1、第八章典型化工单元的控制方案第一节、流体输送设备的控制方案 1离心泵的控制方案 (1)直接节流法改变直接节流阀的开度，即改变了管路特性，从而改变了平衡工作点C的位置，达到控制的目的。 FC(b)控制方案HL1HL2C1HL3C2HC3Q(a)流量特性图91-3 直接节流以控制流量第八章典型化工单元的控制方案(2)改变泵的转速n HLFC调转速原动机(b)控制方案Hn3n2n1Q(a)流量特性图91-4 调节转速式控制第八章典型化工单元的控制方案(3)改变旁路回流量 FC图91-5 旁路控制流量FCPC图91-6 往复泵出口压力和流量控制第八章典型化工单元的控制方案2容积式泵的控制方案 由于容积
2、式泵的排出平均流量与管路阻力无关，所以不能采用出口节流的方法来控制流量，一旦出口阀关死，将造成泵体损坏。容积式泵常用的控制方式有：改变原动机的转速。调节回流量。 第八章典型化工单元的控制方案二、压缩机的常规控制方案 气量控制系统。即出口排量或压力控制，也就是负荷控制系统。控制方式与离心泵的控制类似，如直接节流法，改变转速和改变旁路回流量等。 防喘振控制系统。喘振现象是由离心式压缩机结构特性所引起的，而且对压缩机的正常运行危害极大。为此，必须专门设置防喘振控制系统，确保压缩机的安全运行。 第八章典型化工单元的控制方案三、离心式压缩机的防喘振控制 1喘振现象及原因 p2/plTp2/plQM1MQ
3、QM图91-7 离心式压缩机工作点 图示为在某一转速下离心式压缩机的特性曲线，是压缩机的出口绝压p2与入口绝压pl之比和入口体积流量Q的关系曲线。由图中可看出，这种驼峰型的特性曲线具有极值点T。工作点建立在极值点右侧是稳定的，极值点左侧则为不稳定的。当系统受一个干扰而偏离该工作点后，系统能否自动返回到原来的工作点？ 极值点右侧的工作点M1。由于某种原因使系统压力p2 下降时，工作点沿特性曲线下滑，随之压缩机的排量Q增大。因整个管网系统是定容积的，Q的增大必将使系统压力p2回升，也就自动地把工作点拉回到原来的Ml点上。 第八章典型化工单元的控制方案 T点左侧的工作点。由于某种原因使系统压力p2下
4、降，工作点同样沿特性曲线下滑，随后压缩机的排量Q也下降，对于定容系统来说，将进一步导致压力下降，工作点继续沿特性曲线下滑而不能返回M点，所以是不稳定的工作点。 喘振区p2/p1n3n2n1Qp1 Qp2 Qp3Q图91-8离心式压缩机喘振极限线第八章典型化工单元的控制方案2防喘振控制系统 (1)固定极限流量防喘振控制 n3n2n1p2/p1QpQ图91-10 喘振极限值压缩机排出吸入循环FC图91-9 固定极限流量防喘振控制方案第八章典型化工单元的控制方案(2)可变极限流量防喘振控制 变极限流量防喘振控制，需解决以下两个问题：安全操作线的数学方程的建立。用仪表等技术工具实现上述数学方程的运算。
5、安全操作线可用一个抛物线方程来近似。操作线方程一般由厂家给出，如： 12112TQbapp第八章典型化工单元的控制方案喘振极限线安全操作线p2/p1n3n2n1Q2图91-11 喘振极限线及安全线通常气量的测量用差压法，因此还需对公式作进一步的推导。把式中流量Ql以差压法测得的pl来代替：整理后可得: 根据公式可演化出多种表达形式，从而组成不同形式的可变极限流量防喘振控制系统。 111pKQ11212pprKbapp第八章典型化工单元的控制方案)(1221appbKrpp2-ap1p2+r/bk2p1-r（p2-ap1）/bk2plFC可变极限流量防喘振控制系统之一第八章典型化工单元的控制方案
6、2121bKrapppp2 +p1 -FCp2-ap1plr/bK2可变极限防喘振控制系统之二第八章典型化工单元的控制方案在某些引进装置中，有时也采用简化形式，令a=0，此时安全操作线方程简化为： 221pbKrp r/bK2p1FCp2r/bK2p2可变极限防喘振控制系统之三第二节 传热设备的自动控制一概 述 按结构型式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等。传热的目的主要有下列三种：(1)使工艺介质达到规定的温度。对工艺介质进行加热或冷却。有时在工艺过程进行中加入或除去热量，使工艺过程在规定的温度范围内进行。(2)使工艺介质改变相态。根据工艺过程的需要，有时加热使工艺介质汽化，也有冷凝
7、除热，使气相物料液化。(3)回收热量。第二节 传热设备的自动控制v二传热设备的特性 逆流单程换热器G1c1 T10G2c2 T20G2c2 T2iG1c1 T1iG1G2换热器特性T2iT1iT1o1 110122220()()iiqGc TTG c TTq=KF T2)()(212010221iiTTTTttT第二节 传热设备的自动控制整理后可得：221111121101211cGcGKFcGTTTTiii第二节 传热设备的自动控制a工艺介质入口温度T1i对出口温度T10的影响，即T1iT10通道的静态放大倍数。对公式进行增量化，令T2i=0，则可得：表明，T10与T1i之间为线形关系，其静
8、态放大倍数为小于1的常数。 22111111012111cGcGKFcGTTi第二节 传热设备的自动控制b载热体入口温度T2i对工艺介质出口温度T10的影响，即T2iT10通道的静态放大倍数。增量化，令T1i=0，可得： 表明，T10与T2i之间也为线形关系。 2211112101211cGcGKFcGTTi第二节 传热设备的自动控制c载热体流量G2对工艺介质出口温度T10的影响，即G2T10通道的静态放大倍数。可通过求导，求取静态放大倍数为：可见，G2T10通道的静态特性是一个非线性关系。 222111122212112101212)(cGcGKFcGcGTTcGdGdTii2 4T10与G
9、2的静态关系iiiTTTT12110111KFcGKFcG22第二节 传热设备的自动控制d工艺介质流量Gl对其出口温度T10。的影响，即GT10通道的静态放大倍数。同样可通过求导求得，其结果相似： 31T10与G1的静态关系KFcG11KFcG22iiiTTTT12110第二节 传热设备的自动控制三、一般传热设备的控制一般传热设备通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器等。1换热器的控制 （1）控制载热体流量 载热体G2TC控制载热体流量的方案工艺介质G1载热体 G2G1工艺介质TC合流形式载热体流量控制第二节 传热设备的自动控制（2）工艺介质的旁路控制 T1iTCTCFCG1G2G1G2
10、将工艺介质分路的方案换热器前馈串级控制前馈控制模型第二节 传热设备的自动控制2蒸汽加热器的控制 (1)控制载热剂蒸汽的流量 蒸汽 G2 TC凝液G1控制蒸汽流量的方案所示为调节蒸汽流量的温度控制方案。其传热机理是同时改变传热速率方程中的T和传热面积F。当加热器的传热面没有富裕时，以改变T为主；而在传热面有富裕时，以改变传热面F为主。这种控制方案控制灵敏，但是当采用低压蒸汽作为热源时，进入加热器内的蒸汽一侧会产生负压。此时，冷凝液将不能连续排出，采用此方案就需谨慎。 第二节 传热设备的自动控制(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为调节冷凝液流量的控制方案。是通过冷凝
11、液排放量，改变了加热器内凝液的液位，导致传热面F的变化，从而改变传热量，以达到对出口温度的控制。这种方案利于凝液的排放，传热变化较平缓，可防止局部过热，有利于热敏介质的控制。此外，排放阀的口径也小于蒸汽阀。但这种改变传热面的方案控制比较迟钝。 第二节 传热设备的自动控制蒸汽 G2G1TC凝液LC图92-13 蒸汽加热器TL串级控制蒸汽 G2G1TC凝液FC蒸汽加热器前馈控制第二节 传热设备的自动控制3冷凝冷却器的控制 (1)控制载热剂流量 气氨液氨TC 控制载热剂流量方案所示为冷凝冷却器调节载热剂流量的控制方案。这种方案的机理也是通过改变传热速率方程中的传热面F来实现。该方案调节平稳，冷量利用
12、充分，且对压缩机入口压力无影响。但这种方案控制不够灵活，另外蒸发空间不能得到保证，易引起气氨带液，损坏压缩机。第二节 传热设备的自动控制气氨液氨TCLC冷凝冷却器TL串级控制方案冷凝冷却器选择性控制TCLS液氨LC气氨第二节 传热设备的自动控制(2)控制气氨排量 控制气氨排量方案液氨LCTC气氨冷凝冷却器(氨冷器)控制气氨排量的方案如图所示。该方案的机理是调节传热速率方程中的平均温差T。采用这种方案，控制灵敏迅速。但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动，另外冷量的利用不充分。为确保系统正常运行，还需设置一个液位控制系统。 第二节 传热设备的自动控制v四、锅炉及加热炉控制 热空气送往炉膛265D
13、SD过热蒸汽送负荷设备Pm378给水（由水泵来）1燃料热空气图92-19 锅炉设备主要工艺流程图 1一燃烧嘴；2一炉膛；3一汽包；4一减温器；5一炉墙； 6一过热器；7一省煤器；8一空气预热器冷空气（由送风机来）4第二节 传热设备的自动控制锅炉设备要有如下主要的控制系统: 锅炉汽包水位控制。被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要是保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。这是保证了锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的重要指标。 锅炉燃烧系统的控制。有三个被控变量：蒸汽压力(或负荷)、烟气成分(经济燃烧指标)和炉膛负压。可选用的操纵变
14、量也有三个：燃料量、送风量和引风量。组成的燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。 第二节 传热设备的自动控制过热蒸汽系统的控制。被控变量为过热蒸汽温度，操纵变量为减温器的喷水量。使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超出工艺允许的温度。锅炉水处理过程的控制。主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。一般采用离子交换树脂对水进行软化处理。通常应用程序控制，确保水处理和树脂再生正常交替运行。 1锅炉汽包水位的控制 (1)汽包水位的动态特性 汽包水位
15、在给水流量作用下动态特性，即控制通道特性。 第二节 传热设备的自动控制WHH1tHt给水流量作用下水位阶跃响应曲线7432816锅炉汽水系统 l给水母管；2给水控制阀；3省煤器；4汽包； 5下降管；6上升管；7过热器；8蒸汽母管5sesKsWsH0)()(第二节 传热设备的自动控制汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。 DHH2tHH1t蒸汽流量扰动作用下的水位相应曲线7432816锅炉汽水系统 l给水母管；2给水控制阀；3省煤器；4汽包； 5下降管；6上升管；7过热器；8蒸汽母管51)()()()()()(2221sTKsKsDsHsDsHsDsHf第二节 传热设备的自动
16、控制(2)单冲量控制系统 给水省煤器蒸汽汽包LC单冲量控制系统这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。 单冲量控制系统存在三个问题：当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作；对负荷不灵敏；对给水干扰不能及时克服。 第二节 传热设备的自动控制(3)双冲量控制系统 蒸汽给水I0IFICILCI=C1ICC2IFI0GC（a）IFGPDGmFDLL0ICIC2C1GVGPC（b）I0Gm双冲量控制系统原理图及方块图第二节 传热设备的自动控制双冲量控制系统实质上是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制的前馈反馈控制系统。 为
17、确保双冲量控制系统能按照设计意图正常运行，必须正确选定控制阀的开闭形式、控制器的正反作用以及运算器的符号。 a.阀的开闭形式选定。从工艺安全角度来考虑，若以保护锅炉安全为主，选气闭式；如以保护汽轮机用户安全为主，则选气开式。bLC控制器的正反作用。把控制系统视为负反馈系统，因此当气闭阀时为正作用，气开阀时则为反作用。c运算器符号：气闭阀时 IC1IcC2IFI0； 气开阀时 IC1IcC2IFI0。第二节 传热设备的自动控制(4)三冲量控制系统 蒸汽ICIFI0三冲量控制系统LCI=ICCIF-I0给水IFFCILGmIFGmFGPDUGP2GPCICI L0GC2GmF，I0IFGC1三冲量
18、控系统方块图第二节 传热设备的自动控制2蒸汽过热系统的控制 过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的。过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀，而严重影响安全运行；过热蒸汽温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。 过热蒸汽温度控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，所以组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。 第二节 传热设备的自动控制第二过热器 第一过热器减温器d/dtTC减温水 过热蒸汽温度双冲量控制系统蒸汽过热蒸汽第二过热器 过热蒸汽温度串级控制系统减温器第一过热器减温
19、水T2CT1C蒸汽过热蒸汽第二节 传热设备的自动控制3锅炉燃烧过程的控制燃烧过程的控制基本要求有三个：保证出口蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量。燃烧良好，供气适宜。既要防止由空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失。保证锅炉安全运行。保持炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，造成炉膛内热烟气往外冒出，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加。此外，还需防止燃烧嘴背压(对于气相燃料)太高时脱火，燃烧嘴背压（气相燃料）太低时回火的危险。 第二节 传热设备的自动控制(1)蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统燃烧过程的基本控制方案空气量燃
20、料量P汽KPC FCFC空气阀燃料阀AOAC燃料量空气量P汽KFCPCFC空气阀LSHS燃料阀燃烧过程的改进控制方案AOAC第二节 传热设备的自动控制（2）燃烧过程的烟气氧含量闭环控制最优值空气量PCFC燃料量燃料阀烟气中氧含量的闭环控制方案p汽ACO2 LSHS FC空气阀第二节 传热设备的自动控制(3)炉膛负压控制与有关安全保护系统 蒸汽汽包P1CLS PSAP3C K图92-33 炉膛负压与安全保护控制系统燃料AOAO空气P2C312炉膛负压控制系统 防脱火系统 防回火系统 第三节 精馏塔的自动控制 1精馏塔的静态特性 冷剂LDL进料 D,xDF,zf V热剂图93-1 简单精馏控制示意
21、图釜液,B,xBLBBDBfxxxzFDBDfDxxzxFB(1)物料平衡关系 (2)能量平衡关系 )1 ()1 (lnDBBDxxxxFV第三节 精馏塔的自动控制2精馏塔的动态特性 dtdMVVLLjjjjj11dtxMdyVyVxLxLjjjjjjjjjj1111Lj+1j+1Mj LjVjVj-1j-1 Lj-1精馏塔第j块板物料流动情况j第三节 精馏塔的自动控制3精馏塔的整体控制方案 （1）传统的物料平衡控制 FLDVBQLCFC FCFC传统物料平衡控制方案之二LCFLDBVQLCFC FCFC传统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、关系进行控制。它适用于对产品质量要求不高以及扰动不多的情况。 第三节 精馏塔的自动控制（2）质量指标反馈控制 L DTCLCV FCFLC Q塔顶按能量平衡防护司控制BTCLC Q V FCFL DLC塔顶按物料平衡方式控制B第三节 精馏塔的自动控制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 第四节 化学反应器的自动控制v化学反应器的控制目标:v转化率 v产率v收率1AOAAAAOAOCCCAXACC 反应了的 的量进入反应器的 的量A转化为产品L的A量反应了的 量PXA转化为产品L的A量进入反应器的 量第四节 化学反应器
23、的自动控制一、化学反应器的控制要求(1)物料平衡控制 对化学反应器来说，从稳态角度出发，流入量应等于流出量，如属可能常常对主要物料进行流量控制。另外，在有一部分物料循环系统内，应定时排放或放空系统中的惰性物料。(2)能量平衡控制 要保持化学反应器的热量平衡，应使进入反应器的热量与流出的热量及反应生成热之间相互平衡。能量平衡控制对化学反应器来说至关重要，它决定反应器的安全生产，也间接保证化学反应器的产品质量达到工艺的要求。 第四节 化学反应器的自动控制(3)约束条件控制 要防止工艺参数进入危险区域或不正常工况，为此，应当配置一些报警、联锁和选择性控制系统，进行安全界限的保护性控制。(4)质量控制
24、 通过上述三项控制，保证反应过程平稳安全进行的同时，还应使反应达到规定的转化率，或使产品达到规定的成分，因此必须对反应进行质量控制。质量指标的选取，即被控变量的选择可分为两类：取出料的成分或反应的转化率等指标作为被控变量；取反应过程的工艺状态参数(间接质量指标)作为被控变量。 第四节 化学反应器的自动控制现以丙烯聚合反应釜为例，说明这些控制系统的设置情况。 气相出料液位报警ACFCTC图94-3 丙烯聚合反应工艺流程示意图丙烯 H2LCFCFC催化剂冷却水乙烯 乙烷 FC浆液第四节 化学反应器的自动控制物料平衡控制。恒定输入物料量：聚合反应的主要原料丙烯及H2、乙烯、乙烷分别设置流量定值控制。
25、另外聚合反应物浆液采出有液位控制。能量平衡控制。反应釜的釜温控制冷却水量，使进、出釜及反应生成热达到平衡。 质量控制。在图中画出以气相出料中H2含量为质量指标，组成H2含量与加入H2流量的串级控制系统，通过调整H2的加入量，保持反映聚合反应进行好坏的气相中H2含量为某给定值。约束条件控制。本工艺流程无爆炸危险，故控制较为简单，设有浆液液位报警系统，在釜内浆液液位过高、过低时发出报警信号。 第四节 化学反应器的自动控制)()(0fpcpGcKFyHGxdtdcV式中 G反应物的质量流量； 反应物的密度； x0反应物的浓度； H每摩尔的反应热； y转化率； c冷却剂入口温度； f、反应器进料温度和
26、出料温度（反应器内温度）；cp反应物的比热容； K载热体与反应器内物料总传热系数； F传热面积； V 反应器容积。第四节 化学反应器的自动控制二、反应器的热稳定性分析以非绝热反应器为例加以说明。 1 Q1 4CD3E 2 (1)直线1的情况，反应器的操作是稳定的。 (2)直线2的情况，工作点C是不稳定的 ，而D、E两个工作点，为稳定的静态工作点。 (3)直线3的情况，为不稳定的静态工作点。 (4)直线4的情况，不存在任何静态工作点。 第四节 化学反应器的自动控制三、反应器的基本控制方案 1反应器的温度控制 （1）绝热反应器的温度控制 进口浓度x0的控制。以进口浓度x0作为操纵变量来控制反应器温
27、度。 进料温度f的控制。改变进料温度f，控制反应温度。 改变负荷G。负荷G的变化同样能用来控制反应温度。 （1 1）进料浓度）进料浓度 浓度增大，反应温度增加浓度增大，反应温度增加 pfcyHx0)(x0Q第四节 化学反应器的自动控制第四节 化学反应器的自动控制进口浓度x0的控制CO+3H2 = CH4+H2OCO2+4H2 = CH4+2H2O第四节 化学反应器的自动控制（2 2）进料温度）进料温度 温度增加，反应温度增加温度增加，反应温度增加 pfcyHx0Qf第四节 化学反应器的自动控制第四节 化学反应器的自动控制进料温度f的控制载热体进料TCTC出料进料进料出料TC（3 3）进料流量）
28、进料流量 流量增加，反应温度增加流量增加，反应温度增加 第四节 化学反应器的自动控制GQ第四节 化学反应器的自动控制（2）非绝热反应器的温度控制 由于非绝热反应器是在反应器上外加传热，因此，可以像传热设备那样来控制反应温度。2反应器的进料流量控制 进料流量的控制是为了充分利用原料，保证各进料组分进入反应器的量适宜，且互相之间保持一定的比例，减小由于原料使用不充分造成经济损失。此外进料流量尽可能稳定，有利于生产过程的平稳操作。3反应器的压力控制 当反应器内进行的是气相反应、氧化反应、氢化反应或高压聚合等反应过程时，经常需对反应器内的压力进行控制。 如果反应过程中有气相进料，则可调节这个气相进料来控制反应器的压力。此外，也可通过对反应气相或液相出料的调节，控制反应器内的压力，
