8典型化工单元的控制方案

化工仪表及自动化主讲教师：杨明平联系电话：[phone]QQ：[e-mail]目录1234绪论自动控制系统基本概念检测仪表及传感器显示仪表567自动控制仪表执行器简单控制系统8典型化工单元的控制方案主要内容提要1234流体输送设备的控制方案传热设备的自动控制方案精馏塔的自动控制方案反应器的自动控制方案①对于同一的化工单元，了解各种控制方案的异同。②熟悉各种控制方案的优缺点及应用。③能够为化工单元操作过程设计合理的自动控制方案。学习要点2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案4第一节流体输送设备的控制方案一、离心泵的控制方案离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。离心泵的流量控制大致存在以下三种方法：1.控制泵的出口阀门开度当干扰作用使被控变量(流量)发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案5转速n一定时，泵的流量特性曲线A与管路特性曲线的交点C即为泵的实际工作点，此时泵所提供的压头H正好用来克服管路阻力，其对应的流量即为泵的实际流量。实质是改变管路特性。改变泵出口阻力控制流量泵的流量特性曲线与管路特性曲线这种方案简单，使用广泛，但通过改变管路阻力，使泵提供的部分压头消耗在阀门上，故能量消耗大，效率低，不经济。一、离心泵的控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案6一、离心泵的控制方案2.控制泵的转速改变泵的转速控制流量曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1＞n2＞n3。该方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但调速机构一般较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场合，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案7控制蒸汽大小即可达到控制转速的目的。适用于输送粘度大的介质(如焦油、重油等)及易燃、易爆介质。一、离心泵的控制方案FC蒸汽物料冷凝水2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案8一、离心泵的控制方案3.控制泵的出口旁路改变旁路阀控制流量将泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量。控制阀装在旁路上，压差大，流量小，因此控制阀的尺寸较小。该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案9这类泵的运动部件每往复一次或每转一周，所需介质的量是一定的，因而对这类泵既不允许控制进口，也不允许控制出口。主要原因是：若出口量减少，出口压力立即达到最大值，从而导致泵壳及运动部件损坏；若进口量减少，会造成较大的负压，同样也会使运动部件损坏。二、位移式泵（容积泵）的控制方案齿轮泵（运动部件：齿轮）计量泵（运动部件：柱塞）往复泵（运动部件：活塞）位移式泵2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案10二、位移式泵（容积泵）的控制方案1.改变原动机的转速改变转速的方案该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速，进而控制往复泵的出口流量。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案11二、位移式泵（容积泵）的控制方案2.控制泵的出口旁路改变旁路流量该方案由于高压流体的部分能量要白白消耗在旁路上，故经济性较差。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案12二、位移式泵（容积泵）的控制方案3.改变冲程s往复泵的特性曲线计量泵常用改变冲程s来进行流量控制。冲程s的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行的。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案13这里不作详细介绍，它与泵的控制相似。但一般采用控制旁路的方案，以防“喘振”现象的发生而对风机造成损害。三、压气机的控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案14第二节传热设备的自动控制方案一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案（1）控制载热体的流量改变载热体流量控制温度利用控制载热体流量来稳定被加热介质出口温度的控制方案。采用该控制方案时，载热体必须是可控的才行。这种方案是应用最广泛一种，多用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案15一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案换热器串级控制系统如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案16采用该法时，载热体为工艺主要介质，其总量是不可控的。但应注意的是不能直接将控制阀置于旁路而采用控制载热体流经旁路的量。主要是因为若换热器内部阻力小，则控制阀前后的压差就小，阻力比S就小，一方面导致控制阀的流量特性发生突变，另一方面导致控制阀口径DN要大[KV=10Q（ρ/ΔP）0.5，ΔP小，KV大，DN大]。一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案（2）控制载热体旁路流量用载热体旁路控制温度2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案17一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案（3）控制被加热流体自身流量用介质自身流量控制温度只能用在工艺介质的流量允许变化的场合。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案18一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案（4）控制被加热流体自身流量的旁路用介质旁路控制温度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，可将一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温度。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案19（1）控制蒸汽流量用蒸汽流量控制温度通过改变加热蒸汽量来稳定被加热介质的出口温度。当阀前蒸汽压力有波动时，可对蒸汽总管加设压力定值控制，或者采用温度与蒸汽流量（或压力）的串级控制。加热器串级控制系统凝液蒸汽二、载热体进行冷凝的加热器控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案20该方法实质是控制换热器的有效传热面积。二、载热体进行冷凝的加热器控制方案（2）控制换热器的有效换热面积用凝液排出量控制温度温度-液位串级控制系统温度-流量串级控制系统2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案21二、载热体进行冷凝的加热器控制方案控制换热器的有效换热面积法缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优点：防止局部过热，对一些过热后会引起化学变化的热敏性介质比较适用。另外，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控制阀门。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案22三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案（1）控制冷却剂的流量用冷却剂流量控制温度该方案不以液位为被控变量，但液位不能过高，过高会造成蒸发空间不足，使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操作事故。这种控制方案带有上限液位报警，或采用温度-液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时，自动把液氨阀关小或暂时切断。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案23三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案（2）温度与液位的串级控制温度-液位串级控制该方案的实质是改变传热面积。但采用了串级控制，将液氨压力变化而引起液位变化的这一主要干扰包含在副环内，从而提高了控制质量。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案24三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案（3）控制汽化压力用汽化压力控制温度工作原理：基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变化，就能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出口温度的目的。但是由于控制阀安装在气氨出口管道上，故要求氨冷器要耐压，并且当气氨压力由于整个制冷系统的统一要求不能随意加以控制时，这个方案就不能采用了。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案25底部产品顶部产品冷却剂回流罐精馏塔加热剂精馏塔的物料流程回流进料再沸器冷凝器精馏是将液体混合物分离使其达到规定纯度的传质过程。精馏塔是精馏过程的关键设备。在精馏操作中，被控变量多，可选用的操纵变量也多，被控对象的通道多，内在机理复杂，变量又互相关联，而要求一般又较高。第三节精馏塔的自动控制2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案26精馏操作的工艺要求①操作要处于合适的工况，以保证塔的平稳操作，确保产品质量，提高塔的效率。②节能降耗能耗：热剂(主要是蒸汽)、冷剂(水、冷冻盐水)的消耗。物耗：产出(产品量)与投入(原料量)的比例。第三节精馏塔的自动控制精馏操作对控制方案的要求①尽量预先克服进塔前主要的可控干扰（如进料量波动、进料温度波动等）②保证质量指标（顶、底产品的纯度达到质量指标的要求）③保证塔的平稳操作（满足F=D＋W物料平衡关系）2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案27一、精馏塔的提馏段温度控制方案采用以提馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变再沸器加热量作为控制手段的方案，就称为提馏段温控。（见控制流程图）这种方案主要用于以塔底为主要产品，对塔釜的成分要求比塔顶馏出液高时。此外，对塔顶和塔底产品质量要求相近，在液相进料时，也往往采用此方案。因为液相进料流量Ｆ的变化先影响到釜液成分，故用提馏段控制较及时。采用该方案时，冷剂消耗较大。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案28提馏段温控的控制方案示意图返回冷却剂回流罐精馏塔再沸器冷凝器TCLCLCFCFCPC2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案29二、精馏塔的精馏段温度控制方案采用以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，而以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控。（见控制流程图）这种方案主要用于以塔顶为主要产品，对塔顶的成分要求比塔底馏出液高时。此外，对塔顶和塔底产品质量要求相近，在气相进料时，也往往采用此方案。因为气相进料流量Ｆ的变化先影响到顶液成分，故用精馏段控制较及时。采用该方案时，热剂消耗较大。2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案30精馏段温控的控制方案示意图返回冷却剂回流罐精馏塔再沸器冷凝器TCLCLCFCFCPC2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案31第四节反应器的自动控制１.改变进料温度的控制方案改变进料温度控制釜温以反应釜温度为被控变量，以加热剂为控制手段，用改变进料温度的方法使反应器温度稳定。一、釜式反应器的温度自动控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案322.改变传热量的控制方案由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。改变加热剂或冷却剂流量控制釜温一、釜式反应器的温度自动控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案333.串级控制方案一、釜式反应器的温度自动控制方案如果冷却水压力波动不大，则以反应釜温度为主环，夹套水温为副环构成温度---温度串级控制方案。如果冷却水压力经常波动为主要扰动，以反应釜温度为主环，冷却水流量为副环构成温度---流量串级控制方案。釜温与冷剂流量的串级控制釜温与夹套温度的串级控制2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案341.改变进料浓度的控制方案以氧化炉温度为被控变量，温度控制作为主环，氨和空气的比值控制系统为副环，构成串级控制系统。控制阀装在氨管道上，可使总气体流量稳定。而且当空气中断时，可把氨气切断，保证安全。氨氧化炉温度-比值串级控制二、固定床反应器的自动控制方案2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案35二、固定床反应器的自动控制方案2.改变进料温度的控制方案用载热体流量控制温度用旁路控制温度2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案36二、固定床反应器的自动控制方案3.改变段间进入的冷剂量或热剂量的控制方案用改变段间冷气量控制温度用改变段间蒸汽量控制温度2019/8/14第十一章典型化工单元控制方案37三、流化床反应器的自动控制方案改变入口温度控制反应器温度改变冷剂流量控制温度流化床差压指示系统2019/8/14第十一章典型化工单