解剖結構目前只用于T1加權像快速自旋回波（FSE）必掃序列成像速度快多用于T2加權像梯度回波（GE）成像速度快對出血敏感T2加權像水抑制反轉恢復（IR）水抑制（FLAIR）抑制自由水梗塞灶顯示清晰判斷病灶成份脂肪抑制反轉恢復（IR）脂肪抑制（STIR）抑制脂肪信號判斷病灶成分其它組織顯示更清晰血管造影（MRA）無需造影劑TOF法PC法MIP投影動靜脈分開顯示水成像（MRC