仪表与自动化(何道清)(二版) 第9章 典型设备控制方案

第9章典型设备控制方案流体输送设备的自动控制传热设备的自动控制精馏塔的自动控制化学反应器的自动控制9.1流体输送设备的控制方案流体输送—动量传递过程。流体输送任务：输送流体（流量）和提高流体压头；流体输送设备：泵是液体输送设备，压缩机是气体输送设备。流体输送设备的控制：流量或压力控制；保护设备不致损坏的保护性控制。流量控制系统的主要扰动：压力和阻力的变化。9.1流体输送设备的控制方案1．离心泵的控制方案离心泵的压头是由旋转叶轮作用于液体的离心力而产生的。转速越高，离心力越大，压头也就越高。离心泵流量控制的目的，就是将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。离心泵的工作特性经验公式H=k1n2k2Q2式中，H—泵的压头；Q—泵的流量；n—泵的转速；k1、k2—比例系数。图9-1离心泵的特性曲线aa—相应于最高效率的工作点9.1流体输送设备的控制方案（1）控制泵的出口阀门开度通过控制泵出口阀门开度来控制流量，如图9-2所示。9-2改变泵出口阻力控制流量图9-3泵的流量特性曲线与管路特性曲线9.1流体输送设备的控制方案在一定的转速n下，离心泵的排出流量与泵产生的压头H的关系如图9-2曲线A所示。改变泵的出口阀门开度，即改变管路上的阻力。相对于不同的开度，具有不同的阻力（如图5-2中管路特性曲线1，2，3），流量特性曲线与泵的管路特性曲线交点即为进行操作的工作点，如图9-2中C1、C2、C3，对应流量Q1、Q2、Q3。控制阀一般应安装在泵的出口管线上，而不安装在泵的吸入管线上。这种控制方案总的机械效率较低。9.1流体输送设备的控制方案（2）控制泵的转速泵的转速改变时，泵的流量特性曲线也会改变。图9-4中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性,且n1n2n3。此时管路特性曲线B与泵的流量特性曲线族n1、n2、n3的交点C1、C2、C3，对应泵处于不同转速时的流量Q1、Q2、Q3。图9-4改变泵的转速控制流量这种控制方案机械效率高；但调速机构较复杂。9.1流体输送设备的控制方案（3）控制泵的出口旁路增加出口旁路，将泵的部分出口流量返回泵吸入管路，以改变旁路阀的开度控制泵的实际排出流量，如图9-5所示。这种控制方案不经济，少用。图9-5改变旁路阀控制流量9.1流体输送设备的控制方案2．往复泵的控制方案往复泵是利用活塞在气缸中往复滑行来输送流体，其理论流量Q理=60nFs（m3/h）式中，F—气缸截面积；s—活塞行程；n—每分钟的往复次数。9.1流体输送设备的控制方案（1）改变原动机的转速若以蒸气机作为原动机，则改变蒸气流量来改变转速n，如图9-6所示；若用电动机作为原动机，调速机构复杂，少用。图9-6改变原动机转速控制方案9.1流体输送设备的控制方案（2）控制泵的出口旁路改变旁路阀开度的方法来控制实际排出流量，如图9-7所示。图9-7改变旁路流量控制方案9.1流体输送设备的控制方案（3）改变冲程s计量泵常用改变冲程s来进行流量控制。注意：往复泵的出口管道上不允许安装控制阀。这是有往复泵的流量特性（见图9-8）决定的。图9-8往复泵的特性曲线9.1流体输送设备的控制方案3.压气机的控制方案压气机主要是提高气体的压力。主要的压气机有压缩机、鼓风机、真空泵等。压气机的被控变量仍然是流量和压力。（1）直接控制流量对于低压离心式鼓风机，一般在其出口直接用控制阀控制流量，由于管径大，可采用蝶阀。9.1流体输送设备的控制方案其余情况，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。由于气体的可压缩性，此方案也适用于往复式压缩机。对于往复式压缩机，应防止控制阀关小时出现“负压”现象，采用分程控制，利用旁路阀避免入口端“负压”，如图9-9所示。图9-9分程控制方案图9-10分程阀的特性9.1流体输送设备的控制方案（2）控制旁路流量对于压缩比很高的多段压缩机，从出口直接旁路回入口是不适宜的。这样控制阀前后压差太大，功率损耗太大。为此，可在中间某段安装反馈回路（旁路）控制阀以达到控制目的，如图9-11所示。（3）调节转速调节原动机转速方案以控制流量。图9-11控制压缩机旁路方案9.1流体输送设备的控制方案4.离心式压缩机的防喘振控制（1）离心式压缩机的特性曲线及喘振现象图9-12是离心式压缩机的特性曲线，即压缩机出口与入口绝对压力之比p2/p1与进口体积流量Q之间的关系曲线。由图可见，对应于不同转速n的每一条p2/p1~Q曲线，都有一个最高点。联接最高点的虚线是一条表征压缩机能否稳定操作的极限曲线。图9-12离心式压缩机特性曲线9.1流体输送设备的控制方案对于离心式压缩机，若由于压缩机的负荷(即流量)减少，使工作点进入不稳定区，将会出现一种危害极大的“喘振”现象。图9-13是离心式压缩机喘振现象的示意图。图9-13“喘振”现象示意图9.1流体输送设备的控制方案（2）防喘振控制方案由上可知，离心式压缩机产生喘振现象的主要原因是由于负荷降低，排气量小于极限值QB而引起的，只要使压缩机的吸气量大于或等于在该工况下的极限排气量即可防止喘振。工业生产上常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种。9.1流体输送设备的控制方案固定极限流量法对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QPQB。固定极限流量法防喘振控制的目的就是在当负荷变化时，始终保证压缩机的入口流量Q1不低于QP值。图9-14是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案，这种控制方案与图9-11所示的旁路控制在形式上相同，但其控制目的、测量点的位置不一样。图9-14防喘振旁路控制9.1流体输送设备的控制方案可变极限流量法当压缩机的转速可变时，进入喘振区的极限流量也是变化的。图9-15中的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机特性曲线的最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线右侧，就可避免喘振发生。但为安全起见，实际工作点应控制在安全操作线的右侧。图9-16是一种变极限流量防喘振控制方案。安全操作曲线近似方程:安全条件:控制方案:12112TbQapp)(1221appbKrp12112TbQapp9.1流体输送设备的控制方案图9-15离心式压缩机特性曲线图9-16变极限流量防喘振控制方案9.2传热设备的自动控制传热设备的自动控制许多生产过程需要进行热量交换—传热。传热设备主要有：换热器，冷凝器，加热炉等。传热设备自动控制的被控变量是温度。9.2传热设备的自动控制1．无相变的换热器控制方案换热器的目的：使工艺介质加热(或冷却)到某一温度。自动控制的目的：通过改变换热器的负荷，保证工艺介质在换热器出口的温度恒定在给定值。热平衡方程:传热速率:则控制方案有四种：)()(12222111ttcGTTcGQmtKFQmtKFttcG)(12221222tcGtKFtm9.2传热设备的自动控制（1）控制载热体的流量图9-17是改变载热体流量的温度控制方案，该方案应用普遍。如果载热体本身压力不稳定，可以采用图9-18所示的温度-流量串级控制方案。图9-17改变载热体流量的图9-18改变载热体流量的温度控制方案温度-流量控制方案9.2传热设备的自动控制（2）控制载热体旁路流量当载热体是工艺流体，其流量不允许变动时，可采用图9-19所示的旁路控制方案。图9-19用载热体旁路控制温度9.2传热设备的自动控制（3）控制被加热流体自身流量当工艺介质的流量允许变化时，可以采用图9-20的控制方案。图9-20用介质自身流量控制温度9.2传热设备的自动控制（4）控制被加热流体自身流量的旁路当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热器的传热面积有余量时，可采用图9-21所示的介质旁路控制方案。（少用）图9-21用介质旁路控制温度9.2传热设备的自动控制2．载热体进行冷凝的加热器自动控制（有相变）用蒸汽冷凝来加热介质的加热器，其加热过程：冷凝降温蒸汽液相液相潜热显热热平衡方程传热速率方程一般情况下，潜热显热，故可不考虑显热。主要控制方案有两种：21211)(GttcGQmax2tKFGQ9.2传热设备的自动控制（1）控制蒸汽流量（常用）若蒸汽压力稳定，采用图9-22所示的简单控制系统方案。若蒸汽压力有波动，增设稳压措施，即设压力定值控制；或采用温度与蒸汽流量（或压力）的串级控制。该方案控制简单易行，过渡过程时间短，控制迅速；但需选用较大蒸汽阀门，传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到100℃以下，这时加热器内蒸汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排出不连续，影响均匀传热。9-22用蒸汽流量控制温度9.2传热设备的自动控制（2）控制换热器有效换热面积（控制凝液排出量）在出口凝液管道上安装控制阀，使换热器中凝液量改变，从而改变有效换热面积，达到稳定介质出口温度的目的，如图9-23所示。较有效的办法是采用串级控制方案，见图9-24和图9-25。图9-25温度-流量串级控制系统图9-23用凝液排出图9-24温度-液位量控制温度串级控制系统9.2传热设备的自动控制3．冷却剂进行汽化的冷却器自动控制工作介质需冷却（降温），水或空气冷却达不到要求时，须采用冷却剂汽化冷却（吸热）。冷却剂：液氨，乙烯，丙烯等。控制方案：图9-26用冷却剂流量控制温度图9-27温度-液位串级控制9.2传热设备的自动控制（1）控制冷却剂的流量（改变传热面积）通过改变液氨的进入流量来控制介质的出口度，见图9-26。注意：该方案液氨的液位不是被控变量，但应防止液位过高，造成蒸发空间不足。故该方案须带上限液位报警，或采用温度-液位自动选择性控制。（2）温度与液位的串级控制该方案以液氨流量作为操纵变量，以温度作为主变量，以液位作为副变量，构成串级控制，见图9-27。该方案的实质是改变传热面积。9.2传热设备的自动控制（3）控制汽化压力液氨的汽化温度与压力有关。工作原理和过程：控制阀开度变化氨冷器内汽化压力改变汽化温度改变工艺介质出口温度改变。控制阀安装在气氨出口管道上。见图9-28。液位上限限制，增设辅助液位控制系统。压力不允许改变时，此方案不能采用。图9-28用汽化压力控制温度9.3精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制精馏过程是现代化工生产中应用极为广泛的传质过程，其目的是利用混合液中各组分挥发度的不同将各组分进行分离，并达到规定的纯度求。1.工艺要求（1）保证质量指标（2）保证平稳操作（3）约束条件（4）节能要求和经济性9.3精馏塔的自动控制2.精馏塔的干扰因素（1）进料流量F的波动；（2）进料成分ZF的变化；（3）进料温度TF及进料热焓QF的变化；（4）再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量的变化；（5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化；（6）环境温度的变化。图9-29精馏塔的物料流程图9.3精馏塔的自动控制3.精馏塔的控制方案（1）精馏塔的提馏段温控主要控制系统：以提馏段塔板温度为被控变量，加热蒸汽量为操纵变量。五个辅助控制系统：对塔底采出量B和塔顶馏出液D，按物料平衡关系分别设有塔底与回流罐的液位控制器作均匀控制；进料量F为定值控制（如不可控，也可采用均匀控制系统）；为维持塔压恒定，在塔顶设置压力控制系统，控制手段一般为改变冷凝器的冷剂量，提馏段温控时，回流量采用定值控制，而且回流量应足够大，以便当塔的负荷最大时，仍能保持塔顶产品的质量指标在规定的范围内。控制方案如图9-30所示。9.3精馏塔的自动控制图9-30提馏段温控的控制方案示意图9.3精馏塔的自动控制提馏段温控的主要特点与使用场合：①由于采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此，它能较直接地反映提馏段产品情况，保证塔底产品质量。②当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进料时，进料量或进料成分的变化首先要影响塔底的成分，故用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。适合于：塔底产品的质量控制；一般塔顶产品质量控制。9.3精馏塔的自动控制（2）精馏塔的精馏段温控主要控制系