8典型化工单元的控制方案

1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化主讲教师：杨明平主讲教师：杨明平联系电话：联系电话QQ：目目 录录1234绪论绪论自动控制系统基本概念自动控制系统基本概念检测仪表及传感器检测仪表及传感器显示仪表显示仪表567 自动控制仪表自动控制仪表执行器执行器简单控制系统简单控制系统8典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案主要内容提要主要内容提要1234流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案传热设备的自动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精馏塔的自动控制方案反应器的自动控制方案反应器的自动控制方案对于同一的化工单元，了解各种控制方案的异同。对于同一的化工

2、单元，了解各种控制方案的异同。熟悉各种控制方案的优缺点及应用。熟悉各种控制方案的优缺点及应用。能够为化工单元操作过程设计合理的自动控制方案。能够为化工单元操作过程设计合理的自动控制方案。学习要点学习要点 第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案一、离心泵的控制方案一、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。给定的数值上。离心泵的流量控制大致存在以下三种方法：离心泵的流量控制大致存在以下三种方法：当干扰作用使被控变量当干扰作用使被控变量( (流量流量) )发生变化偏离给定值时，发生变化偏离给定

3、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。值。 2022-1-222022-1-224转速转速n n一定时，泵的流量特性曲线一定时，泵的流量特性曲线A A与管路特性曲线的交与管路特性曲线的交点点C C即为泵的实际工作点，此时泵所提供的压头即为泵的实际工作点，此时泵所提供的压头H H正好用来克正好用来克服管路阻力，其对应的流量即为泵的实际流量。服管路阻力，其对应的流量即为泵的实际流量。改变泵出口阻力控制流量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

4、阻力，使这种方案简单，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，不经济率低，不经济。注注意意一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案2022-1-222022-1-225一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案2.2.控制泵的转速控制泵的转速改变泵的转速控制流量改变泵的转速控制流量曲线曲线1 1、2 2、3 3表示转速分表示转速分别为别为n1、n2、n3时的流量特性，时的流量特性，且有且有n1n2n3。 该方案从能量消耗的角度该方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较来衡量最为经济，机械效率较高，但调

5、速机构一般较复杂，高，但调速机构一般较复杂，所以多用在蒸汽透平驱动离心所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场合，此时仅需控制蒸汽泵的场合，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。量即可控制转速。 2022-1-222022-1-226 控制蒸汽大小即可达到控制转速的目的。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适用于输送粘度大的介质( (如焦油、重油等如焦油、重油等) )及易燃、易爆及易燃、易爆介质。介质。一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案F CF C蒸汽物料冷凝水2022-1-222022-1-227一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案改变旁路阀控制流量改变旁路阀控制流量 将

6、泵的部分排出量重新送回到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。方法来控制泵的实际排出量。 控制阀装在旁路上，压差大，控制阀装在旁路上，压差大，流量小，因此控制阀的尺寸较小。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，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。使总的机械效率降低，故很少采用。 2022-1-222022-1-228这类泵的运动部件每往复一次或每转一周，所需介质的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

7、不允许控制进口，也不允许控量是一定的，因而对这类泵既不允许控制进口，也不允许控制出口。制出口。主要原因是主要原因是：若出口量减少，出口压力立即达到最大值，：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。的负压，同样也会使运动部件损坏。二、位移式泵（容积泵）的控制方案二、位移式泵（容积泵）的控制方案齿轮泵（运动部件：齿轮）齿轮泵（运动部件：齿轮）计量泵（运动部件：柱塞）计量泵（运动部件：柱塞）往复泵（运动部件：活塞）往复泵（运动部件：活塞）位移式泵位移式泵2022-1-

8、222022-1-229二、位移式泵（容积泵）的控制方案二、位移式泵（容积泵）的控制方案改变转速的方案改变转速的方案2022-1-222022-1-2210二、位移式泵（容积泵）的控制方案二、位移式泵（容积泵）的控制方案改变旁路流量改变旁路流量2022-1-222022-1-2211二、位移式泵（容积泵）的控制方案二、位移式泵（容积泵）的控制方案往复泵的特性曲线往复泵的特性曲线2022-1-222022-1-2212三、压气机的控制方案三、压气机的控制方案2022-1-222022-1-2213 第二节第二节 传热设备的自动控制方案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

9、一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案改变载热体流量控制温度改变载热体流量控制温度利用控制载热体流量来稳定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。被加热介质出口温度的控制方案。采用该控制方案时，采用该控制方案时，载热体载热体必须是可控的才行必须是可控的才行。 注注意意2022-1-222022-1-2214一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案一、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换热器串级控制系统 如果载热体本身压力如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，不稳定，可另设稳压系统，或者采用或者采用以温度为主变量、以温度为主变量、流量为副变量流量为副变量的

10、串级控制的串级控制系统。系统。 2022-1-222022-1-2215采用该法时，载热体为工艺采用该法时，载热体为工艺主要介质，其总量是不可控的。主要介质，其总量是不可控的。但应注意的是但应注意的是。主要是因为若换热器内部阻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，力小，则控制阀前后的压差就小，阻力比阻力比S S就小，一方面导致就小，一方面导致，另一方，另一方面 导 致面 导 致要 大要 大 KV=10Q（/P）0.5，PP小，小，KV大，大，DNDN大大 。一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案用载热体旁路控制温度用载热体旁路控制温度2

11、022-1-222022-1-2216一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案用介质自身流量控制温度用介质自身流量控制温度2022-1-222022-1-2217一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案一、冷热介质都不发生相变的换热器控制方案用介质旁路控制温度用介质旁路控制温度 当被加热流体的总流当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热量不允许控制，而且换热器的传热面积有余量时，器的传热面积有余量时，可将一小部分被加热流体可将一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温使冷热物料混合来控制温度。度。 2022-1-

12、222022-1-2218用蒸汽流量控制温度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。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加热器串级控制系统凝液凝液蒸汽蒸汽二、载热体进行冷凝的加热器控制方案二、载热体进行冷凝的加热器控制方案2022-1-222022-1-2219该方法实质是控制换热器的该方法实质是控制换热器的。二、载热体进行冷凝的加热器控制方案二

13、、载热体进行冷凝的加热器控制方案用凝液排出量控制温度用凝液排出量控制温度温度温度- -液位串级控制系统液位串级控制系统温度温度- -流量串级控制系统流量串级控制系统2022-1-222022-1-2220二、载热体进行冷凝的加热器控制方案二、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缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。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。的热敏性介质比较适用。 另外，由于蒸汽冷凝后凝液的

14、体积比蒸汽体积另外，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。小得多，所以可以选用尺寸较小的控制阀门。 2022-1-222022-1-2221三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案用冷却剂流量控制温度用冷却剂流量控制温度 该方案不以液位为被控变量，但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，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，这种控制方案带有上限液位报警，或采用温度或采用温度-

15、 -液位自动选择性控制，液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时，自动把液氨当液位高于某上限值时，自动把液氨阀关小或暂时切断。阀关小或暂时切断。2022-1-222022-1-2222三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案温度温度- -液位串级控制液位串级控制 该方案的实质是改变传热该方案的实质是改变传热面积。但采用了串级控制，将面积。但采用了串级控制，将液氨压力变化而引起液位变化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，的这一主要干扰包含在副环内，从而提高了控制质量。从而提高了控制质量。 2022-1-222022-1-2223三、冷剂进行汽化的冷却器控

16、制方案三、冷剂进行汽化的冷却器控制方案用汽化压力控制温度用汽化压力控制温度基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽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。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。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

17、要求不能随意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。加以控制时，这个方案就不能采用了。 2022-1-222022-1-2224底部产品底部产品顶部产品顶部产品冷却剂冷却剂回流罐回流罐精馏塔精馏塔加热剂加热剂精馏塔的物料流程精馏塔的物料流程回流回流进料进料再沸器再沸器冷凝器冷凝器 第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制2022-1-222022-1-2225精馏操作的工艺要求精馏操作的工艺要求 操作要处于合适的工况，以保证塔的平稳操作，确保产品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。质量，提高塔的效率。 节能降耗节能降耗 能耗

18、：热剂能耗：热剂( (主要是蒸汽主要是蒸汽) )、冷剂、冷剂( (水、冷冻盐水水、冷冻盐水) )的消耗。的消耗。 物耗：产出物耗：产出( (产品量产品量) )与投入与投入( (原料量原料量) )的比例。的比例。 第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制精馏操作对控制方案的要求精馏操作对控制方案的要求 尽量预先克服进塔前主要的可控干扰（如进料量波动、进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）料温度波动等） 保证质量指标（顶、底产品的纯度达到质量指标的要求）保证质量指标（顶、底产品的纯度达到质量指标的要求） 保证塔的平稳操作（满足保证塔的平稳操作（满足F=DF=DW

19、W物料平衡关系）物料平衡关系）2022-1-222022-1-2226一、精馏塔的提馏段温度控制方案一、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，就称为提馏段温控提馏段温控。这种方案主要用于这种方案主要用于以塔底为主要产品以塔底为主要产品，对塔釜的成分要求，对塔釜的成分要求比塔顶馏出液高时。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，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

20、流量也往往采用此方案。因为液相进料流量 的变化先影响到釜的变化先影响到釜液成分，故用提馏段控制较及时。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。采用该方案时，冷剂消耗较大。2022-1-222022-1-2227提馏段温控的控制方案示意图提馏段温控的控制方案示意图返回返回冷却剂冷却剂回流罐回流罐精馏塔精馏塔再沸器再沸器冷凝器冷凝器TCLCLCFCFCPC2022-1-222022-1-2228二、精馏塔的精馏段温度控制方案二、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

21、称为以改变回流量作为控制手段的方案，就称为精馏段温控精馏段温控。 这种方案主要用于这种方案主要用于以塔顶为主要产品以塔顶为主要产品，对塔顶的成分要求，对塔顶的成分要求比塔底馏出液高时。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，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。因为气相进料流量也往往采用此方案。因为气相进料流量 的变化先影响到顶的变化先影响到顶液成分，故用精馏段控制较及时。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。采用该方案时，热剂消耗较大。2022-1-222022-1-2229精馏段温控的控制方案示意图精馏段温控的控

22、制方案示意图返回返回冷却剂冷却剂回流罐回流罐精馏塔精馏塔再沸器再沸器冷凝器冷凝器TCLCLCFCFCPC2022-1-222022-1-2230 第四节第四节 反应器的自动控制反应器的自动控制改变进料温度控制釜温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。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一、釜式反应器的温度自动控制方案2022-1-222022-1-2231 由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所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。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一、釜式反应器的温度自动控制方案2022-1-222022-1-2232一、釜式反应器的温度自动控制方案一、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，则如果冷却水压力波动不大，则以反应釜温度为主环，夹套水以反应釜温度为主环，夹套水温为副环构成温度温为