现代过程装备与控制工程概论

1、现代过程装备与控制工程概论现代过程装备与控制工程概论宁夏大学机械工程学院过程装备与控制工程系主讲：丁文捷 教授（硕导） 自治区科技特派员v “过程装备与控制工程专业”是为“过程工业”设计、制造工作装备的机械工程专业方向，是培养该类工程技术人才的摇篮。v 本讲座通过介绍过程工业、装备与控制应用等内容，带领大家认识“过程装备与控制工程专业”的社会存在和地位、研究主题和技术特色、发展方向和社会价值，简要地介绍“专业”学习的三个方向“过程工程原理”、“装备设计与制造方法”、“过程控制技术”，以及“过程装备与控制工程专业”的现代设计技术和一般性方法。v 初步认识专业所涉及的过程装备单元过程设备(如塔、换

2、热器、反应器与储罐)、单元过程机器如压缩机、泵与分离机)等主要研究对象；初步了解为实现装备最佳技术经济运行指标（高效、节能、清洁和安全）而开展的四个专业研究领域：过程原理与技术的创断、成套装置流程技术的创新、过程装备(过程设备与过程机器)技术的创新、过程控制技术的创新。v 培养和激发专业学习、研究热情。v 丁文捷，教授，硕士生导师，宁夏区科技特派员，宁夏科技厅信息化工程专家，宁夏工程技术特约编辑。v 公开发表学术著作及论文50余篇，主持和参与完成国家级科研项目4项，自治区科技攻关及自然科学基金各3项，横向科研项目4项，银川市科技创新奖3次。内容内容1. 专业背景2. 基本过程3. 基本装备4.

3、 控制技术工科工科 v 是指如机械、建筑、水利、汽车等研究应用技术和工艺的学问。v 工科是应用数学、物理学、化学等基础科学的原理，结合生产实践所积累的技术经验而发展起来的学科。代表性的学科有土建类、水利类、电工类、电子信息类、热能核能类、仪器仪表类、化工制药类等等。v 工科的培养目标是在相应的工程领域从事规划、勘探、设计、施工、原材料的选择研究和管理等方面工作的高级工程技术人才。主要是要培养实际应用能力的工作人员。v 以上所述主要指传统工科，此外还有新型工科。新型工科是指为适应高技术发展的需要而在有关理科基础上发展起来的学科。专业设置专业设置v1、实用技术类 （包括计算机网络工程与管理、建筑装

4、饰设计与工程、信息与多媒体技术等）v2、公安学类 （包括侦查学、刑事侦察、经济犯罪侦察等）v3、职业技术教育类 （包括园艺教育、水产养殖教育、劳动技术教育等）v4、数学类 （包括信息与计算科学、信息科学、医学信息学等）v5、物理学类 （包括应用物理学、声学、物理学教育等）v6、化学类 （包括化学、应用化学、化学教育等）v7、生物科学类 （包括生物科学、生物技术、微生物应用技术等）v8、天文学类 （包括天文学等）v9、地质学类 （包括地质学等）v10、地理科学类 （包括地理科学、资源环境与城乡规划管理、地理学等）v11、地理物理学 （包括地球物理学）v12、大气科学类 （大气科学、应用气象学、气

5、象预报等）v14、力学类 （包括理论与应用力学)v15、电子信息科学类 （包括电子信息科学与技术、微电子学、光电技术应用等）v16、材料科学学类 （包括材料物理、材料化学）v17、环境科学类 （包括环境科学、生态学）v18、心理学类 （包括心理学、应用心理学、心理咨询）v19、统计学类 （包括统计科学、电算化会计与统计、统计与会计等）v20、系统科学类 （包括系统理论、系统工程）v21、地矿类 （包括采矿工程、石油工程资源勘查工程、黄金地质勘察与管理等）v22、材料类 （包括冶金工程、化学装潢材料及应用、宝石学等）v23、机械类 （包括工业设计、化工设备与机械、飞机及发动机维修等）v24、仪器

6、仪表类 （包括自动化仪表及应用、医用电子仪器、测绘仪器等）v25、能源动力类 (热能与动力工程、制冷低温技术、采暖与通风等）v26、电气信息类（包括自动化、计算机软件、移动通信等）v27、土建类 （包括建筑学、城市规划、土木工程等）v28、水利类 (水利水电工程、港口航道与海岸工程、水电站动力设备等）v29、测绘类 （测绘工程、测量工程、环境治理工程等）v30、环境与安全类 （环境工程、室内环境控制工程、安全技术等)v31、化工与制药类 （制药工程、化学工程、精细化工等）v32、交通运输类 （交通工程、飞行技术、铁道运输等）v33、海洋工程类 （包括船舶与海洋工程)v34、轻工纺织食品类（纺织

7、工程、服装设计与工程、电子出版等）v35、航空航天类 （包括飞行器动力工程、航天测控工程、空间工程等）v36、武器类 (探测制导与控制技术、弹药工程、军械储存与管理等）v37、工程力学类 （包括工程力学、工程结构分析)v38、生物工程类 （包括生物工程）v39、农业工程类 （包括农业机械化及其自动化、农业电气化与自动化、农业工程等）v40、林业工程（包括森林工程、木材加工、森林防火等）v41、公安技术类 （包括刑事科学技术、消防工程、刑侦技术等）v42、植物生产类 （包括农学、花卉、种植养殖等）v43、草业科学类 （包括商品花卉、园林花卉技术、种子种苗等）v44、森林资源类 （包括林学、森林生

8、态旅游、生态旅游管理等）v45、环境生态类 （包括园林、风景园林、环境保护等）v46、动物生产类 （包括动物科学、经济动物、养殖技术等）v47、动物医学 （包括动物卫生检验、畜牧兽医、动植物检疫等）v48、水产类 （包括水产养殖学、名特水产养殖、资源与渔政管理等）v49、基础医学类 （包括基础医学）?v50、预防医学类 （包括预防医学、卫生检验、妇幼卫生等）v51、临床医学与医学技术类 （包括美容医学、医学检验、高级助产等）v52、口腔医学类 （包括口腔医学、口腔修复工艺学等）v53、法医学类 （包括法医学）v54、护理学类 （包括护理学、高级护理、中西药结合护理等）v55、农业经济管理类 （

9、包括农业经济管理、林业经济管理、乡镇建设与管理）v 教育部几次专业调整，合并和削减了许多专业，戴帽的机械专业全部取消，如：食品机械、轻工机械、纺织机械等，均统称为“机械设计与制造”专业。只有化工机械专业由于其不可替代的重要性而予以保留，但是更名为“过程装备与控制工程”专业。它体现了拓宽专业面的要求，它的培养对象就不仅仅是化学工业，而是适用于所有的过程工业。过程装备与控制工程专业类似于以前的化工机械。 业务培养目标：本专业培养具备化学工程、机械工程、控制工程和管理工程等方面的知识，能在化工、石油、能源、轻工、环保、医药、食品、机械及劳动安全等部门从事工程设计、技术开发、生产技术、经营管理以及工程

10、科学研究等方面工作的高级工程技术人才。 业务培养要求：本专业学生主要学习化学、物理、物理化学、化工计算、工程热力学、化工原理、流体力学、粉体力学、工程力学、机械设计及计算机控制技术方面的基本理论和基本知识，受到工程设计、测控技能和工程科学研究的基本训练，掌握对化工单元设备及成套装备的优化设计、创新改造和新型化工装置技术开发研究的基本能力。 什么叫什么叫“过程装备与控制工程过程装备与控制工程”？毕业生应获得以下几方面的知识和能力：1掌握化学工程、动力工程及工程热物理、机械工程、控制工程等学科的基本理论、基本知识； 2掌握化工单元设备和成套装备的设计方法与控制技术；3具有对新装备、新技术进行开发研

11、究与创新设计以及对化工装置项目进行成本评估与投资决策的初步能力；4熟悉国家关于化工装备设计、开发、研究、环境保护和安全防灾等方面的方针、政策和法规。5了解化工装备与控制工程的理论前沿，了解新装置、新技术、新工艺的发展动态；6掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力。主干学科：化学工程与技术、动力工程及工程热物理。 主要课程：化学、物理、物理化学、化工计算、化工原理、工程热力学、流体力学、粉体力学、工程力学、机械设计、计算机应用技术、计算机控制技术、化工装置设计等。 主要实践性教学环节：包括金工实习、认识实习、生产实习、机械设计课程设计、化工工艺及设备课程设计、毕业设计

12、(论文)等，一般安排35-45周。修业年限：四年 授予工学学士学位.相近专业：机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、工业设计、过程装备与控制工程、车辆工程、机械工程及自动化 机械电子工程、汽车服务工程、机械类车辆保险与理赔专业 认识过程工业认识过程工业走走 进进 化化 工工 厂厂走走 进进 化化 工工 厂厂过程装备（过程装备（process equipment）的概念）的概念行业组成行业组成专业知识组成专业知识组成课本与专著课本与专著v 根据对2007年各本科专业初次就业率的统计，就业率位于前60位的专业分别是：金融工程、园艺教育、机械制造工艺教育、机电技术教育、电气技术教育、汽车维修工

13、程教育、烹饪与营养教育、市场营销教育、德语、法语、西班牙语、生物科学与生物技术、地质学、地球化学、地球物理学、大气科学、微电子学、采矿工程、石油工程、矿物加工工程、勘查技术与工程、资源勘查工程、地质工程、矿物资源工程、冶金工程、金属材料工程、高分子材料与工程、材料科学与工程、机械设计制造及其自动化、材料成型及控制工程、过程装备与控制工程、机械工程及自动化、车辆工程、测控技术与仪器、热能与动力工程、核工程与核技术、电气工程及其自动化、电气工程与自动化、建筑学、道路桥梁与渡河工程、港口航道与海岸工程、安全工程、油气储运工程、飞行技术、航海技术、轮机工程、船舶与海洋工程、轻化工程、纺织工程、飞行器设

14、计与工程、飞行器动力工程、飞行器制造工程、探测制导与控制技术、信息对抗技术、工程力学、森林工程、木材科学与工程、茶学、基础医学、国际商务。 31/60http:/ 工科排名2008年31162009年33（15）2010年19122011年25142012年33宁夏大学过程装备与控制工程专业的特色及优势宁夏大学过程装备与控制工程专业的特色及优势v 具有过程装备先进制造技术二级学科点具有过程装备先进制造技术二级学科点 “过程装备先进制造技术”是以现代先进制造技术为先导，融合过程工程与机械工程的高层次学科建设领域。宁夏大学机械工程学院“过程装备先进制造技术”学科，在自身建设发展和寻求特色的实践中，

15、不断与宁夏地方特色进行了深入的融合，形成了独具特色的学科研究方向，为学科发展提出了大量的科研课题。v 主要特色主要特色 1过程装备数字化研发技术针对“真空相变锅炉”设计制造周期长、过程复杂的特点，融合现代机械产品数字化开发技术与信息技术为一体，开展了信息化技术支撑下的机械设计模式原创性研究，探索了数字化过程装备规模化定制的共性技术理论，得到国家863项目支持，取得了地方政府科技创新奖，并得到了产业化应用，培养了大批高层次工程技术人才。 2大型太阳能枸杞干燥技术针对宁夏特色农产品枸杞干燥过程装备的巨大需求，以大型化、节能干燥研究为突破口，运用先进的太阳能技术与传统枸杞干燥工艺改良相结合，发展了枸

16、杞干燥过程理论和装备设计制造通用技术，研究发展具有宁夏应用特色的高效太阳能利用技术，得到了国家、地方大力支持，培养带动了学科技术研究队伍，形成了专家咨询与服务技术核心。 3化肥化工装备应用与再制造宁夏地区化工过程企业众多，是我国较早进行较高层次过程装备研究开发的地区，宁夏大学集中了一批进行过程装备研究的技术人才，长期从事针对“化肥化工装备应用与再制造”，以设备、产品零部件维修和再制造为主的研究和开发，带动并形成了以“化肥制造装备、镁冶炼、碳化硅、煤化工装备”研究为基础的学术群体，研究成果已部分得到了地方企业的产业化应用，形成了为地方企业运用先进制造技术实现过程装备设计制造的专家咨询队伍，为地方

17、输送了大量担任技术骨干的高级工程技术人才。v 经过十余年的发展，经过十余年的发展，“过程装备先进制造技术过程装备先进制造技术”学科已经学科已经积累大量研究成果，形成一定的学科优势。积累大量研究成果，形成一定的学科优势。1具有化工单元设备及成套装备优化设计、创新改造和新型化工装置技术开发技术教学和研究的基本能力，成为宁夏地区“过程装备先进制造技术”的研究与技术交流、服务咨询的事实中心。2积累了研究教学的大量技术装备，为地方提供“化工仪表自动化实操培训”，教学与科研成果辐射本地过程工业及工程技术学院。3具备数字化过程装备定制研究开发技术能力，形成了以过程装备CAD、CAE、CAPP、PDM技术应用

18、研究开发为核心的“过程装备先进制造技术”科研中心。4学科研究队伍拥有一支知识结构合理、勇于攻关和创新的年轻教学科研学术梯队，其中有教授4名，副教授1名，实验室辅助人员2名。六个过程与我们的专业相关：有哪些过程与我们相关？有哪些过程与我们相关？ 1. 流体动力过程流体动力过程泵、压缩机、风机、管道和阀门等。2. 2. 热量传递过程热量传递过程热量交换过程及设备，即：换热器，热交换器等。它涉及有关干燥, 蒸馏, 浓缩, 萃取等过程及装备。3. 3. 质量传递过程质量传递过程它涉及固体物料的粉碎、造粒等过程及设备。4. 4. 动量传递过程动量传递过程它涉及冷冻, 深度冷冻, 空气分离等过程及设备。5

19、. 5. 热力学过程热力学过程它涉及化学反应，如：合成、分解等过程及设备。6. 6. 化学过程化学过程典型生产过程石油化工过程与装备 化肥生产过程与装备 过 程 装 备遵 循 流 体 力 学 与 热 力 学 规 律 的 热 力 流 体 过 程装 备 （ 泵 、 压 缩 机 、 离 心 机 、 搅 拌 釜 ）遵 循 固 体 和 粉 体 力 学 规 律 为 主 的 机 械 过 程 装备 （ 粉 碎 、 过 筛 、 造 粒 、 输 送 装 备 ）遵 循 燃 烧 与 传 热 规 律 为 主 的 传 热 过 程 装 备 （工 业 炉 、 换 热 器 、 蒸 发 器 ）遵 循 传 质 分 离 规 律 为

20、主 的 传 质 过 程 装 备 （ 蒸馏 塔 、 吸 收 塔 、 萃 取 塔 、 干 燥 器 、 结 晶 器 ）遵 循 化 学 反 应 规 律 为 主 的 化 学 反 应 过 程 装 备（ 固 定 床 、 移 动 床 和 流 化 床 反 应 器 、 搅 拌 反应 釜 ）过 程 机 器过 程 设 备（ 压 力 容 器 ）煤气化过程与装备 生物转化过程与装备 火力发电过程与装备 原子能发电过程与装备 生物质发电过程与装备 过程装备控制简介过程控制技术的介入过程控制技术的介入被控变量被控变量v 液位v 流量v 压力v 温度内内 容容v 引 言v 热交换过程的静态特性v 换热设备的控制v 加热炉的控制

21、v 锅炉设备的控制热交换过程的静态特性热交换过程的静态特性G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体问题问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2分别为相应介质的比热。热交换过程的热量平衡方程热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量/单位时间= 载热体放出的热量/单位时间)(11111ioTTGcq)(22222ioTTGcq21qq 热交换过程的传热速率

22、方程热交换过程的传热速率方程mmTKFqK 为传热系数；Fm 为传热面积；Tm 为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在1/3 3 之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTT热交换过程的静态方程热交换过程的静态方程)(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioiiiomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTT

23、Tmiiio热交换过程的静态特性分析热交换过程的静态特性分析iiioTTTTy1211mKFcGx111mKFcGx2222111211xxxy01234567801yx1 = 0.5x1 = 1.0 x1 = 2x1 = 4x2严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。换热设备的控制方法换热设备的控制方法v 被控变量(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；(2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。v 控制变量(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差；(3) 调传热面积；(4) 将工艺介质分

24、路，一路经换热，另一路走旁路。换热设备的控制方案换热设备的控制方案凝液蒸汽TCTCLC氨气液氨TC蒸汽凝液TC载热体工艺介质加热炉的控制问题加热炉的控制问题v 被控变量被控变量：工艺介质的出口温度。v 控制变量控制变量：燃料油或燃料气的流量。v 主要干扰主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。v 对象特性建模方法对象特性建模方法：定性分析+实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。加热炉的单回路控制加热炉的单回路控制FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的串级控制加热炉的串级控制TC

25、TC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PCTC进料出料燃料油催化裂化加热炉的控制系统催化裂化加热炉的控制系统FCFCTCPCPCPC自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气( 热裂解气 )加热炉的安全联锁保护系统加热炉的安全联锁保护系统TCPCLSGL2BSGL1燃料进料出料LS：低选器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。锅炉设备的工艺流程锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)锅炉设备的控

26、制问题锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。汽包水位的控制问题汽包水位的控制问题v 被控变量：汽包水位，用H (s)表示v 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示v 主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示v 通道对象：非自衡、非最小相位、非线性等特性汽包水位的对象特性汽包水位的对象特性DHH 0HH 2H 1ttGHHH 1tt干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsHsesKsGsH0)()(非最小相位特性非最小相位特

27、性1)()(221sTKsKsDsH) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为02120TKKT汽包水位的单冲量控制汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水液位非自衡对象响应测试液位非自衡对象响应测试（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数 。非自衡对象特征参数的获得非自衡对象特征参数的获得 Kp (稳态输出斜率)：minmax01minmax1212)()(1uuuuyytytyttKp其中umax、u

28、min与 ymax、ymin为输入输出的量程上下限；若巳归一化，则 umax umin =1, ymax ymin =1。 T0 (纯滞后时间)：非自衡对象非自衡对象PID控制系统稳定性分析控制系统稳定性分析sTpcesKKsG01)(wjTpcejwKKjwG01)(开环传递函数：R(s)Y(s)+_sTpesK0Kc稳定条件：1/)()2()(0cpccccwKKjwGwTjwGpcKTK020非自衡对象非自衡对象PID参数整定原则参数整定原则将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大Kc值，例

29、如增大到原来的两倍；反之，则减小Kc值。0;)205(;100dipcTTTKTK汽包水位的双冲量控制汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFC1PC +C2PF+C0前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。汽包水位的三冲量控制汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFFCLC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC +C2PF+C0三冲量控制系统的简化连接三冲量控制系统的简化连接LC水位蒸汽给水C1C2C3LC水位蒸汽给水C3C1C2锅炉蒸汽压力控制锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统和燃料与空

30、气比值控制系统FCFCPCACLSHS蒸汽压力燃料量空气量含氧量燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K稳态：I1= I2 = I3 = I4 = IpQ1 = KQ2分析提降量过程？需要解决的问题需要解决的问题LC水位蒸汽给水C3C1C2对于锅炉汽包水位的控制问题，可采用如图所示的简化的三冲量控制系统。假设调节阀为气关阀，要求（1）结合汽包水位的控制对象，画出完整的系统方框图，并注明各方框图的输入输出变量意义；（2）确定C1， C2， C3与调节器的正反作用方向，并说明C2与C3数值确定方法。典型操作单元的控制流体输送设备的控制内内 容容v 引 言v 流量控制的特点v 泵与管路流量控制v

31、离心式压缩机的流量控制v 离心式压缩机的防喘振控制典型生产过程企业的结构典型生产过程企业的结构生产厂生产装置生产装置操作单元操作单元. . . . .基本设备基本设备. . .炼油厂常减压/催化裂化/催化重整等反应再生/分馏系统/吸收稳定等系统反应器/加热炉/精馏塔/换热器/泵,压缩机等(举例)计算机应用生产计划与生产调度的最优化装置操作的最优化单元平稳控制/质量控制/单元操作的最优化设备平稳控制/联锁安全保护单元操作的基本任务单元操作的基本任务v 安全操作联锁保护，各种软保护（超驰控制、设备压力温度控制、最小/最大流量控制等）v 平稳操作液面控制（或称物料平衡控制），重要操作参数控制等v 质

32、量控制直接/间接质量控制，如成分控制/灵敏板温度控制等流量控制系统的特点流量控制系统的特点v 控制通道的对象时间常数小只需采用PI调节器，无须引入微分作用；v 测量信号通常带有高频噪声应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；v 静态非线性应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。离心泵的特性离心泵的特性HHLn1n2n3Q2221QKnKHH为泵的压头，即泵前后的流体静压差；n 为离心泵转速；Q为泵的排出量。HL为泵的最大输出功率线，即在给定的转速下，H*Q在该压头下达到最大。采用直接节流法的流量控制系统采用直接节流法的流量控制系统HL

33、1HL2HL3C1C2C3HQFC调节原理调节原理：通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。注意注意：控制阀不应装在泵的吸入口；另外，控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。还有，检测元件宜装在控制阀的上游。采用变频调速法的流量控制采用变频调速法的流量控制调节原理调节原理：采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。特特 点点：节能，调节平稳，但投资较大。FC调转速采用旁路法的流量控制采用旁路法的流量控制FCxrxrPC特点特点：机械效率低，但适合于某些不能采用直接节流法的容积式泵。容积式泵的流量控制容积式泵的流量控制特点特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调

34、速法或上述控制方案（但应这两个回路的动态关联）。FCPC入口出口往复泵原动机离心式压缩机的特性曲线离心式压缩机的特性曲线P2 /P1 为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）之比，或称压缩比；n 为压缩机的转速；Q 为压缩机出口流量。其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。100n1n2n3Q , %喘振区501.02.03.0P2 /P1流体输送设备的喘振现象流体输送设备的喘振现象(1) 泵刚启动时，液位为1-1，对应管路特性为I，工作点为QM，QAQM.(2) 工作点的变化过程： QM QN QO QP QN QO .QA112233QQMHTIOH

35、- QMNPIIIIIQNQOQA产生喘振的条件产生喘振的条件v 流体输送设备的特性曲线为驼峰型即管路特性与输送设备的特性曲线存在两个交点；v 管线中存在能贮存和释放能量的容器。 防喘振操作线方程防喘振操作线方程n1n2n3Q 21.02.03.0P2 /P1喘振极限线安全操作线aTQKPP12112Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1 ，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。采用差压计测流量时的采用差压计测流量时的安全操作线安全操作线aTQKPP12112111dPQ 111zRTMPaPPmPPd11121)(121PPmPdzRKMm22防喘振控制系统（防喘

36、振控制系统（1）压缩机排出吸入循环FC当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值.问题问题：调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？防喘振控制系统（防喘振控制系统（2）压缩机排出吸入循环FCP1P2P2 -aP1mm ( P2 - aP1 )P1 d问题问题：若流量测量在出口处，如何推导得到防喘振安全操作线？防喘振控制系统实例防喘振控制系统实例分析分析该系统包括两个控制回路：（1）采用调速方法控制气压机的入口压力；（2）采用可变极限流量法的气压机变防喘振控制系统。气压机蒸 汽透 平P

37、CU2U3U1U4GCPdP1, mP2, mP2P2P1PdP1m - maP2P1防积分饱和方法防积分饱和方法Kc11sTiE(s)U(s)Uc(s)正常情况下，)(1)(sEsTsTKsUiic（1）仪表PI控制器（2）数字PI控制器PIe(k)u(k)1zu(k-1)u(k)PID 增量式控制器输出变化率限幅控制器输出高低限幅典型操作单元的控制反应器的控制内内 容容v 引 言v 反应速度与反应平衡v 反应器数学模型v 反应器的基本控制方案v 典型反应器的控制方案化学反应过程种类化学反应过程种类v 操作方式（是否连续进料与连续出料）：连续与间歇；v 热交换形式（是否与外界存在热量交换）：

38、绝热与非绝热；v 反应物/生成物的形态：均相与非均相（如气、固流化床）；v 物料是否循环：单程反应与循环反应；反应过程物流方式反应过程物流方式反应器后处理工序进料产品其它物料加热或冷却( a )单程型反应器后处理工序进料产品溶剂或其它加热或冷却+未反应物料( b )循环型反应器种类反应器种类再生器提升管反应器沉降器待生催化剂再生催化剂空气烟气进料油反应油气气体固相经提升或再生化学反应速度化学反应速度QmMlLbBaA定义：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物定义：单位时间内单位反应体积中某一反应物或生成物摩尔数的变化量摩尔数的变化量。对反应物A，其反应速度为01dtCddtndVrAAA

39、01dtCddtndVrMMM对生成物M，其反应速度为考虑化学反应：rmrlrbrarMLBA相互关系：影响反应速度的因素影响反应速度的因素对于单向反应，反应速度通常可表示为BACCkr 其中CA、CB为反应物A、B的摩尔浓度；、为反应物A、B的反应级数，+为反应级数；k为反应速度常数，通常为温度的函数，RTEkkexp0rCCTAA,化学反应平衡化学反应平衡QmMlLbBaA总的反应速度为当 r总 = 0 时，反应达到平衡（反应物与生成物的浓度均不变）。而化学平衡常数为对于可逆反应：212121MLBACCkCCkr总212121BAMLCCCCkkKK与反应温度有关：若正向反应为吸热反应，

40、则反应温度T K；反之，则T K；反应转化率、产率与收率反应转化率、产率与收率)()(副反应主反应CBACBA对于可逆反应：%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数参加反应的转化率AA%100*的摩尔数参加反应的的摩尔数的转化为产品产率AAC%100*的摩尔数进入反应器的的摩尔数的转化为产品收率AAC操作条件对化学反应的影响操作条件对化学反应的影响v 浓度浓度。提高反应物的浓度、降低生成物的浓度，可提高总的反应速度与转化率；v 反应压力反应压力。对于有气体参加的可逆反应，增加总压力，化学平衡向摩尔数减少的反应方向移动；v 反应温度反应温度。温度升高，正反向反应速度均提高。在平衡条件下，对吸热反应

41、有利。v 催化剂催化剂。催化剂不影响化学平衡，但加快反应速度。例子：氨的合成反应与变换反应QNHNH322232220HCOCOH,反应器建模示例反应器建模示例VF, T, cA反应产物反应物F, Tf , cA0Tc冷却剂假设反应是一级不可逆放热反应，进料与出料的体积流量相同，密度均为，反应器内温度与浓度均匀，并分别与出口温度和浓度相同。BAK问题问题：求取操作变量( F、Tc )对被控变量( T、cA)的静态动态特性，并分析对象本身的稳定性。Step 1: 列写动态方程式列写动态方程式VF, T, cA反应产物反应物F, Tf , cA0Tc冷却剂1. 化学反应速度方程AAAAVrFcFc

42、dtdVc0RTEcKdtdcrAAAexp02. 组分A的物料平衡式)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAAStep 1: 列写动态方程式（续）列写动态方程式（续）VF, T, cA反应产物反应物F, Tf , cA0Tc冷却剂3. 反应器内的热量衡算式21QQdtQd其中Q 为反应器内的热量累积, Q1 为单位时间内输入热量， Q2 为输出热量;AfpHVrTcFQ1TcVQp)(2cpTTKATcFQ)(exp0cpfpApTTKATcFTcFRTEcHVKdtdTcV反应器数学模型反应器数学模型)exp()(00RTEKcccVFtdcdAAAA)(exp)(0TTKART

43、EKHVcTTcFdtdTcVcAfpp动态模型动态模型：稳态模型稳态模型：0)exp()(00RTEKcccVFAAA0)()(exp0cfpATTKATTcFRTEKHVc反应器热稳定性分析反应器热稳定性分析0)exp()(00RTEKcccVFAAA00)exp(/AAcRTEKVFVFc)()(1cfpTTKATTcFQ00002)exp(/*)exp(KRTEVFVFKHVcRTEKHVcQAA（1）物料与冷剂所带走的热量为（2）反应所放出的热量为绝热反应热稳定性分析绝热反应热稳定性分析)(1fpTTcFQ假设某工作点C 满足Q 1 = Q 2 = Q 0（Q 0为反应温度为T0时反

44、应的放热量）；当T 发生小的变化时，有对于绝热反应，ffTTTTQQ00100002)exp()exp(KFVRTEKFVRTEQQCDE12343803904004104202.01.51.00.50.0TQ1 /Q0反应器的入口温度控制反应器的入口温度控制TC进料出料TC进料出料反应温度的单回路控制反应温度的单回路控制出料进料冷却剂TC出料进料冷却剂TC反应器的串级控制反应器的串级控制与分段温度控制与分段温度控制TCTCTC冷却剂冷却剂冷却剂出料进料冷却剂TCTC聚合釜的反应温度控制聚合釜的反应温度控制出料进料T2CT1C加热器冷却器加热阀冷却阀T1, spT1T2热水蒸汽60 H2O1

45、H2OT典型操作单元的控制精馏塔的控制内内 容容v 引 言v 精馏塔的控制目标v 精馏塔的静态特性v 精馏塔质量指标的选取v 精馏塔的基本控制方案v 精馏塔的其它控制方案连续精馏装置的工艺流程连续精馏装置的工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。操作代价操作代价：消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔底需要冷却使塔顶组分冷凝；精馏塔的控制目标精馏塔的控制目标v 质量指标对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。v 产品产量和能量消耗在保证产品质

46、量的前提下，尽可能提高产品的产品并设法降低装置的能耗。精馏塔产品纯度、产品回收率精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系和能耗之间的相互关系12010080604020080 90 9598 99 99.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2FV468产品回收率产品回收率：进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；能耗指标能耗指标：用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；定性规律：若能耗指标一定，产品纯度越高，其回收率越低；若产品纯度一定，在一定范围内能耗指标越高，其回收率越高。精馏塔的静态特性精馏塔的静态特性F, xFVB, xBD, xDBDF总与轻组分的物料平衡方程

47、：BDFBxDxFx能耗与分离度S的关系：)1 ()1 (lnlnDBBDxxxxSFVBDFDBDBFxxxxFBxxxxFD或结论结论：对于给定的进料，若D/F和V/F保持一定，则该塔的分离结果xD, xB就完全确定。精馏塔的控制问题精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量 D回流量 R塔底采出量 B再沸器上升蒸汽量 V冷凝器冷却量 QC塔顶汽相采出量 DV塔顶产品纯度 xD塔底产品纯度 xB塔底液位 LB回流罐液位 LR塔顶压力 P外部扰动外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量操作变量/控制变量被控变量被控变量精馏塔质量指标的选取精馏塔质量指标的选取v 直接质量指标（1）产品质

48、量在线分析仪 / 软测量仪v 间接质量指标*（1）灵敏板温度灵敏板温度，与塔顶/塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；（2）温差信息温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对产品质量的影响；（3）双温差信息双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。精馏塔的压力控制精馏塔的压力控制FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量 DV 塔压 P冷凝器冷却量 QC 塔压 P精馏塔精馏塔物料平衡与质量控制问题物料平衡与质量控制问题精馏塔塔顶采出量 D回流量 R塔底采出量 B再沸器上升蒸汽量 V精馏段灵敏板温度 TD塔底液位 LB回流罐液位 LR外部扰动外部扰动

49、(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量操作变量/控制变量被控变量被控变量提馏段灵敏板温度 TB* 考虑被控过程的静态与动态特性，结合就近原则就近原则，可将控制问题分解简化为两个相对独立的子系统。按精馏段指标的控制方案按精馏段指标的控制方案v 被控变量被控变量：TD, LR, LB (即只对塔顶产品质量指标进行控制；而对塔底产品质量指标不作严格要求)v 控制变量控制变量：D, R, B (而保持再沸器加热量V为定值)v 控制结构控制结构（1）方案1：B LB， D LR， R TD；（2）方案2：B LB， R LR， D TD。精馏段控制方案之一精馏段控制方案之一DLCTCFBLCFC

50、FC精馏段控制方案之二精馏段控制方案之二DLCFBLCFCFCTC按提馏段指标的控制方案按提馏段指标的控制方案v 被控变量被控变量：TB, LB, LR (即只对塔底产品质量指标进行控制；而对塔顶产品质量指标不作严格要求)v 控制变量控制变量：V, B, D (而保持回流量R为定值)v 控制结构控制结构（1）方案1：D LR， B LB， V TB；（2）方案2：D LR， V LB， B TB。提馏段控制方案之一提馏段控制方案之一DLCTCFBLCFCFC提馏段控制方案之二提馏段控制方案之二DLCFBLCFCFCTC按塔顶塔底按塔顶塔底两端质量指标控制两端质量指标控制v 被控变量被控变量：T

51、D , TB , LR, LB (即同时对塔顶/塔底产品质量指标进行控制)v 控制变量控制变量：R, V, D, B v 对象特性对象特性：BDVRLLTTBRBD*0*0*00*00*R TD V TBD LRB LB两端质量指标控制系统两端质量指标控制系统TCFBTCTBTDRVV1V2控制方案控制方案（1）若相互耦合不严重，则可通过调节器参数的整定，使相关回路的工作频率拉开以减少关联；（2）若耦合严重，则可考虑静态解耦或其他先进控制方法：变结构控制、预测控制等。精馏塔多回路控制系统精馏塔多回路控制系统精馏塔解耦控制系统精馏塔解耦控制系统精馏塔的其他控制方案精馏塔的其他控制方案v 内回流控

52、制内回流控制：为克服冷回流返塔温度对精馏塔产品质量的影响，可采用内回流的计算指标控制；v 进料热焓控制，进料热焓控制，以克服进料温度与进料状态对产品质量的影响；v 进料前馈反馈控制进料前馈反馈控制，以适应进料量的变化，并提高控制质量；v 浮动塔压控制浮动塔压控制：尽可能降低塔压，以节约能耗；但应相应改变灵敏板温度控制的设定，以保证产品合格。v 产品质量指标的产品质量指标的“卡边卡边”控制控制：关键技术：在线分析仪 (软测量仪) + 先进控制系统前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统DFBFCFCTCTC过程装备与控制工程 数字化技术应用简介1过程设计过程设计v ChemCAD、hysysv Aspe

53、nplus v PDSOFT 2装备设计装备设计v SW6v ANSYS、ABAQUS3工艺装置管道布置设计工艺装置管道布置设计 4CADv Solidworks、SolidEdge、ProE、UG NX、AutoCAD、CAXA、KAM、ZWCAD5CAPP过程装备技术研究方向过程装备技术研究方向面向先进制造技术的过程装备面向先进制造技术的过程装备u应用计算机辅助设计技术，提高产品设计与创型的效率；应用计算机辅助设计技术，提高产品设计与创型的效率；u应用计算机模拟技术，实现过程设备的虚拟工程放大以及设计应用计算机模拟技术，实现过程设备的虚拟工程放大以及设计方案的优化；（物性的模拟，传递现象的

54、模拟，结构与材料特性方案的优化；（物性的模拟，传递现象的模拟，结构与材料特性的模拟）；的模拟）；u利用制造自动化的各种新技术，加快产品的试制和定型利用制造自动化的各种新技术，加快产品的试制和定型,使其使其快速形成生产力。（柔性制造系统快速形成生产力。（柔性制造系统(FMS)、分布式数控、分布式数控(DNC)、快速原型技术快速原型技术(RP )。面向新材料技术的过程装备面向新材料技术的过程装备u高温及高温耐腐蚀合金高温及高温耐腐蚀合金u超低碳型镍钼铬系镍基耐蚀材料超低碳型镍钼铬系镍基耐蚀材料u无机非金属材料陶瓷材料无机非金属材料陶瓷材料u新型高分子材料新型高分子材料u高性能复合材料高性能复合材料

55、 过程装备技术发展趋势过程装备技术发展趋势面向再设计再制造工程的过程装备面向再设计再制造工程的过程装备u基于全寿命周期管理理念的退役设备再利用技术基于全寿命周期管理理念的退役设备再利用技术u基于寿命评估技术的在役设备延寿及改造技术基于寿命评估技术的在役设备延寿及改造技术u基于纳米表面工程的创新维修技术基于纳米表面工程的创新维修技术面向高技术过程的过程装备面向高技术过程的过程装备u服务先进的能源与环保技术服务先进的能源与环保技术u服务纳米材料制备技术服务纳米材料制备技术u服务超临界流体技术服务超临界流体技术1、过程装备的大型化过程工业的大型化、油气资源储备的战略化趋势过程工业的大型化、油气资源储

56、备的战略化趋势 建设建设1座炼能为座炼能为1000万吨的炼油厂，与建设万吨的炼油厂，与建设2座座500万吨的炼油厂相比，投资可万吨的炼油厂相比，投资可节省节省20左右，装置能耗约减少左右，装置能耗约减少19；与建设；与建设3套套350万吨的装置相比，投资减少万吨的装置相比，投资减少55以上，能耗减少以上，能耗减少29以上。以上。过程装备的大型化过程装备的大型化15200km3原油储罐原油储罐;直径直径9.410.6m的焦炭塔的焦炭塔;直径直径1415m的催化再生器的催化再生器;直径直径1216m的减压分馏塔的减压分馏塔;直径直径4.8m，质量约，质量约2000t的煤液化加氢反应器。的煤液化加氢

57、反应器。过程装备大型化的制造要求过程装备大型化的制造要求l对材料的要求对材料的要求l对设计技术的要求对设计技术的要求l对制造技术的要求对制造技术的要求(先进、高效的焊接技术先进、高效的焊接技术 锻件空心浇注技术锻件空心浇注技术 现场组装技术现场组装技术 无损检测技术无损检测技术)过程装备技术发展趋势过程装备技术发展趋势2、过程装备的微型化过程装备的微型化u强化化工过程的微小型机械强化化工过程的微小型机械u以微型化学化工机械产品为主组成的微仪器以微型化学化工机械产品为主组成的微仪器微型化工机械技术还没有形成微型化工机械技术还没有形成,中国化工机械制中国化工机械制造业对微仪器的制造亦还缺乏意识和知

58、识造业对微仪器的制造亦还缺乏意识和知识,相信相信今后在化学家和化工机械科学工作者的合作下今后在化学家和化工机械科学工作者的合作下,能逐渐形成新的产业。能逐渐形成新的产业。过程装备制造业的主战场过程装备制造业的主战场1、面向大型石油化工行业 所称大型石化设备是指：年产量不小于所称大型石化设备是指：年产量不小于80104t的乙烯成套设的乙烯成套设备，包括乙烯裂解气压缩机组及其配套用工业汽轮机、乙烯制冷压备，包括乙烯裂解气压缩机组及其配套用工业汽轮机、乙烯制冷压缩机组及其配套用工业汽轮机、丙烯制冷压缩机组及其配套用工业缩机组及其配套用工业汽轮机、丙烯制冷压缩机组及其配套用工业汽轮机、离心式急冷油泵、

59、离心式急冷水泵、乙烯冷箱、加氢反应汽轮机、离心式急冷油泵、离心式急冷水泵、乙烯冷箱、加氢反应器、加氢装置空冷器；年产量不小于器、加氢装置空冷器；年产量不小于40104t的聚乙烯循环气压缩的聚乙烯循环气压缩机和聚乙烯配套用往复式压缩机机和聚乙烯配套用往复式压缩机(迷宫密封式迷宫密封式)；年产量不小于；年产量不小于20104t的混炼挤压造粒机组；年产量不小于的混炼挤压造粒机组；年产量不小于80104t的对苯二甲的对苯二甲酸酸(PTA)成套设备，包括成套设备，包括PTA氧化反应器、加氢精制装置加氢反应氧化反应器、加氢精制装置加氢反应器、蒸汽回转干燥机、器、蒸汽回转干燥机、PTA工艺空气压缩机组。工艺

60、空气压缩机组。 2010年，我国原油加工能力突破年，我国原油加工能力突破4108t/a，到，到2015年将增至约年将增至约5108t/a。2010年全国乙烯当量需求为年全国乙烯当量需求为2630104t，乙烯产能为，乙烯产能为1752104t；2015年全国乙烯当量需求将增至年全国乙烯当量需求将增至3370104t，产能将增长到，产能将增长到2180104t。 我国每年炼化项目的投资额达我国每年炼化项目的投资额达700亿元左右，据亿元左右，据粗略估算，每年装备采购额可达约粗略估算，每年装备采购额可达约300亿元。亿元。过程装备制造业的主战场过程装备制造业的主战场1、面向大型石油化工行业我国重大