过程控制系统应用

1、过程控制系统应用过程控制系统应用 9.1 制冷与加热温度控制系统制冷与加热温度控制系统 低温深冷降温与加热温度控制系统低温深冷降温与加热温度控制系统 图9-1 低温深冷温度控制系统 9.1.1 制冷与加热原理制冷与加热原理 冷源主要是液态制冷剂、高压气体节流以及半导冷源主要是液态制冷剂、高压气体节流以及半导 体制冷体制冷 ，比较普遍的还是使用液态氮为主的液态，比较普遍的还是使用液态氮为主的液态 制冷剂。控制液氮的流量，可实现对降温速率的制冷剂。控制液氮的流量，可实现对降温速率的 控制。控制。 通过控制加热管通电的时间，可实现对箱内温度通过控制加热管通电的时间，可实现对箱内温度 升温速率的控制升

2、温速率的控制 。 两者结合起来，可实现对箱内的温度控制两者结合起来，可实现对箱内的温度控制 。 通过改变阀门开启的时间长短来实现对流过阀门通过改变阀门开启的时间长短来实现对流过阀门 流体的流量控制。流体的流量控制。 9.1.2 温度控制系统组成温度控制系统组成 系统由自增压液氮容器、低温处理箱、工业控制系统由自增压液氮容器、低温处理箱、工业控制 计算机等组成计算机等组成 深冷箱分两部分，利用隔板隔开。隔板一侧用于深冷箱分两部分，利用隔板隔开。隔板一侧用于 存放要处理的材料样品存放要处理的材料样品,另一侧为制冷、加热、测另一侧为制冷、加热、测 量部分，包括加热管、铂热电阻温度传感器、液量部分，包

3、括加热管、铂热电阻温度传感器、液 氮分散器、风扇等，液氮分散器和风扇是为了保氮分散器、风扇等，液氮分散器和风扇是为了保 证样品箱内均匀流场，减少温度波动。证样品箱内均匀流场，减少温度波动。 控制箱由配电模块、温度检测处理模块、控制模控制箱由配电模块、温度检测处理模块、控制模 块组成。块组成。 9.1.3 温度控制方案温度控制方案 过程控制系统分为三种类型：过程控制系统分为三种类型： 定值控制系统定值控制系统 程序控制系统程序控制系统 随动控制系统随动控制系统 图9-2 温度设置曲线 系统中采用了以位置式数字系统中采用了以位置式数字PID算法为基础，根据算法为基础，根据 PID结果进行控制。结果

4、进行控制。 位置式数字位置式数字PID算法为：算法为： 控制输出分为三段：控制输出分为三段： 当当 -2u（K）0， 关加热，开电磁阀关加热，开电磁阀V3 u（K）=0， 开加热，关电磁阀开加热，关电磁阀V2和和V3 ) 2() 1(2)( )() 1()( ) 1()( kekeke T ke T keke kuku T T K D I P 9.2 火力发电厂单元机组锅炉水位控制系统火力发电厂单元机组锅炉水位控制系统 用电、送电和发电是同时完成的用电、送电和发电是同时完成的 。 大容量机组的汽轮发电机和锅炉采用单元制运行大容量机组的汽轮发电机和锅炉采用单元制运行 方式。所谓单元制，就是由一台

5、汽轮发电机和一方式。所谓单元制，就是由一台汽轮发电机和一 台锅炉组成相对独立的系统。台锅炉组成相对独立的系统。 9.2.1 单元机组的生产过程单元机组的生产过程 机组主要由产生蒸汽的锅炉，高压和中、低压汽机组主要由产生蒸汽的锅炉，高压和中、低压汽 轮机和发电机组成。轮机和发电机组成。 根据生产流程又可以把锅炉分为燃烧系统和汽水根据生产流程又可以把锅炉分为燃烧系统和汽水 系统。系统。 锅炉的控制可划分为下面几个控制子系统：锅炉的控制可划分为下面几个控制子系统： 汽包水位控制系统汽包水位控制系统 水位控制系统使锅炉给水量与锅炉的蒸发量相适应，水位控制系统使锅炉给水量与锅炉的蒸发量相适应， 维持汽包

6、中水位在工艺允许的范围内。维持汽包中水位在工艺允许的范围内。 过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统 将过热器出口蒸汽温度控制在在所要求的范围之内，将过热器出口蒸汽温度控制在在所要求的范围之内， 并保证管壁温度不超过允许的温度上限。并保证管壁温度不超过允许的温度上限。 燃烧控制系统燃烧控制系统 使燃料燃烧产生的热量适应锅炉负荷的需要；使燃使燃料燃烧产生的热量适应锅炉负荷的需要；使燃 料量与空气量之间满足一定比例，以保证经济燃烧；使料量与空气量之间满足一定比例，以保证经济燃烧；使 引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压稳定。引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压稳定。 汽包水位控制系统的被控参数与

7、控制变量选择汽包水位控制系统的被控参数与控制变量选择 汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参 数。影响汽包水位变化的因素有给数。影响汽包水位变化的因素有给水量变化水量变化、蒸气流量蒸气流量 变化变化、燃料量变化燃料量变化、汽包压力变化汽包压力变化等。等。 汽包压力变化通过汽包压力升高时汽包压力变化通过汽包压力升高时的的“自凝结自凝结”和和 压力降低时的压力降低时的“自蒸发自蒸发”过程影响水位。燃料量的变化过程影响水位。燃料量的变化 要经过燃烧系统变成热量后，才能为水吸收，继而影响要经过燃烧系统变成热量后，才能为水吸收，继而影响 汽化量并改变水位

8、。因此燃料量也不能作为汽包水位的汽化量并改变水位。因此燃料量也不能作为汽包水位的 控制变量。只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。控制变量。只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。 9.2.2 锅炉汽包水位的控制要求锅炉汽包水位的控制要求 水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热器 管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器 爆管爆管 水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水 冷壁局部过热而爆管。冷壁局部过热而爆管。 锅炉汽包水位控制的要求是使给水量适应蒸发量，锅炉

9、汽包水位控制的要求是使给水量适应蒸发量， 维持水位在规定的范围内，保证锅炉的安全运行。维持水位在规定的范围内，保证锅炉的安全运行。 9.2.3 锅炉汽包的动态特性锅炉汽包的动态特性 一、给水调节对象的动态特性一、给水调节对象的动态特性 图9-4 锅炉给水调节对象 影响汽包水位影响汽包水位H的主要有给水量的主要有给水量W，汽轮机的耗，汽轮机的耗 汽量汽量D和燃料量和燃料量B等三个主要因素。等三个主要因素。 1、给水扰动、给水扰动 给水扰动下的传给水扰动下的传 递函数可以近似表递函数可以近似表 示为示为 图9-5 给水扰动下的水位响应曲线 Ts e s sG 1 1 )( 2、负荷扰动、负荷扰动

10、传递函数可以近似地表示传递函数可以近似地表示 为为 图图9-6 蒸汽流量扰动下蒸汽流量扰动下 的水位响应曲线的水位响应曲线 2 ( )2 ( ) ( )1 o H sK G s D ssT s 3、燃烧量扰动、燃烧量扰动 给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰给水量扰动下水位响应过程具有纯迟延；负荷扰 动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动 下也会出现假水位现象。下也会出现假水位现象。 干扰蒸汽负荷对汽包水位影响：干扰蒸汽负荷对汽包水位影响： 当蒸汽用量突然增加时，会使汽包内压力瞬时当蒸汽用量突然增加时，会使汽包内压力瞬时 降低，水沸腾加剧，加

11、速汽化，汽泡突然增加。降低，水沸腾加剧，加速汽化，汽泡突然增加。 汽泡体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽汽泡体积比水的体积大很多倍，结果形成了汽 包内水位升高的所谓包内水位升高的所谓“假水位假水位”。 当蒸汽负荷突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧当蒸汽负荷突然减少时，汽包内蒸汽压力急剧 上升，水的沸腾暂时停止，造成水位瞬时下降上升，水的沸腾暂时停止，造成水位瞬时下降 的假象。的假象。 9.2.4 给水串级三冲量控制系统给水串级三冲量控制系统 图9-7 串级三冲量控制系统 优点：优点： 一方面通过串级反馈控制及时消除给水测的干扰，一方面通过串级反馈控制及时消除给水测的干扰， 并在稳态时保证给水量与

12、蒸汽量保持平衡，汽包并在稳态时保证给水量与蒸汽量保持平衡，汽包 水位无静态偏差；另一方面通过蒸汽量的前馈控水位无静态偏差；另一方面通过蒸汽量的前馈控 制有效克服假水位现象。制有效克服假水位现象。 精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将 各组分分离的过程。精馏塔是精馏过程的关键设备，各组分分离的过程。精馏塔是精馏过程的关键设备， 是一个多参数的被控过程，不同工艺要求的精馏塔结是一个多参数的被控过程，不同工艺要求的精馏塔结 构不相同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制构不相同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制 方案繁多；另外，精馏工艺控制要求较高

13、，控制相对方案繁多；另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对 困难。只有对生产工艺进行深入分析，才能设计出合困难。只有对生产工艺进行深入分析，才能设计出合 理的控制系统。理的控制系统。 10.1 精馏塔过程控制系统精馏塔过程控制系统 10.1.1 分馏原理分馏原理 以以A、B两种液体混合物的分馏为例，介绍分馏的两种液体混合物的分馏为例，介绍分馏的 基本原理。在压力一定的情况下，基本原理。在压力一定的情况下，A、B二种组分混合二种组分混合 溶液汽溶液汽液相温度液相温度浓度曲线如图所示浓度曲线如图所示10.1 。 纯纯A的沸点是的沸点是140，纯，纯 B的沸点是的沸点是175。两组分的。两组分的 混合

14、比变化时，混合溶液的混合比变化时，混合溶液的 沸点也将随之变化，如图沸点也将随之变化，如图 10.1中液相曲线所示；图中中液相曲线所示；图中 还标出了温度变化时，汽相还标出了温度变化时，汽相 组分的变化曲线。组分的变化曲线。 设原溶液中设原溶液中A占占20，B占占80，把，把A，B混合液加混合液加 热到热到164.5时，液体沸腾。这时，与液相共存的气相时，液体沸腾。这时，与液相共存的气相 成分比是成分比是A占占45.8，B占占54.2。 将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A为为 45.8，B为为54.2；如果再使混合液体沸腾，其沸点；如果再使混合液

15、体沸腾，其沸点 为为154.5。这时气态成分比又变成。这时气态成分比又变成A占占73.5，B占占 26.5，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷 凝，凝，最终就可以将，最终就可以将A分离出来。分离出来。 10.1.2.1 精馏塔的控制要求精馏塔的控制要求 1保证产品质量保证产品质量 2保证平稳生产保证平稳生产 3满足约束条件满足约束条件 4节能要求和经济性精馏塔的操作情况必须节能要求和经济性精馏塔的操作情况必须 从整个经济收益来衡量。从整个经济收益来衡量。 在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量 消耗均是主要控制的目标

16、。其中质量指标是必要条消耗均是主要控制的目标。其中质量指标是必要条 件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量 尽量高一些，能量消耗尽可能低一些。尽量高一些，能量消耗尽可能低一些。 10.1.2 精馏塔的控制要求及主要干扰精馏塔的控制要求及主要干扰 10.1.2.2 精馏塔的干扰因素特性精馏塔的干扰因素特性 图图10.2表示精馏塔物料流程图。进料表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔从精馏塔 中段某一塔板上进入塔内，这块塔板就称为进料板。中段某一塔板上进入塔内，这块塔板就称为进料板。 进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称进料板将精馏塔分为上下

17、两段，进料板以上部分称 精馏段精馏段；进料板以下部分称；进料板以下部分称提馏段提馏段。 精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生 产的主要干扰有以下几种：产的主要干扰有以下几种： 1进料流量进料流量F的波动的波动 精馏塔进料量精馏塔进料量F往往是由上一道生产工序所决往往是由上一道生产工序所决 定，如果一定要使精馏塔进料量定，如果一定要使精馏塔进料量F恒定，就必须要恒定，就必须要 设置中间贮槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减设置中间贮槽进行缓冲。现在精馏工艺是尽可能减 小或取消中间贮槽，采取在上一道工序设置液位均小或取消中间贮槽，采取在上一道工序设置液位均

18、 匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量匀控制系统控制出料流量，使精馏塔的进料流量F 比较平稳，避免比较平稳，避免F的剧烈变化。的剧烈变化。 2进料成分进料成分ZF的变化的变化 进料成分进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决是由上一道工序出料或原料情况决 定的。定的。 3进料温度进料温度TF和进料热焓和进料热焓QF的变化的变化 一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料 温度温度TF变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定 运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种

19、干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保 证其热焓值证其热焓值QF稳定。稳定。 4再沸器加热剂输入热量的变化再沸器加热剂输入热量的变化 当加热剂是蒸汽时，通过再沸器输入精馏塔的热当加热剂是蒸汽时，通过再沸器输入精馏塔的热 量扰动往往是由蒸汽压力变化所引起的。量扰动往往是由蒸汽压力变化所引起的。 5冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或 温度变化引起的。冷却剂的温度一般变化较小，而流温度变化引起的。冷却剂的温度一般变化较小，而流 量的变化大多

20、是由压力波动的引起。量的变化大多是由压力波动的引起。 6环境温度的变化环境温度的变化 10.1.3 精馏塔控制方案精馏塔控制方案 不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对不同精馏塔生产工艺、产品质量标准不一样，对 控制的要求各不相同，因而精溜塔控制方案较多。下控制的要求各不相同，因而精溜塔控制方案较多。下 面对常见的几种方案进行分析。面对常见的几种方案进行分析。 10.1.3.1 提馏段参数控制提馏段参数控制 当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为当塔底液为主要产品时，常采用提馏段温度作为 衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为衡量质量的间接指标，这时可选提馏段某点温度作为 被控

21、参数，以再沸器加热蒸汽流量为控制变量。另外，被控参数，以再沸器加热蒸汽流量为控制变量。另外， 液相进料时也常采用这类方案。液相进料时也常采用这类方案。 辅助控制系统：辅助控制系统： 对塔底采出量对塔底采出量QW和塔和塔 顶馏出液顶馏出液QD，按物料，按物料 平衡关系设有回流罐平衡关系设有回流罐 和塔底液位控制系统；和塔底液位控制系统； 对对F进行定值控制；为进行定值控制；为 维持塔内压力恒定，维持塔内压力恒定， 在塔顶设置压力控制在塔顶设置压力控制 系统；塔顶回流量系统；塔顶回流量QL 采用定值控制。采用定值控制。 提馏段温度控制系统具有如下特点：提馏段温度控制系统具有如下特点： 以提馏段温度

22、作为间接质量指标，能较迅以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅 速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出 液为主要产品，往往采用提馏段温度控制系统方液为主要产品，往往采用提馏段温度控制系统方 案。案。 当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进 料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔 底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时，底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时， 动态响应过程也比较迅速。动态响应过程也比较迅速。 10.1.3.2 精馏段参数控制精馏段参数控制 以塔顶采出液

23、为主要产品时，往往以精馏段的以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的 温度作为衡量质量的间接指标，可选精馏段某点温温度作为衡量质量的间接指标，可选精馏段某点温 度作为被控参数，以回流量度作为被控参数，以回流量QL作为控制变量组成单作为控制变量组成单 回路控制系统，也可组成串级控制系统。回路控制系统，也可组成串级控制系统。 进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控 制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热量应足够制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热量应足够 大，且维持一定，使精馏塔在最大负荷时，能保证大，且维持一定，使精馏塔在最大负荷时，能保证 塔底产品的质量

24、指标稳定在一定范围内。塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。 精馏段温度控制系统的特点：精馏段温度控制系统的特点： 用精馏段温度作为间接质量指标能较迅速、用精馏段温度作为间接质量指标能较迅速、 直接地反映提馏段产品品质。直接地反映提馏段产品品质。 当干扰首先进入精馏段，如在汽相进料时，当干扰首先进入精馏段，如在汽相进料时， 进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化，进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化， 故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。 串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压 力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的 抑制，可实现被控参数的高精度控制。抑制，可实现被控参数的高精度控制。 图图10.4所示所示 串级温度控制系串级温度控制系 统是常见的精馏统是常见的精馏 段温度控制方案。段温度控制方案。 其主回路是以精其主回路是以精 馏段塔板温度为馏段塔板温度为 被控参数，以回被控参数，以回 流量流量QL作为控制作为控制 变量，变量，QL同时也同时也 是串级控制系统是串级控制系统 的副参数。的副参数。 以提馏段温度以提