过程控制技术-第七章 典型单元的基本控制方案.ppt

过程控制技术,典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,工业生产过程是由一系列基本单元操作的设备所组成的生产线来进行的，这些单元的操作主要有动量传递过程、传热过程、传质过程和化学反应过程，单元操作的控制方案的确定是实现生产过程自动化的重要环节。要确定出一个好的控制方案,必须深入了解生产工艺,按照单元设备的内在机理来探讨其自动控制方案。本章主要从自动控制的角度出发，选择一些典型的生产过程操作单元为例，根据对象的特性和控制的要求，分析典型操作单元中具有代表性的设备的基本控制方案，从中阐明确定控制方案的共性原则和方法，以便从中更广泛地获取一些应用过程控制技术的经验。,7典型单元的基本控制方案,7.1流体输送设备的控制在工业生产过程中，各种物料多数是在连续流动状态下进行传热过程、传质过程或者是化学反应过程。为了使物料便于输送、控制，多数是以气态或液态方式在管道内流动。流体的输送是一个动量传递过程，流体在管道内流动是从泵或压缩机等流体输送设备的运行中获得能量，以克服流动阻力。泵是液体的输送设备，压缩机则是气体的输送设备。,7典型单元的基本控制方案,流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。在连续性的工业生产过程中，除了某些特殊情况如泵的启停、压缩机的程序控制和信号联锁保护外，对流体输送设备的控制多数是属于流量或压力控制，如简单控制、比值控制或流量作为副环的串级控制等。此外，还有为保护输送设备不被损坏的一些控制方案，如离心压缩机的“防喘振”控制。,7典型单元的基本控制方案,7.1.1离心泵的控制方案离心泵是最常见的液体输送设备。它的压头是由旋转翼轮作用于液体的离心力而产生的。转速越高则离心力越大，压头也就越高。泵的压头H、排量Q、和转速n、之间的函数关系，称为泵的特性，可用如图7-1来表示。（图中：n3n2n1）,7典型单元的基本控制方案,离心泵的特性也可用下列经验公式来表示：H=K1n-K2Q,7典型单元的基本控制方案,控制离心泵的阀门开度通过控制离心泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图7-2所示。当干扰作用使被控变量发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号指挥控制阀动作，控制结果使得流量回到给定值上。,7典型单元的基本控制方案,当控制阀开启度发生变化时，由于泵的转速是恒定的，所以离心泵的特性没有改变，但管路上的阻力却发生了变化，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。工作点就由C1移向C2或C3，出口流量也由Q1改变为Q2或Q3，如图7-3所示。以上就是通过控制离心泵的出口控制阀开启度来改变排出流量基本原理。,7典型单元的基本控制方案,采用本控制方案时，要注意控制阀一般应该安装在泵的出口管路上，而不应该安装在泵的吸入管路上，否则由于控制阀节流作用可能会使流体出现“气缚”及“气蚀”现象。如果泵的进口压力过低而使液体部分汽化，使泵丧失排送能力，这叫气缚。液体夹带着蒸汽压到出口又急剧地冷凝，冲蚀着翼轮和泵壳，这叫汽蚀。这两种现象会对泵的正常运行造成不良影响并且影响泵的使用寿命。,7典型单元的基本控制方案,控制离心泵的转速当离心泵的转速改变时，泵的流量特性曲线会发生改变。这种控制方案以改变泵的特性曲线，移动工作点，来达到控制流量的目的。如图7-4表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况。,7典型单元的基本控制方案,改变泵的转速以控制流量的方法有：用电动机作原动机时，采用变频调速装置；用汽轮机作原动机时，可调节导向叶片角度或蒸汽流量；也可利用在原动机与离心泵之间的联轴变速器，设法改变转速比。采用这种控制方案时，在输送管路上不需安装控制阀，减少了管路阻力的损耗，泵的机械效率较高，所以在大功率的离心泵装置中得到了应用。但要具体实现这种控制方案都比较复杂，所需设备费用亦较高。,7典型单元的基本控制方案,3.控制离心泵的出口旁路如图7-5所示为改变旁路回流量的控制方案。它是在离心泵的出口与入口之间加一旁路管路，让一部分排出流量重新回流到泵的入口。这种控制方式实质也是通过改变管路特性来达到控制流量的目的。显然，采用这种控制方案必然有一部分能量损耗在旁路管路上，所以机械效率也是较低的。但是具有可采用小口径控制阀的优点，因此在实际生产过程中还有一定的应用。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.1.2往复泵的控制方案往复泵也是常见的流体输送设备，多用于流量较小、压头要求较高的场合。它是利用活塞在气缸中做往复运动来输送流体的。往复泵提供的理论流量可按下面公式计算：Q理=60nFS（m/h）,7典型单元的基本控制方案,从上述的计算公式中可清楚地得知，影响往复泵出口流量变化的仅有n、F、S三个参数，或者说只能通过改变n、F、S来控制流量。了解这一点对设计流量控制方案很有帮助。常用的往复泵流量控制方案有三种：改变原动机的转速（图7-6所示）控制泵的出口旁路（图7-7所示）改变冲程S计量泵常用改变冲程S来进行控制流量。由于控制冲程的机构复杂，其他用途的往复泵很少选择该方案。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,由于往复泵以及其它容积式泵均有一个共同的结构特点，即是泵的运动部件与机壳之间的间隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以绝对不能采用出口处直接安装控制阀节流的方法来控制流量，一旦出口处阀门关死，将可能造成泵损机毁的严重后果。,7典型单元的基本控制方案,7.1.3压缩机的控制方案压缩机和泵都是输送流体的设备，其区别在于压缩机是用来提高气体的压力，气体是可以压缩的，所以在操作时要考虑压力对其密度的影响的因素。压缩机的种类很多，按其工作原理的不同可分为离心式和往复式两大类，按其进、出口压力高低的差别可分为鼓风机、压缩机等类型。在制定控制方案时必须要考虑到各自的特点。,7典型单元的基本控制方案,压缩机的控制方案与离心泵的控制方案有很多相似之处，被控变量同样是流量或压力，控制手段一般可分为三类：直接控制流量对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口处直接控制流量，气体输送的管径通常都较大，执行器可采用蝶阀。其它情况下，为了防止鼓风机出口压力过高，可在入口端控制流量.因为气体的可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。在控制阀关小时，会在压缩机入口端引成负压，这就意味着吸入同样容积的气体，其质量流量减少了。流量降低到额定值的5070以下时，负压严重而使压缩机效率大为降低。这种情况下，可采用分程控制方案，如图7-8所示。出口流量控制器控制着两个控制阀。吸入阀1只能关小到一定开度，如果需要的流量还要小，则应打开旁路阀2，以避免入口端负压严重。,7典型单元的基本控制方案,控制转速压缩机转速的改变能使其出口的流量和压力发生变化，控制转速就能控制压缩机的出口流量和压力。这种控制方案从能量效率上说最经济，但在设施上较复杂。大功率的风机，尤其用蒸汽透平带动的大功率风机应用调速的方案较多。控制旁路流量用旁路控制回流的办法控制流量的方案与离心泵的一样,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.1.4离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的喘振现象离心式压缩机的固有特性：当负荷降低到一定程度时，气体的排送会出现强烈的震荡而引发压缩机剧烈振动，这种现象称为喘振。压缩机的喘振会严重损坏机体，进而产生严重的后果。压缩机在喘振状态下运行是不允许的，在生产过程中一定要防止喘振的发生。因此，在离心式压缩机的控制方案中，防喘振控制是一个重要的课题。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,为什么会发生喘振呢？离心式压缩机的特性曲线即压缩比（P2/P1）与进口体积流量Q之间的关系曲线如图7-9所示。图中n是离心式压缩机的转速，由图可知不同的转速下每条曲线都有一个P2/P1值的最高点，连接每条曲线最高点的虚线是一条表征喘振的极限曲线。虚线左侧的阴影部分是不稳定区，称为喘振区，虚线的右侧为稳定区，称为正常运行区。若压缩机的工作点在正常运行区，此时流量减小会提高压缩比，流量增大会降低压缩比。假设转速为n2，正常流量为QA，如有某种干扰流量减小，结果压缩比增加，即出口压力P2增加，使压缩机排出量增加，自衡作用使负荷回复到稳定流量QA上。假如负荷继续减小，使负荷小于QP时，,7典型单元的基本控制方案,即移动到P2/P1的最高点排出量继续减小，压力P2继续下降，于是出现管网压力大于压缩机所能提供压力的情况，瞬时会发生气体倒流，接着压缩机恢复到正常运行区，由于负荷还是小于QP，压力被迫升高，重又把倒流进来的气体压出去，此后又引起压缩比下降，出口的气体又倒流。这种现象重复进行时，称之为喘振。表现为压缩机的出口压力和出口流量剧烈波动，机器与管道振动，如果与机身相连的近网较小并严密，则可能听到周期性的如同哮喘病人“喘气”般的噪声；而当管网容量较大时，喘振时会发生周期性间断的吼叫声，并伴随有止逆阀的撞击声，这种现象将会使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈振动，甚至使压缩机等设备遭到破坏。,7典型单元的基本控制方案,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，排气量小于极限流量值QP而引起的，只要使压缩机的吸气量大于或等于在工况下的极限排气量即可防止喘振。工业生产过程中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，现简述如下：,7典型单元的基本控制方案,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QP，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QPQA。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QA不低于QP值。图7-10所示是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案，这种控制方案与压缩机旁路控制方案在形式上相同，但其控制目的、测量的位置不一样。在这种方案中，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QAQP，从而避免喘振现象的产生。,7典型单元的基本控制方案,本方案结构简单，运行安全可靠，投资费用较少，但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，当压缩机的转速不是恒值时，不宜采用这种控制方案。,7典型单元的基本控制方案,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7-11所示的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机的特性曲线最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧，就可以避免喘振的发生。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：P2/P1=a+bQ1/T1,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,如图7-12就是根据式（7-7）所设计的一种防喘振的控制方案。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（P2aP1）信号，然后乘以系数/bK，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，这时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，这时控制器的给定值是经过运算来获得，因此该方案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，而且由于这种方案将运算部分放在闭合回路之外，因此，该控制方案可像单回路流量控制系统那样整定控制器的参数。,过程控制技术,传热设备的控制,7典型单元的基本控制方案,7.2传热设备的控制在工业生产过程中，传热设备主要是用来对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于它们的传热目的不同，被控参数也不完全一样。生产过程中进行传热的目的主要有以下三种：使物料达到规定的温度；使物料改变相态；回收热量。,7典型单元的基本控制方案,7.2.1换热器的控制换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或冷却到一个工艺要求的温度，自动控制的目的就是要通过改变换热器的热负荷以保证物料在换热器出口温度在工艺要求范围内稳定在给定值上。当换热器两侧流体在传热过程中均无相变化时，一般采用下列几种控制方案：,7典型单元的基本控制方案,控制载热体的流量这个控制方案的控制流程如图7-13所示，从传热的基本方程式和传热的速率方程式能说明这种控制方案的可行性。如果不考虑传热过程中的热量损失，则热流体失去的热量应该等于冷流体获得的热量，可写出下列热量平衡方程式：Q=G1c1（T1-T2）=G2c2（t1-t2）,7典型单元的基本控制方案,由于冷热流体间的传热既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有下列关系式：G2c2（t1-t2）=KFtm可改写为：t2=KFtm/G2c2+t1,7典型单元的基本控制方案,从上式可以判断出，在传热面积F、冷流体进口流量G2温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流体出口温度t2的主要因素是传热系数K及平均温差tm。控制载热体流量实质上是改变了。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会使阀门关小以减少载热体的流量G1，从传热速率方程可以看出K、tm会同时减小，而使冷流体G2的出口温度t2也下降回到给定值的控制要求。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,控制载热体流量是换热器操作中应用最为普遍的一种控制方案，多适用于载热体流量变化对温度影响较灵敏的场合。如果载热流体的压力不稳定而成为主要干扰较严重地影响到被控参数的控制精度时，可采用以温度t2为主参数、载热体流量G1为副参数的串级控制系统的实施控制方案，力求达到工艺操作的要求。如图7-14所示。,7典型单元的基本控制方案,控制载热流体的旁路当载热体是工艺物料，其流量不允许节流时，可采用如图7-15所示的控制方案。这种方案的控制机理与前一种方案相同，也是得用改变温差tm和K的手段来达到控制温度t2的目的。方案中采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量及其旁路流量的比例，这样既可控制进入换热器的载热体的流量，又可保证载热体总流量的不受影响。这种控制方案在载热体为工艺物料时是极为常见的。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,控制被加热流体流量的旁路如图7-16所示为被加热流体流量旁路控制方案，其中一部分工艺物料经换热器，另一部分走旁路。这种方案从控制机理来看，实际上是一个混合过程，所以反应迅速及时，适用于物料停留在换热器里的时间较长的操作。但需要注意的是换热器必须要有富裕的传热面积，而且载热体流量一直处于高负荷下，该方案在采用专门的载热体时是不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是工艺物料，总量本不宜控制，这时便不成为缺点了。,7典型单元的基本控制方案,7.2.2蒸汽加热器的控制蒸汽加热器的载热体是蒸汽，通过蒸汽冷凝释放热量来加热物料，水蒸气是最常用的一种载热体，根据加热温度的不同，也可采用其他介质的蒸汽作为载热体。,7典型单元的基本控制方案,控制蒸汽载热体的流量如图7-17所示是控制蒸汽流量的温度控制方案。蒸汽在传热过程中起了相态变化，其传热机理是同时改变了传热速率方程中的平均温差tm和传热面积F。当加热器的传热面积没有富裕时，应以改变温差tm为控制手段，调节蒸汽载热体流量G1的大小即可改变温差tm的大小，从而实现对被加热物料出口温度t2的控制。这种控制方案控制灵敏，但是当采用低压蒸汽作为载热体时，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，采用该控制方案就需慎重。,7典型单元的基本控制方案,控制冷凝液的排放量如图7-18所示是控制冷凝液流量的控制方案。该方案的机理是通过控制冷凝液的排放量，改变了加热器内冷凝液的液位，导致传热面积F的变化，从而改变了传热量Q，以达到对被加热物料出口温度的控制。这种控制方案有利于冷凝液的排放，传热变化比较平缓，可防止局部过热，有利于热敏介质的控制。此外该方案的排放阀的口径也小于蒸汽阀的，但这种改变传热面积的控制方案的动作比较迟钝。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.2.3冷却器的控制冷却器的载热体是冷却剂，工业生产过程中常常采用液态氨等介质作为制冷剂，利用它们在冷却器内蒸发时吸收工艺物料的大量热量，使工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺的要求。工业用冷却器的一般控制方案有以下几种。,7典型单元的基本控制方案,控制冷却剂的流量如图7-19所示为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案，其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现。该方案控制平稳，冷量利用充分，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，易引起气氨带液而损坏压缩机。为此可采用如图7-20所示的物料出口温度与液位的串级控制系统，或如图7-21所示的选择性控制系统。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,控制气氨排量如图7-22所示为氨冷却器控制气氨排量的控制方案，其机理是通过改变传热速率方程中的平均温差来控制工艺物料的出口温度。采用这种方案时，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。为确保系统的安全运行，还需要设置一个液位控制系统，防止液态氨进入气氨管路而导致压缩机损坏。,7典型单元的基本控制方案,过程控制技术,精馏塔的控制,7典型单元的基本控制方案,7.3精馏塔的控制精馏是现代化工、炼油等工业生产中应用极为广泛的传质传热过程，其目的是将混合物中各组分分离，达到规定的纯度。精馏过程的实质就是利用混合物各组分具有不同的挥发度，使液相中的轻组分转移到气中，而气相中的重组分转移到液相中，从而实现分离的目的。,7典型单元的基本控制方案,一般精馏装置由精馏塔塔身、冷凝器、回流罐以及再沸器等设备组成，如图7-23所示。在实际生产过程中，精馏操作可分为歇间精馏和连续精馏两种，工业生产主要采用连续精馏。精馏塔是精馏过程的关键设备，它是一个非常复杂的对象。在精馏操作中，被控变量多，可以选择的操纵参数也多，它们之间又可以有各种不同的组合，所以控制方案繁多。由于精馏塔对象的控制通道很多，反应缓慢，内在机理复杂，参数之间相互关联，加上工艺生产对控制要求又较高，因此在确定控制方案前必须深入分析工艺特性，总结实践经验，结合具体情况，才能设计出合理的控制方案。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.3.1精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标是：在保证产品质量合格的前提下，回收率最高和能耗最低，或使塔的总收益最大，或总成本最小，一般来讲应满足职下三方面要求。保证质量指标在精馏塔的生产过程中，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品符合工艺要求的纯度，另一个产品的组分亦应该保持在规定的范围之内。此时，应取精馏塔塔顶或塔底的产品质量作为被控变量，这种控制系统称之为精馏塔的质量控制系统。,7典型单元的基本控制方案,物料平衡和能量平衡为了保证精馏塔的物料平衡和能量平衡，必须把进塔之前的主要可控干扰尽可能预先克服，同时尽可能缓和一些不可控的主要干扰。例如，可设置进料的温度控制、加热剂和冷却剂的压力控制、进料量的均匀控制系统等等。为了维持塔的物料平衡，必须控制塔顶馏出液和釜底采出量，使其之和等于进料量，而且两个采出量变化要缓慢，以保证精馏塔操作的平稳。塔内的持液量应保持在规定的范围内波动，控制好塔内的压力稳定，对精馏塔的物料平衡和能量平衡是十分有必要的。,7典型单元的基本控制方案,约束条件为确保精馏塔的正常、安全运行，操作时必须使某些操作参数限制在约束条件之内。常用的精馏塔限制条件为液泛限、漏液限、压力限和临界温差限等。液泛限又称气相速度限，即塔内气相速度过高时，雾沫夹带现象十分严重，实际上是液相从下面塔板倒流到上面塔板，产生液泛会破坏塔的正常操作。漏液限又称为气相最小速度限，当气相速度小于某一值时，将产生塔板漏液现象，板效率下降。最好能在稍低于液泛的流速下操作。要防止液泛和漏液现象，可以通过塔压降或压差来监视气相速度。压力限是塔的操作压力的限制，一般设最大操作压力限，超限会影响塔内的气液相平衡，严重超限甚至会影响安全生产。,7典型单元的基本控制方案,7.3.2精馏塔的干扰因素在精馏塔的操作过程中，影响其质量指标的主要干扰因素有：,7典型单元的基本控制方案,进料流量F的波动进料量F在很多情况下是不可控的，它的波动通常难以完全避免。如果一个精馏塔是位于整个工艺生产过程的起点，要使进料流量F恒定，可采用定值控制。然而，在多数情况下，精馏塔的处理量是由上一工序决定的。如果要使进料量恒定，势必需要设置很大的中间贮存物料的容器。工艺生产上新的设计思想是尽量减小或取消中间贮槽，而是在上一工序中采用液位均匀控制系统来控制出料量，以使进料流量F的波动不致于剧烈。,7典型单元的基本控制方案,进料成分ZF的变化进料成分ZF一般是不可控的，它的变化也是无法避免的，进料成分ZF由上一工序或原料情况所确定。,7典型单元的基本控制方案,进料温度QF及进料热焓QF的变化进料温度QF通常是比较恒定的，假如不恒定，可以先将进料进行预热，通过温度控制系统来使精馏塔的进料温度QF恒定。然而，在进料温度恒定时，只有当进料状态全部是汽态或全部是液态时，进料热焓QF才能恒定。当进料量是汽液混相状态时，则只有当汽液两相的比例恒定时，进料热焓QF才能恒定。为了保持精馏塔的进料热焓QF的恒定，必要时可通过热焓控制的方法来维持热焓QF的恒定。,7典型单元的基本控制方案,再沸器加入热量的变化当加热剂是蒸汽时，加入热量的变化往往是由蒸汽压力的变化而引起的，可以通过在蒸汽总管设置压力控制系统来加以克服，或者在串级控制系统的副回路予以克服。冷凝器内除去热量的变化冷却过程热量的变化会影响到回流量或回流温度，它的变化主要是由于冷却剂的压力或温度变化而引起的。一般情况冷却剂温度的变化较小，而压力的波动可采用克服加热剂压力变化的同样方法予以控制。,7典型单元的基本控制方案,环境温度的变化一般情况下，环境温度变化的影响较小。但在采用风冷器作冷凝器时，则天气骤变与昼夜温差会对塔的操作影响较大，它会使回流量或回流温度发生改变。为此，可采用内回流控制的方法进行克服。内回流控制是指在精馏过程中，控制内回流量为恒定量或按某一规律变化的操作。,7典型单元的基本控制方案,从上述的干扰分析可以得知，进料量F和进料成分ZF的变化是精馏塔操作的主要干扰，而往往是不可控的。其余干扰一般比较小，而且往往是可控的，或者可以采用一些控制系统预先加以克服的。当然，有时并不一定，还需根据具体情况作具体分析。,7典型单元的基本控制方案,7.3.3精馏塔质量指标的选择精馏塔最直接的质量指标就是产品的纯度。由于成分分析仪表应用于生产过程的实时性的局限,采用直接质量指标仍然是很有限，在此重点讨论间接质量指标的选择。最常用的间接质量指标是温度。这是因为对于一个二元组分的精馏塔而言，在塔内压力一定的条件下，温度与产品纯度之间存在着单值的函数关系。因此，如果压力恒定，则塔板的温度就间接反映了浓度。对于多元精馏塔而言，虽然情况比较复杂，但也是可以看作在塔内压力恒定条件下，塔板温度作为间接反映产品纯度的质量指标。,7典型单元的基本控制方案,塔顶或塔底的温度控制一般情况，如果主要产品从塔顶部馏出时，应以塔顶温度作为控制指标，可以得到较好的操作效果。同样，如果主要产品是从塔底流出，则就以塔底温度作为控制指标效果较好。为了保证另一产品质量在一定的规格范围内符合要求，塔的操作要有一定裕量。例如，如果主要产品在塔顶部馏出时，控制变量为回流量的话，再沸器的加热量要有一定的裕量，以至于在任何可能的扰动条件下，塔底产品的规格都在一定的限度之内符合工艺要求。,7典型单元的基本控制方案,灵敏塔板的温度控制对质量指标要求不高时，塔顶或塔底的温度基本可以代表塔顶或塔底的产品质量。然而，当分离的产品较纯时，在相邻塔顶或塔底的各塔板之间，温度差已经很小，这时，塔顶或塔底的温度变化0.5，可能已超出产品质量的允许范围。因此，对温度仪表的灵敏度和控制精度都提了很高的要求，但实际上是很难以满足的。解决这一问题的方法可以在塔顶或塔底与进料塔板之间选择灵敏塔板的温度作为间接质量指标。,7典型单元的基本控制方案,温差控制在精密精馏过程中，由于对产品的纯度要求很高，而且的塔顶与塔底产品的沸点温差一般都不大，可考虑采用温差控制。采用温差作为反映产品质量指标的间接参数，能消除压力波动对产品质量的影响。在精馏塔控制系统中虽然设有塔内压力定值控制，但压力也会有微小波动，从而会引起产品浓度的变化，这对于一般产品纯度要求不高的精馏塔操作的符合要求的。如果是精密精馏，对产品纯度要求很高，很小的压力波动就足以影响产品的质量，这时若还采用温度作质量指标已经不能满足产品的质量要求了。温度的变化是产品的纯度和塔压力变化的结果，因此要考虑采用补偿或消除压力微小波动的影响。,7典型单元的基本控制方案,双温差控制在精馏塔进行精密精馏操作时,采用温差控制也存在着一个不足之处,就是当物料的进料流量波动时,将会引起塔内成分的变化和塔内压力的变化。这时温差与产品的纯度就不再呈现单值对应关系，温差控制难以满足工艺生产对产品纯度的要求。采用双温差控制可克服这一不足，满足精密精馏操作的工艺要求。,7典型单元的基本控制方案,如果塔顶重组分增加，会引起精馏段灵敏塔板温度有较大变化；如果塔底轻组分增加，则会引起提馏段灵敏塔板温度有较大变化。相对地，靠近塔底和塔顶处的温度变化较小。将温度变化最小的塔板分别称为精馏段参比塔板和提馏段参比塔板。如能分别将塔顶、塔底的两块参比塔板与两块灵敏塔板之间的温度梯度控制稳定，就能达到质量控制的目的要求，这就是双温差控制方法。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,如图7-24所示是双温差控制方案。设T11、T12分别为精馏段参比塔板和灵敏塔板的温度；T21、T22分别为提馏段参比塔板和灵敏塔板的温度，构成了精馏段的温差T1=T12-T11；提馏段的温差T2=T22-T21，将这两个温差的差值Td=T1-T2作为控制指标。从实际的应用情况来看，只要合理选择灵敏塔板和参比塔板的位置，可使塔得到最大的分离度，得到更纯的塔顶产品和塔底产品。,7典型单元的基本控制方案,采用了双温差控制后，若由于进料流量波动引起塔压的变化对温差的影响，在塔的精馏段和提馏段同时出现，而精馏段温差减去提馏段温差的差值就消除了压降变化对质量指标的影响。从应用双温差控制的许多精密精馏生产过程操作来看，在进料流量波动的影响下仍能获得符合质量指标的控制效果。,7典型单元的基本控制方案,7.3.4精馏塔的基本控制方案精馏塔的控制目标是使塔顶和塔底的产品满足工艺生产规定的质量要求。精馏塔由于其生产的工艺要求和操作条件的不同，控制方案种类繁多，这里仅讨论常见的塔顶和塔底均为液相时的基本控制方案。,7典型单元的基本控制方案,对于有两个液相产品的精馏塔来说，质量指标控制可以有根据主要产品的采出位置不同分为两种情况：一是主要产品从塔顶馏出时可采用按精馏段质量指标的控制方案，二是主要产品从塔底流出的则可采用按提馏段质量指标的控制方案。,7典型单元的基本控制方案,按精馏段质量指标的控制方案当以塔顶馏出液为主要产品时，往往按精馏段质量指标进行控制。这时，取精馏段某点浓度或温度作为被控变量，以塔顶的回流量L、馏出量D或上升蒸汽量V作为操纵变量，组成单回路控制系统。也可以根据实际情况选择副参数组成串级控制系统，迅速有效地克服进入副环的扰动，并可降低对控制阀特性的要求，这在需要进行精密精馏的控制时常常采用。,7典型单元的基本控制方案,采用这种控制方案时，在L、D、V和B四者之中选择一个参数作为控制产品质量指标的控制变量，选择另一个参数保持流量恒定控制，其余两个参数则按回流罐和再沸器的物料平衡关系设液位控制系统加以控制。同时，为了保持塔压的恒定还应设置塔顶的压力控制系统。精馏段常用的控制方案可分为两类：,7典型单元的基本控制方案,选择回流量L作为操纵变量的质量控制方案如图7-25所示，这种控制方案的优点的控制作用的滞后小，反应迅速，所以对克服进入精馏段的干扰和保证塔顶产品的质量是有利的，这也是精馏塔控制中最常见的控制方案。可是在该方案中L受温度控制器控制，回流量的波动对精馏塔的平稳操作是不利的。所以在温度控制器的参数整定时，应采用比例加积分的控制规律，不需加微分作用。此外，再沸器加热量要维持一定而且应足够大，以便精馏塔在最大负荷运行时仍可保证产品的质量指标合格。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,选择塔顶馏出量D作为操纵变量的质量控制方案如图7-26所示，这种控制方案的优点是有利精馏塔的平稳操作，对于在回流比较大的情况下，控制D要比控制L灵敏。此外还有一个优点是当塔顶的产品质量不合格时，如果采用有积分作用的控制器，塔顶馏出量D会自动暂时中断，进行全回流操作，这样可确保得到的产品是质量合格的。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,按提馏段质量指标的控制方案当以塔底采出液作为主要产品时，通常就按提馏段质量指标进行控制。这时，选择提馏段某点的浓度或温度作为被控变量。组成单回路控制系统或根据需要选择副参数组成串级控制系统来控制产品的质量，同时还需设置类似于精馏段控制方案中的辅助控制系统。提馏段常用的控制方案也可分两类：,7典型单元的基本控制方案,选择再沸器的加热量作为操纵变量的质量控制方案如图7-27所示，这类方案采用塔内上升蒸汽量V作为控制参数，在动态响应上要比回流量L控制的滞后要小，反应迅速，所以对克服进入提馏段的干扰和保证塔底的产品质量有利。所以该方案是目前应用最广的精馏塔控制方案。可是在该方案中，回流量要采用定值控制，而且回流量应有足够大，以便当塔的负荷在最大运行时仍可确保产品的质量指标合格。如果当进入再沸器蒸汽压力经常波动时，可采用灵敏塔板温度-蒸汽流量组成串级控制系统。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,选择塔底采出量作为操纵变量的质量控制方案如图7-28所示，这类控制方案如前所述，类似于精馏段选择D作为控制参数的方案那样，有其独特的优点和一些弱点。优点是当塔底采出量B较小时，操作比较稳定；当采出量B不符合产品的质量要求时，会自行暂停出料。其缺点是滞后较大而且液位控制回路存在着反向特性。同样，也要求回流量应足够大，以确保在最大负荷运行时的产品质量合格。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,精馏塔的计算机控制由于计算机控制技术特别是集散控制系统（DCS）的迅速发展，并在工业生产过程中应用日趋广泛，计算机控制技术在精馏塔的控制中亦不断成熟和发展。不少大中型企业特别是石油化工、医药化工、炼油等工业生产中精馏塔相继采用了计算机控制，使得在精馏过程新的控制方案层出不穷，如精馏过程的内回流、热焓控制，解耦控制，推断控制，节能控制，最优控制等。控制系统的品质指标越来越高，使精馏塔的操作收到了明显的经济效益。,过程控制技术,锅炉设备的控制,7典型单元的基本控制方案,7.4锅炉设备的控制锅炉是工业生产过程必不可少的重要动力设备，它所产生的蒸汽不仅能够为工业生产的蒸馏、干燥、蒸发、化学反应等过程提供热源，而且，还可以为压缩机、泵、透平机等提供动力源。随着工业生产规模的不断扩大，生产过程的不断强化，生产设备的不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率的方向发展。为确保安全，稳定生产，对锅炉设备的自动控制就显得由为重要了。,7典型单元的基本控制方案,由于锅炉设备所使用的燃料种类、燃烧设备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。常见的锅炉设备主要工艺流程如图7-29所示,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds，然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制阀供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。,7典型单元的基本控制方案,7.4.1锅炉设备的控制要求锅炉是重要的大型动力设备，对其要求是提供合格的蒸汽，使锅炉发汽量要适应负荷的需要，为此生产过程的各个工艺参数必须加以严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量有：负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量有：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、烟气含氧量等。,7典型单元的基本控制方案,这些输入参数与输出参数之间存在着相互关联。如果蒸汽负荷发生变化时，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化；燃料量的变化不仅会影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，烟气含氧量和炉膛负压；给水量的变化不仅会影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化。所以，锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的控制对象。对于这种复杂的对象，目前工程处理上作了一些假设之后，将锅炉设备的控制方案划分为若干个控制系统进行实施，主要的控制系统有：,7典型单元的基本控制方案,（1）锅炉汽包水位的控制控制参数是给水流量W，它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉生产、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。,7典型单元的基本控制方案,（2）锅炉燃烧系统的控制有三个被控变量：蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛负压。而操纵变量也有三个：燃料量、送风量和引风量。这三个被控变量和操纵变量互相关联，需要统筹兼顾，从而组成合适的燃烧系统的控制方案，以满足燃料燃烧时所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，保证燃烧的经济性和锅炉的安全性。炉膛负压保持在一定的范围内。,7典型单元的基本控制方案,（3）过热蒸汽系统的控制以过热蒸汽温度为被控变量，喷水量为操纵变量组成的温度控制系统，以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过允许的工作温度。,7典型单元的基本控制方案,7.4.2锅炉汽包水位的控制汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而蒸汽负荷却很大，水的汽化速度又快，会导致汽包内的水量加速减少，水位迅速下降，如不及时控制就会使汽包内的水全部汽化，可能导致锅炉烧坏和爆炸；,7典型单元的基本控制方案,水位过高会影响汽包内汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽如果是作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机的叶片，影响设备运行的安全与经济性。由此可见，水位过低或过高时所产生的后果是极为严重的，所以汽包水位操作的平稳显得尤为重要，必须要严格保证控制质量。,7典型单元的基本控制方案,汽包水位的主要干扰蒸汽负荷对汽包水位的影响在燃料量不变的情况下，蒸汽用量的突然增加，瞬时间必然会导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾会突然加剧，水中汽包会迅速增加，将整个水位会抬高，形成了虚假的水位上升现象，即所谓假水位现象。在蒸汽流量干扰下，水位变化的阶跃反应曲线如图7-30所示。当蒸汽流量突然增大时，由于假水位现象的产生，在开始阶段水位不会下降反而会上升，然后下降；反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升。蒸汽流量D的突然增加时，实际水位的变化L应是在不考虑水面下汽泡容积变化时的水位变化L1与只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化L2的叠加。即：L=L1+L2,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,给水流量W对汽包水位的影响在给水流量的作用下，水位阶跃反应曲线如图7-31所示。把汽包和给水看作是单容无自衡对象，水位反应曲线如图中的L1线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水量变化之后，使汽包中汽泡的含量减少，从而导致汽包水位下降。因此实际的水位反应曲线如图中L线，即当突然加大给水量后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始的惯性段。给水的温度越低，纯滞后时间亦越大。一般约在15100秒之间，如果采用省媒器，则由于某种原因省煤器本身的延迟，会使增加到100200秒之间。,7典型单元的基本控制方案,（3）锅炉排污、吹灰等对汽包水位的影响锅炉排污直接自汽包里放水，吹灰时用锅炉自身的蒸汽来吹，这些都是短时的负荷变化而引入的干扰。,7典型单元的基本控制方案,单冲量控制系统单冲量控制系统是以汽包水位为被控变量，选择给水流量W为操纵变量而组成的一个单回路汽包水位的控制系统。对于小型锅炉，由于水在汽包停留时间较长，蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，配上一套联锁报警装置，也是可以保证安全操作，采用这种单冲量控制方案也能满足生产的工艺要求。对于中大型锅炉，由于蒸汽负荷变化，假水位的现象严重，当蒸汽负荷突然增加时，由于假水位现象，控制器不但不能开大控制阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，却会关小控制阀的开度，减少给水量，将使水位严重下降，波动很剧烈，严重时甚至会使汽包水位下降到危险限而导致发生事故。该控制方案就难以满足中大型锅炉生产的安全和操作平稳的工艺要求。,7典型单元的基本控制方案,双冲量控制系统在汽包水位的控制中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化，如果根据蒸汽流量来进行校正，就可以纠正假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善的控制品质。将蒸汽流量信号的引入，就构成了双冲量控制系统，如图7-32所示是典型的双冲量控制系统的原理图及方块图。这是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的复合控制系统。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,现在来分析这些系数的设置。C2项取正号还是负号，要根据控制阀是气开还是气关而定。控制阀的气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平压缩等，那么为了保护这些设备以选用气开阀为宜；如果蒸汽作为加热及工艺物料使用时，为了保护锅炉以采用气关阀为宜。因为在蒸汽量加大时，给水流量亦要加大，如果采用气关阀，I应减小即应该取负号；如果采用气开阀，I应增加，即应该取正号。,7典型单元的基本控制方案,C2的数值应考虑达到静态补偿。如果在现场凑试，那么应在只有负荷干扰的条件下，调整到水位基本不变。如果有阀门特性数据，设阀门的工作特性是线性的，可以通过采用如下公式计算来获得：C2=aDmax/KV（Zmax-Zmin）,7典型单元的基本控制方案,C1的设置比较简单，可取1，也可以小于1。不难看出C1与控制器的放大倍数的乘积相当于简单控制系统中控制器的放大倍数的作用。I0的设置目的是使正常负荷下，控制器和加法器的输出都能有一个适中的数值。最好是在正常负荷下I0值与C2IF项恰好抵消。,7典型单元的基本控制方案,在有些装置中，采用另一种接法，即将加法器放在控制器之前，如图7-33所示。因为水位上升与蒸汽流量增加时，阀门的动作方向相反，所以一定是信号相减。这样的接法好处是使用仪表比较少，因为一个双通道的控制器就可以实现加减和控制的功能。假设水位控制器采用单比例作用，则这种接法与图7-32的接法可以等效转换，差别不大。,7典型单元的基本控制方案,三冲量控制系统双冲量控制系统还有两个弱点：一是控制阀的工作特性不一定是线性的，因而要做到静态补偿就比较困难；二是对于给水系统的干扰仍不能克服。为此可再将给水流量信号引入，构成三冲量控制系统，如图7-34所示。从该图可以看出，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短时，需要引入蒸汽信号的微分作用如图中虚线所示，这种微分信号应是负微分作用，以避免由于负荷突然增加和突然减少时，水位偏离给定值过高或过低而造成锅炉停车。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,如图7-35所示是三冲量控制系统的连接图和方块图。系数设置：系数C1通常可取1或稍小于1的数值。假设采用气开阀时，C2就取正值，其值的计算相当简单，按物料平衡的要求，当变送器采用开方器时：C2=aDmax/WmaxI0的设置与双冲量控制系统相同。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,在有些控制装置中，采用了比较简单的三冲量控制系统，只用一台控制器及一台加法器，加法器可接在控制器之前如图7-36（a）所示，也可接在控制器之后如图7-36（b）所示。图中的加法器正负号是针对采用气关阀正作用控制器的情况。图7-36（a）接法的优点是使用仪表最少，只要一台多通道的控制器即可实现。但如果系数设置不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。图7-36（b）的接法，水位无余差，但用仪表较上法多，在投运及系数设置等方面较上法麻烦一些。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.4.3过热蒸汽温度控制蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器的出口温度维持的工艺要求允许的范围之内，并保护过热器使其管壁温度不超过允许的工作温度。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，汽轮机也会因内部过度的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。所以必须把过热器出口的温度控制在工艺规定的范围内。,7典型单元的基本控制方案,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，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求，因此，可采用如图7-37所示的串级控制系统，以减温器出口温度为副参数，可以提高对过热蒸汽温度的控制质量。过热蒸汽温度控制有时还采用双冲量控制系统工程，如图7-38所示。这种控制方案实质上是串级控制系统的变形，把减温器出口温度经微分器作为一个冲量，其作用与串级的副参数相似。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,7.4.4锅炉燃烧过程的控制燃烧过程控制的任务燃烧过程自动控制系统与燃料的种类、燃烧设备以及锅炉型式等有着密切关系。这里主要讨论燃油锅炉的燃烧过程控制系统。,蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量及蒸汽负荷波动较小时，可以采用蒸汽压力来控制燃料量的单回路控制系统。而当燃料流量波动较大时，可以采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统。,7典型单元的基本控制方案,如图7-39所示是燃烧过程控制系统的一例，从图中可以看出有四个控制系统。蒸汽出口压力与燃料流量的串级控制系统（正常工况）；燃料流量与空气流量的单闭环比值控制系统（正常工况）；空气量过少时自动减少燃料量的选择性控制系统；蒸汽出口压力降低时自动加大空气量的前馈选择性控制系统。,7典型单元的基本控制方案,7典型单元的基本控制方案,炉膛负压控制与相关安全保护系统如图7-40所示是燃烧过程控制系统的又一示例，用该方案来说明炉膛负压控制与相关安全保护性控制系统。从图中可以看出下列控制系统功能：,7典型单元的基本控制方案,蒸汽