典型化工单元的控制方案

第15章典型化工单元的控制化工单元自动控制的一般设计原则流体输送设备的自动控制传热设备的控制化学反应器的自动控制典型化工单元有哪些？流体输送设备——泵（电机）离心泵容积式泵压缩机传热设备无相变有相变反应器反应釜流化床固定床鼓泡床化工单元自动控制的一般设计原则？选用化工单元的目的：用来实现一些特定的物理和（或）化学反应过程化工单元自动控制的要求：使物理变化过程和(或)化学反应过程在符合预定的要求、条件下自动进行实现化工单元自动控制的原则：保证工艺质量指标满足物料平衡条件满足安全约束条件提高机械效率和能源利用率第一节流体输送设备的自动控制泵的主要控制内容有：出口流量Q压头H能耗泵的转速n对离心泵来说，Q、H和n满足以下关系：QHn1n2n3A1A2A3图10-1离心泵的特性曲线示意图n1n2n3BC1C2C3管路特性曲线离心泵的自动控制离心泵的主要控制方法和特点FC离心泵出口的直接节流FT简便易行、应用广泛机械效率较低特别是在阀门开度较小的时候，阀上的压降较大，即功率损耗很大，因此不宜使用在出口流量小于正常流量30％的场合。FC离心泵旁路流量控制FT由于旁路阀前后的压差很大，所以阀门口径往往较小，工程实施较方便。但由于那部分回流的高压液体能量将消耗于旁路阀上，所以该控制方案的机械效率较低，在实际生产中也较少采用。FC离心泵变频调速控制FT4～20mA380VAC50Hz电压可调频率可调变频调速器——将三相工频50Hz交流电源(或任意电源)变换成三相电压可调、频率可调的交流电源，主要用于交流电动机(异步机或同步机)转速的调节。根据电机理论可知，电机转速与频率近似成正比，改变频率即可以平滑地调节电机转速，而对于变频器而言，其频率的调节范围是很宽的，可在0～400Hz之间任意调节，因此电机转速即可以在较宽的范围内调节。容积泵的自动控制多用于流量较小，压头较高的场合QHn1n2n3n1n2n3特点：将机械能以静压能的形式直接传给流体泵的流体排出量只取决于泵的转速，或者泵的往复次数及泵的冲程大小，而与管路特性基本无关往复泵的每一次往返或者齿轮泵的每一周转动，都有一定量的流体排出，在一定的转速下，随着流量的减小压头急剧增大。因此，这类泵不允许在出口管路上安装调节阀，一旦出口阀门关闭，将导致泵体损坏。容积式泵的控制与离心泵相似，只是有一种不能用FC出口的直接节流FTFC旁路流量控制FTFC变频调速控制FT4～20mA380VAC50Hz电压可调频率可调离心式压缩机的自动控制离心式压缩机的特点喘振区p2/p1Q图10-6离心式压缩机的特性曲线n1n2n3n1n2n3QP12当负荷降低到一定程度时，气体的排送可能会出现强烈的震荡，并使压缩机机身也出现剧烈的振动，这种现象称为压缩机的“喘振”，喘振式离心式压缩机固有的特性。由于喘振现象会严重损坏压缩机机体，这在实际生产过程中是不允许的。因此，在离心式压缩机控制中，防喘振控制是一个极其重要的课题。离心式压缩机的防喘振控制一：固定极限流量控制压缩机QQo图10-7固定极限流量的防喘振控制FCFT固定极限流量的防喘振控制方案结构简单，运行安全可靠，系统投资费用较少但这种方法主要适用于固定转速的场合。当压缩机的转速变化时，如按高转速取给定值，势必在低转速时给定值偏高，能耗过大；如按低转速取给定值，则在高转速时仍有因给定值偏低而使压缩机产生喘振的危险。因此，当压缩机的转速不恒定时，一般不宜采用这种控制方案。离心式压缩机的防喘振控制二：可变极限流量控制略第二节传热设备的自动控制传热方式加热或者冷却传热介质(载热体)无相变如：用热水加热某介质，载热体入口为液态热水，经换热器以后，载热体的出口，还是液态的水（温度较低而已）有相变如：蒸汽加热某介质，载热体入口为蒸汽（汽态），经换热器以后，载热体的出口，已经变成了液态的冷凝水两种情况都有广泛应用，但后者的传热效率较高单回路控制和串级控制是最常用的两种控制方法多数情况，还需要适当引入微分作用，以提高系统的控制质量无相变传热设备的自动控制图10-10换热器的单回路控制TC载热体被控介质换热器tTT结构简单，实施方便，使用方程广泛一般适用于载热体的流量变化对出口温度的影响较灵敏、载热体入口的压力平稳而且负荷变化不大的场合。如果载热体入口的压力不平稳怎么办？图10-11换热器的串级控制TC载热体被控介质换热器tFCFTTT如果载热体入口的压力波动较大，往往还需要对载热体另设稳压控制，或者采用以被控介质的温度为主变量，以载热体的流量（或压力）为副变量的串级控制，如果载热体入口流量不允许调节怎么办？图10-12载热体的旁路流量控制TC载热体被控介质换热器tTT可以用一个三通分流调节阀来取代调节阀，三通调节阀用来改变进入换热器的载热体流量和旁路流量的比例，这样即可以调节进入换热器的载热体流量，又可以保证载热体总流量不受影响。很常用很常用不很常见思考题：如果被控介质的入口温度波动较大怎么办？如果被控介质的流量波动较大怎么办？前面介绍的几种控制方案都是采用载热体流量作为控制变量（操纵变量）理论上，改变被控介质的流量同样也能达到控制其出口温度的目的例如：图10-13改变被控介质流量控制出口温度TC载热体被控介质换热器tTT图10-14改变介质旁路流量控制出口温度载热体被控介质换热器tTTTC不常见不常见有相变加热设备的自动控制在加热器中进行热交换的能量包括两个部分：一是蒸汽冷凝成凝液而散发出的汽化潜热，二是冷凝液降温散发出的显热。通常，蒸汽冷凝潜热要比冷凝液降温的显热大的多。在有相变情况下的加热器常采用下面两种控制方案：一是直接控制入口蒸汽的流量，二是通过改变凝液排出量来控制有效换热面积。当蒸汽流量及其他工艺条件比较稳定的时候，可以采用通过改变入口蒸汽流量来控制被加热介质的出口温度，这是一种最简单也是最常见的控制方案。图10-15改变蒸汽流量控制出口温度TC蒸汽被控介质冷凝液tTT当阀前蒸汽压力有波动时，可对蒸汽总管增设压力定值控制系统，或者采用温度与蒸汽流量（或压力）的串级控制。一般来说，设压力定值控制比较方便，但采用温度与流量的串级控制可以对于副环内的其余干扰，或者阀门特性不够完善的情况，也能有所克服图10-16出口温度－蒸汽流量的串级控制TCtFCFTTT蒸汽冷凝液被控介质在传热系数和传热温差基本保持不便的情况下，改变由有效的换热面积也可以达到控制出口温度的目的。图10-17改变换热面积控制温度蒸汽被控介质冷凝液tTTTC冷凝液至传热面积的通道是一个滞后的过程，这必将降低系统的控制品质。一个有效的控制方案就是采用串级控制，使这一环节包含于副回路内，以改善广义对象的特性。常用的串级控制有两种方案：一是温度与冷凝液液位之间的串级控制；另一种是温度与蒸汽流量之间的串级控制，但调节阀安装在冷凝液的出口管路上。图10-18温度－液位串级控制蒸汽被控介质冷凝液LTLCTCtTT图10-19温度－流量串级控制蒸汽被控介质冷凝液FTFCTCtTT有相变加热设备的自动控制——比较图10-16出口温度－蒸汽流量的串级控制TCtFCFTTT蒸汽冷凝液被控介质图10-18温度－液位串级控制蒸汽被控介质冷凝液LTLCTCtTT控制蒸汽流量的方案简单易行、过渡过程时间短、控制迅速，缺点是需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，容易造成冷凝液的排放不连续，影响均匀传热，容易出现局部过热。控制冷凝液排出量的方案，控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。但由于变化和缓，有防止局部过热的优点。由于蒸汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以可以选用尺寸较小的阀门。传热设备上一个具有多容时滞的分布参数系统，所以在检测元件的安装时，不论在安装位置上，或者安装方式上，都应该将测量滞后减到最小程度。另外，在控制器的参数整定过程中，适当引入微分作用往往上有益的。有相变冷却设备的自动控制当冷却器的传热面积、汽化空间有裕度的情况下，进入液氨量的多少，决定了汽化量的多少。所以，通过改变液氨的流量，可以调节液氨因汽化带走到汽化潜热量，从而达到控制介质温度的目的，即采用最简单的单回路控制图10-20用冷却剂流量控制温度液氨汽氨被控介质tTTTC如果进入冷却器的液氨量超过其蒸发能力，可以导致冷却器内的液位上升，汽化空间将减小，过高的液位会导致汽化空间不足，轻则使控制质量下降，重则会因汽氨中夹带大量液氨引起氨压缩机的损坏怎么办？既然问题出现在液位上，那么就把液位也控制起来怎么控制？图10-21冷却器的温度-液位串级控制系统液氨被控介质汽氨tTTLCTCLT串级控制系统仍然以液氨流量作为操纵变量以被控介质出口温度作为主变量增加了冷却器内的液位作为副变量进行控制。它把引起液位变化的一些干扰（如液氨压力等）包含在副回路中，从而提高了控制质量。另一个重要问题冷却剂的汽化温度是与汽化压力直接相关的这是一个很基本的问题在上述控制方案中，如果汽化压力出现较大的波动，必将造成冷却器内的温度发生很大的变化，使控制品质下降，甚至因局部过冷造成工艺设备的冻结怎么办？把汽化压力也控制起来图10-22用汽化压力控制温度液氨汽氨被控介质tLTLCTTTC图10-23汽化压力的单独控制方案液氨汽氨被控介质tTTTCPTPC第三节化学反应器的自动控制反应釜的直接控制内容反应速度、转化率、成分……上述指标很难直接检测上述指标往往与反应釜的温度、压力有密切的联系上述指标的控制可以转化为温度控制、压力控制相对来说压力控制较方便也就是说，温度往往是反应釜最重要的控制内容(1)改变进料温度控制反应釜温度图10-24用进料温度控制釜温进料TTTC载热体当物料经过预热器进入反应釜之前，改变预热器的载热体流量，可以改变进入反应釜发物料温度，从而达到维持反应釜内温度恒定的目的。很明显，这种控制方法简单，但局限性较大。(2)控制传热量大多数反应釜是属于热交换式的，因此用改变传热量的方法就可以实现这类反应釜的温度控制。被控变量是釜内的温度，操纵变量是载热体的流量。是一种简单、成本低、维护方便、应用范围最广的控制方案。TTTC载热体图10-25用载热体流量控制釜温但有些时候也会出问题：由于受到反应釜容量、热交换速度等因素的影响，釜内温度的滞后往往较大。特别是用于聚合反应时，釜内的物料粘度大、热传递差、混合不均匀，都很难使温度控制达到严格的要求，甚至出现“爆聚”的危险。怎么办？(3)采用串级控制根据进入反应釜的主要干扰的不同，通常可采用载热体流量－釜温的串级控制夹套温度－釜温的串级控制釜压－釜温的串级控制TTTC载热体FTFCTTTC载热体TTTCTTTC载热体PTPC思考：三种串级控制方案个适用于什么场合？关键问题分析生产工艺设计合适的控制回路如果主要干扰波动频繁、变化较大，则可以采用串级控制或者前馈控制如果设计到两种或者两种以上物料的配比，此时应该考虑选择比值控制