第8章--典型过程设备的控制

过程装备控制技术第8章典型过程设备的控制配套资源窦东阳主编，过程控制技术，中国矿业大学出版社，2020（江苏省重点教材）引言现代流程工业是由一系列单元操作的设备和装置组成的生产线进行生产作业的。以化工生产为例，这些单元操作包括流体输送、传热、精馏、化学反应等，此外，加热炉、水汽系统等也是现代生产常见的工业设备。从各个单元涉及的物理和化学变化及加工方式来看，这些生产过程包括动量传递过程、热量传递过程、质量传递过程和化学反应过程等。要实现各个单元的功能，保证生产高效有序进行，必须深入了解生产工艺，按化学工程的内在机理并结合各自的特性制定合理的自动控制方案。本章以上述单元的一些典型化工过程装备为例，只从自动控制的角度出发，根据对象特性和控制需求，介绍若干具有代表性的典型设备的控制方案，从中讨论方案设计的基本原则和技巧方法，以期能根据所学知识取得举一反三的效果。8.1流体输送过程设备的控制8.1.1概述在流体输送过程中，泵是用来输送液体并提高其压力的机械，而风机和压缩机是用来输送气体并提高其压力的机械。除了起停车、顺序控制和联锁动作外，对流体输送设备的控制，大多指流量或压力的控制，如定值控制，比值控制及以流量作为副变量的串级控制等。此外，还有为保护输送设备不致损坏的一些保护性控制方案，如轴瓦振动、油温等的超限保护停机、离心式压缩机的防喘振控制方案等。8.1流体输送过程设备的控制8.1.2离心泵的控制离心泵是常用的流体输送设备，通过旋转翼轮作用于液体的离心力产生压头。转速越高，则离心力越大，压头也越高。在流程工业中，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或为了保持某个工艺条件而不断改变，如某些精馏塔的进料量或回流量需要维持恒定，或者为了保持液位稳定，需要调节出口流量。离心泵的流量控制大体有三种方法：（1）调节泵的出口阀门开度；（2）调节泵的转速；（3）调节泵的出口旁路（1）调节泵的出口阀门开度通过控制泵出口阀门开启程度来控制流量的方法如图8-1所示。应该注意的是，除了某些特殊情况，控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应该安装在泵的吸入管线上，这是因为控制阀在正常工作时，需要有一定的压降，而离心泵的吸入高度是有限的。图8-1改变泵出口阻力调节流量控制出口阀门开度的方案简单易行，应用较广，但机械效率较低，特别是控制阀开度较小时，阀上压降较大，损耗的功率相当大，很不经济。此外，当介质具有腐蚀性或对管路磨损较大时，控制阀的使用寿命不长。改变出口阀门的开度就是改变管路上的阻力，进而引起流量的变化，其工作原理为：在一定转速下，离心泵的排出流量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系，如曲线A所示，在不同流量下，泵的压头是不同的，曲线A即泵的流量特性曲线。泵的压头又必须与管路上的阻力平衡才能进行操作。克服管路阻力所需压头大小随流量增加而增加，如曲线1管路的特性曲线所示。曲线A与曲线1的交点C1称为操作的工况点。此时泵所产生的压头正好用来克服管路阻力，C1点对应的流量Q1即为泵的实际出口流量。而当控制阀开度发生变化时，由于转速是恒定的，所以泵的特性曲线没有变化，曲线A没有变化。但管路上的阻力却发生变化，即管路特性曲线不再是曲线1，随着控制阀的关小，可能变为曲线2或曲线3了。工况点就有C1移向C2或C3，出口流量也由Q1改变为Q2或Q3。图8-2泵的流量特性曲线与管路特性曲线调节泵的出口阀门开度工作原理：（2）调节泵的转速当泵的转速改变时，泵的流量特性曲线就会发生改变。该方案最为经济，机械效率较高，应用也普遍，如在蒸汽透平驱动离心泵的场合，仅需控制蒸汽量即可控制转速。目前，多用变频器配合调速电机来实现。变频调速是通过改变定子电源的频率来改变同步频率实现电机调速的。图8-3改变泵的转速控制流量图8-3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。在同样的流量情况下，泵的转速提高导致压头H增加。在一定的管路特性曲线B的情况下，减小泵的转速，会使工况点由C1移向C2或C3，流量相应也由Q1减少到Q2或Q3。（3）调节泵的出口旁路图8-4改变旁路阀控制流量将泵的部分排出量送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量，如图8-4所示。控制阀在旁路上，由于压差大，流量小，所以控制阀的尺寸可以选的比装在出口管道上的小得多，但是这种方案不经济，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，因而使用较少。8.1流体输送过程设备的控制8.1.2离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的使用日益频繁，进行这类压缩机的控制方案设计时，还有一个特殊的问题需要克服，这就是喘振现象。图8-5离心式压缩机特性曲线离心式压缩机特性曲线的最高点是压缩机能否稳定操作的分界点。在图8-5中，连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，虚线的右侧为正常运行区，虚线的左侧是不稳定区，如图中的阴影部分所示。喘振会导致压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈振动，不予克服将对压缩机造成破坏。8.1流体输送过程设备的控制图8-6是压缩机的出口与入口的绝对压力之比p2/p1与进口体积流量Q之间的关系曲线，称为离心式压缩机的特性曲线。由图可见，对应于不同转速n的每一条p2/p1与Q的关系曲线，都有一个最高点，在此点之右，降低压缩比p2/p1会使流量增大，这种情况下，压缩机有自衡能力，即因干扰作用使得出口管阀的压力下降时，压缩机能自发地增大排出量，提高压力建立新的平衡；反之，在此点之左，降低压缩比，反而使流量减少，这样的对象是不稳定的，这时，如果因干扰作用导致出口管网的压力下降时，压缩机不但不增加输出流量，反而减少排出量，致使管网压力进一步下降，因此，离心式压缩机特性曲线的最高点是压缩机能否稳定操作的分界点。8.1流体输送过程设备的控制对于离心式压缩机的流量减少，使工况点进入不稳定区，发生喘振。图中QB是在固定转速n的条件下对应于最大压缩比（p2/p1）的体积流量（图中B点），它是压缩机能否操作的极限流量。设压缩机的工况点原处于正常运行的点A，由于负荷减少，工况点将沿着曲线ABC方向移动，在点B处压缩机达到最大压缩比。若继续减小负荷，则工况点将落到不稳定区，此时出口压力减小，但与压缩机相连的管路系统在此瞬间的压力不会突变，管网压力反而高于压缩机出口压力，于是发生气体倒流现象，工况点迅速下降到C。由于压缩机在继续运转，当压缩机出口压力达到管路系统压力后，又开始向管路系统输送气体，于是压缩机的工况点由点C突变到点D，但此时的流量QDQB，超过了工艺要求的负荷量，系统压力被迫升高，工况点又将沿DAB曲线下降到C。图8-6压缩机p2/p1与Q关系曲线8.1流体输送过程设备的控制喘振是离心式压缩机所固有的特性，每一台离心式压缩机都有其一定的喘振区域。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸入状态，如温度、压力等的变化，也是使压缩机产生喘振的因素。一般来说，吸入气体的温度或压力越低，压缩机就越容易进入喘振区。根据以上分析，离心式压缩机产生喘振现象的主要是由于负荷降低，排气量小于极限值QB引起的，要想阻止喘振的发生，只要使压缩机的吸气量大于等于当前该工况下的极限排气量即可。防止喘振有两种方法：（1）固定极限流量法；（2）可变极限流量法（1）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，为安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，并且有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8-7是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案，测量点在压缩机的吸入管线上，流量控制器的给定值为QP，当压缩机的排气量因负荷变小且小于QP时，则开大旁路控制阀以加大回流量，保证吸入流量Q1≥QP，从而避免喘振现象的产生。图8-7防喘振旁路控制（2）可变极限流量法采用控制离心泵的转速来调节流量时，进入喘振的极限流量是随压缩机的转速变化的。图8-8上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的右侧，就可以避免喘振发生。但为了安全起见，实际工作点应控制在安全操作线的右侧。安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式表示22111pbQapT式中，T1为入口端绝对温度；Q1为入口流量；a，b为系数，一般由压缩机制造厂提供。P1、P2、T1、Q1可以用测试方法得到。如果压缩比11122baTQPP工况是安全的；如果压缩比11122baTQPP＞,其工况将可能产生喘振。经过换算，上述不等式可写成如下形式：1212rppapbk图8-8防喘振曲线式中△p1为与流量Q1对应的压差，r为一个常数。图8-9就是根据上式所设计的一种防喘振控制方案。压缩机入口、出口压力p1、p2经过测量、变送器以后送往加法器∑，得到（p2-ap1）信号，然后乘以系数（r/bk2），作为防喘振控制器FC的给定值。控制器的测量值是测量入口流量的压差经过变送器后的信号。当测量值大于给定值时，压缩机工作在正常运行区，旁路阀是关闭的；当测量值小于给定值时，这是需要打开旁路阀以保证压缩机的入口流量不小于给定值。这种方案属于可变极限流量法的防喘振控制方案，这时控制器FC的给定值是经过计算得到的，因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值，即随动控制。该随动控制的给定值运算是在闭合回路之外，因此可像一般的简单流量控制系统那样进行控制器参数的工程整定。图8-9变极限流量防喘振控制方案8.2传热过程设备的控制化工生产中，传热设备的形式多样，包括换热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于传热的目的不同，被控变量也不完全一样。在多数情况下，都是将温度作为被控变量。本节按传热的两侧有无相变化的不同情况，只讨论以温度为被控变量时的各种控制方案。此外，加热炉温度的控制将在后续小节单独介绍。8.2传热过程设备的控制8.2.1两侧均无相变化的换热器控制方案换热器的目的是为了使工业介质加热（或冷却）到某一温度，自动控制的目的就是要通过改变换热器的热负荷，以保证工艺介质在换热器出口的温度恒定在给定值上。当换热器两侧流体在传热过程中均不起相变化时，常采用以下几种控制方案：（1）控制载热体的流量；（2）控制载热体旁路流量；（3）控制被加热流体自身流量；（4）控制被加热流体自身流量的旁路。8.2传热过程设备的控制（1）控制载热体的流量图8-10改变载热体流量控制温度图8-10表示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，它根据调整载热体，如热水、冷却水等的流量来达到控制出口温度t2的目的。改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合。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，如图8-11所示，出口温度控制器TC的输出作为载热体流量控制器FC的设定值，能够快速克服载热体压力等干扰对副环的影响，而不必等到干扰作用到主环，引起被控变量改变才产生控制作用。图8-11换热器串级控制系统8.2传热过程设备的控制（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8-12所示的控制方案，采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载流体流量，又可以保证载热体总流量不受影响。这种方案多见于载热体为工艺主要介质时。旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，这是由于在换热器内部流体阻力小的时候，控制阀前后压降很小，这样就使控制阀的口径要选得很大，而且阀的流量特性易发生畸变。图8-12用载热体旁路控制温度8.2传热过程设备的控制（3）控制被加热流体自身流量如图8-13所示，控制阀安装在被加热流体进入换热器的管道上，流体的流速越快，与热流体换热必然不充分，出口温度一定会下降，这种控制方案，只有当工艺允许流量变化时才能采用。图8-13用介质自身流量控制温度8.2传热过程设备的控制（4）控制被