典型操作单元的控制方案.ppt

第一节流体输送设备的控制,流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。,它的控制，主要是出口流量或压力的控制。,泵是液体的输送设备，压缩机则是气体的输送设备。,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，如离心式压缩机的“防喘振”控制方案。,离心泵控制的目的是:泵的出口流量或压力,一、离心泵的控制方案,离心泵是最常见的液体输送设备。,（一）工作原理,反映了泵的压头H、排量Q和转速n之间的函数关系:,1.离心泵的流量特性：,n1n2n3n4,2.泵的管路特性,1)管路两端的静压差引起的压头hp；2)管路两端的静压柱高度hL；3)管路中的摩擦损失压头hf；4)控制阀两端节流损失压头hv；,曲线1/2/3为不同管路阻力下的管路特性曲线：,HL=hp+hL+hf+hv,k管路系统常数，与出口阀的开度有关，开度越大，k越小,3.泵的工作点：,管路特性曲线：,离心泵的流量特性：,当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H必然等于HL。泵的流量特性曲线与管路特性曲线的交点C，即是泵的平衡工作点。,C点对应流量Q即泵的实际出口流量。,对应压头H即泵的实际出口压头。,管路特性,流量特性,（二）离心泵出口流量控制方案,改变出口阀门开度即改变管路阻力。,A为泵的流量特性曲线不变：转速一定。,曲线1/2/3为不同管路阻力下的管路特性曲线：,返回,曲线A与曲线1的交点Cl即为工作点。,Cl点对应流量Ql即泵的实际出口流量。,对应压头H即泵的实际出口压头。,这时，管路特性曲线会发生改变。,1控制泵的出口阻力,（2）此方案总机械效率较低，尤其阀小开度时，阀上压降较大。对大功率泵，流量小于正常排量30%时，损耗功率大，不经济，不宜采用。,（1）简单可行、应用最为广泛的方案。,注意：直接节流法的控制阀应安装在泵的出口管道上，而不能装在泵的吸入管道上。否则会出现“气缚”及“气蚀”现象。,特点：,（3）调节阀阀一般宜装在流量计的下游，这样将对保证流量测量精度有好处。,2控制泵的转速,泵的转速n改变时，流量特性曲线会发生改变。,同样Q下，提高n会使压头H增加。,返回,若管路特性曲线一定，,n1n2n3n4,（2）若电动机是调速电机，可用电动调速装置控制。如直流调速装置、变频调速器等；,（3）若是恒速电机，可在电机与泵之间的联轴安装调速机构，改变转速比来控制转速；,（1）汽轮机驱动的离心泵，改变蒸汽量即可。,特点：,返回,(1)采用这种方法，管道上无需装调节阀，减少了阻力损耗，泵的机械效率得以提高。能耗最为经济(节能)，但调速机构较复杂，价格贵。,(2)调速装置较复杂，价格贵，故这种方式多应用于大功率、重要的泵装置上。,例：原油外输采用，6000V，30A,3控制出口旁路,将部分排出量重新送回到泵的入口管路，改变旁路阀开度控制泵的实际排量。,因调节阀前后压差大，流量小，控制阀尺寸可比安装在控制出口管道上小得多。,特点：不经济，因旁路消耗一部分高压液体能量，使总机械效率降低，故很少采用。,返回,由于压力与流量是对应的，也可由压力控制代替流量控制。,4控制出口压力,特点：压力测量通常比流量测量容易，但压力与流量的对应关系通常是近似的、易变的，所以常用于不方便流量测量、流量控制要求不高的场合。,二、往复泵的控制方案,往复泵是利用活塞在气缸中往复运动来输送流体。多用于流量较小、压头较高的场合。,（一）工作原理,n每分钟往复次数；F气缸截面积，m2；s活塞冲程，m；,与管路特性无关，可通过改变n、s来控制流量。,流量特性：,（二）往复泵的控制方案,1改变原动机转速,与离心泵调转速相同。汽轮机作原动机可改变蒸汽流量则改变往复次数n，控制出口流量。,2控制泵出口旁路,改变旁路阀开度控制实际排量。,因高压流体部分能量白白消耗在旁路上，故经济性较差。,3改变冲程s,计量泵常采用改变冲程s进行流量控制。,在一定转速n下，随QH。因此改变出口管道阻力既达不到控制流量目的，一旦出口阀完全关闭，泵缸内的压强将会急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。又极易导致泵体损坏。,严禁采用控制出口阻力的控制方案。,4改变出口阻力,离心泵可以用出口阀门来调节流量，但对往复泵此法却不能采用。因为往复泵的流量只与泵的几何尺寸和泵的往复次数有关，而与管路特性无关。,化工生产的传热设备：换热器、再沸器、冷凝器、加热炉等传热目的不同，被控变量不同。多数情况下，被控变量是原料出口温度。,第二节传热设备的控制,一概述传热的目的主要有下列三种：(1)使工艺介质达到规定的温度。对工艺介质进行加热或冷却。有时在工艺过程进行中加入或除去热量，使工艺过程在规定的温度范围内进行。(2)使工艺介质改变相态。根据工艺过程的需要，有时加热使工艺介质汽化，也有冷凝除热，使气相物料液化。(3)回收热量。,二传热设备的特性,热量平衡方程,传热速率方程,三、一般传热设备的控制,1.控制载热体流量,传热面积足够大时，可使传热系数和平均温度变化。即改变传热量。,适用载热体压力较平稳及生产负荷变化小的场合。,否则可采用温度与流量(或压力)串级控制系统。,返回,出口温度的控制,25,2.载热体分路控制,用载热体旁路控制温度,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，可以改变进入换热器的载热体流量，还可以保证载热体总流量不受影响。,当载热体流量不允许变动时,3.工艺介质分路控制,当传热面积受限，载热体流量增加其控制作用已很弱。,对程数复杂的换热器，停留时间较长，时滞较大，改变载热体流量不易控制或控制质量较差。,可采用三通调节阀对同一介质冷热混合的方法。,缩短了控制通道滞后，反应迅速及时。,载热体一直处于高负荷，若采用专门热剂不经济。若载热体是某种工艺介质（热量回收系统），总流量不控制，使用此方案较好。,保证工艺介质流量流体流量不变,26,4.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。,二、加热炉的控制,影响出口温度的干扰有：,工艺介质的流量、温度、组分；燃料的压力、成分(或热值)；燃料油的雾化情况；空气过量情况；喷嘴阻力及烟囱抽力等。,操纵变量一般是燃料流量。,1、单回路控制,图15-1加热炉出口温度控制系统,返回,适用场合：出口温度要求不高，燃料压力比较平稳，炉膛容量小（滞后小）、干扰小且缓慢。,加热炉出口温度控制方案,炉出口温度-炉膛温度串级控制系统,2.出口温度与炉膛温度串级控制,能克服：炉膛方面（抽力/鼓风/环境温度）、燃料油方面（成分热值变化/压力波动）等干扰。,副回路不能克服原料方面(入口流量/温度/组分）干扰，通过主回路克服。,当主要干扰是燃料油总管压力时，采用出口温度-燃料油压力串级控制或出口温度-燃料油流量串级控制,3、出口温度与燃料油（气）压力串级控制,一般压力测量较流量方便，特别是以燃料油为燃料时，管道细，流量不易测量。,副回路不能克服炉膛抽力、鼓风、环境温度、燃料油成分(热值)变化、原料方面(入口流量/温度/组分）等干扰。,一、工艺要求,25,1.保证质量指标,对于一个正常操作的精馏塔，一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品达到规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。为此，应当取塔顶或塔底的产品质量作被控变量，这样的控制系统称为质量控制系统。质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。,第三节精馏塔的控制,2.保证平稳操作,为了保证塔的平稳操作，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。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，以保证塔的平稳操作。塔内的持液量应保持在规定的范围内。控制塔内压力稳定，对塔的平稳操作是十分必要的。,3.约束条件,为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。,一、影响质量指标的主要干扰,进料流量F的波动；,进料成分ZF的变化；,进料温度TF及进料焓QF的变化。,再沸器加热剂(如蒸汽)压力、温度的变化；,冷剂压力波动的影响；,环境温度的变化、塔压等。,多数情况下精馏操作的主要干扰：进料流量F和成分ZF,可供选择的操纵变量：,顶部产品量D；底部产品量B；回流量LR；再沸器加热量H；冷凝器冷却量C。,返回,控制成分-温度,二、精馏塔的基本控制方案,1.提馏段温度控制,提馏段温控：以提馏段温度作为衡量质量的间接指标，改变加热量作为控制手段。,主控系统：提馏段塔板温度为被控变量，加热蒸汽为操纵变量。,辅助控制系统：,塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制；,进料定值（均匀）控制；,塔顶压力、回流定值系统；,塔底采出为主要产品，塔釜成分要求比塔顶馏出液高。,主要控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,返回,提馏段温控的主要特点与使用场合：,（1）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。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。（2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就比较及时，动态过程也比较快。,2.精馏段温度控制,主控系统：精馏段塔板温度为被控变量，回流量为操纵变量。,辅控系统：,塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制；,塔顶压力、再沸器热源定值控制；,进料定值(均匀)控制；,塔顶采出为主要产品，塔顶馏出液要求比塔釜成分高。,主要控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,辅助控制系统,精馏段温控：以精馏段温度作为衡量质量的间接参数，改变回流量作为控制手段。,精馏段温控的主要特点与使用场合：,采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要求比塔底严格时，一般宜采用精馏段温控方案。如果干扰首先进入精