第十六章典型操作单元的控制方案

1、第十六章第十六章 典型操作单元的典型操作单元的 控制方案控制方案流体输送设备的控制流体输送设备的控制传热设备的控制传热设备的控制精馏塔的控制精馏塔的控制化学反应器的控制化学反应器的控制小小 结结第一节第一节 流体输送设备的控制流体输送设备的控制流体输送设备的基本任务是流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头输送流体和提高流体的压头。 它的控制，主要是出口它的控制，主要是出口流量或压力流量或压力的控制。的控制。 泵泵是液体的输送设备，是液体的输送设备，压缩机压缩机则是气体的输送设备。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，此外，还有为保护输送设备不致损

2、坏的一些保护性控制方案，如离心式压缩机的如离心式压缩机的“防喘振防喘振”控制方案。控制方案。离心泵离心泵控制的目的是控制的目的是: : 泵的出口流量或压力泵的出口流量或压力一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案离心泵是最常见的液体输送设备。离心泵是最常见的液体输送设备。（一）工作原理（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:2221QRnRH1.1.离心泵的流量特性：离心泵的流量特性：n1 n2 n3 n42.2.泵的管路特性泵的管路特性1)1)管路两端的静压差引起的压头管路两端的静压差引起的压头hp；2)2)管路两端的静压柱高度管路两端的静压柱高度h hL L ；3)3

3、)管路中的摩擦损失压头管路中的摩擦损失压头h hf f ；4)4)控制阀两端节流损失压头控制阀两端节流损失压头h hv v ；曲线曲线1/2/3为不同管路阻力下的为不同管路阻力下的管路特性曲线：管路特性曲线：2LHCkQHL=hp+hL+hf +hvk管路系统常数，与出口阀的开度管路系统常数，与出口阀的开度有关，开度越大，有关，开度越大，k越小越小3.3.泵的工作点：泵的工作点：管路特性曲线：管路特性曲线：2LHCkQ2221QRnRH 离心泵的流量特性：离心泵的流量特性： 当系统达到稳定工作状态时，泵当系统达到稳定工作状态时，泵的压头的压头H必然等于必然等于HL。泵的流量特性曲线与管路特性曲

4、线泵的流量特性曲线与管路特性曲线的的交点交点C，即是泵的，即是泵的平衡工作点平衡工作点。C点对应流量点对应流量Q即泵的实际出口流量。即泵的实际出口流量。 对应压头对应压头H即泵的实际出口压头。即泵的实际出口压头。 管路特性管路特性流量特性流量特性FTFC图16-1 改变泵出口阻力控制流量 （二）离心泵出口流量控制方案（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。改变出口阀门开度即改变管路阻力。 A为泵的为泵的流量特性曲线不变流量特性曲线不变：转速一定。：转速一定。 曲线曲线1/2/3为不同管路阻力下的为不同管路阻力下的管路管路特性曲线：特性曲线：返回返回曲线曲线A与曲线与曲线1的

5、交点的交点Cl即为工作点。即为工作点。 2212HRnR Q2LHCkQCl点对应流量点对应流量Ql即泵的实际出口流量。即泵的实际出口流量。 对应压头对应压头H即泵的实际出口压头。即泵的实际出口压头。 这时，这时，管路特性曲线管路特性曲线会发生改变。会发生改变。 1控制泵的出口阻力控制泵的出口阻力 （2）此方案总机械效率较低，尤其阀小开度时，阀上压降较）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，流量小于正常排量大。对大功率泵，流量小于正常排量30%时，时，损耗功率大，损耗功率大，不经济，不宜采用不经济，不宜采用。（1）简单可行、应用最为广泛的方案。）简单可行、应用最为广泛

6、的方案。FTFC图16-1 改变泵出口阻力控制流量注意：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：特点：（3）调节阀阀一般宜装在流量计）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的下游，这样将对保证流量测量精度有好处。度有好处。2控制泵的转速控制泵的转速 泵的转速泵的转速n改变时，改变时，流量特性曲线流量特性曲线会发生改变。会发生改变。 同样同样Q下，提高下，提高n会使压头会使压头H增加。增加。 返回返回2221QRnRH若管路特性曲线一定，若管路特性曲线一定，n1 n2 n3 n42LHCkQ （2）若电动机是）

7、若电动机是调速电机调速电机，可用电动调速装置控制可用电动调速装置控制。如直流。如直流调速装置、变频调速器等；调速装置、变频调速器等； （3）若是）若是恒速电机恒速电机，可在电机与泵之间的联轴，可在电机与泵之间的联轴安装调速机安装调速机构构，改变转速比改变转速比来控制转速；来控制转速； （1）汽轮机驱动的离心泵，）汽轮机驱动的离心泵，改变蒸汽量改变蒸汽量即可。即可。 特点：特点：返回返回(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。能耗最为经济能耗最为经济(节能节能)，但调速机构较复，但调速机构较复杂，价格贵。杂，价格贵。(2)调速装置较复杂，价格贵较复杂，价格贵

8、，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，例：原油外输采用，6000V，30A 3控制出口旁路控制出口旁路 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。控制泵的实际排量。图16-5 改变旁路阀控制流量FTFC 因因调节阀调节阀前后压差大，流量小，控前后压差大，流量小，控制阀制阀尺寸可比安装在控制出口管道上尺寸可比安装在控制出口管道上小得多。小得多。 特点：特点：不经济不经济，因旁路消耗一部分高压液体能量，使，因旁路消耗一部分高压液体能量，使总总机械效率降低机械效率降低，故很少采用。，故很少采用。返回返

9、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。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控制出口压力控制出口压力2221QRnRH 特点：特点：压力测量通常比流量测量容易，但压力与流量的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。测量、流量控制要求不高的场合。二、往复泵的控制方案二、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。往复泵是利用活塞在气缸中往复运动来输送流体。多多用于流量较小、压头较高用于流量较小、压头较高的场合。的场合

10、。（一）工作原理（一）工作原理 360 (/ )QnFsmhn每分钟往复次数；每分钟往复次数；F气缸截面积，气缸截面积，m2；s活塞冲程，活塞冲程，m；与管路特性无关，可通过改变与管路特性无关，可通过改变n、s来控制流量。来控制流量。 流量特性：流量特性： （二）往复泵的控制方案（二）往复泵的控制方案 1改变原动机转速改变原动机转速 与离心泵调转速相同。汽轮机作原与离心泵调转速相同。汽轮机作原动机可改变蒸汽流量则动机可改变蒸汽流量则改变往复次数改变往复次数n，控制出口流量。控制出口流量。 2控制泵出口旁路控制泵出口旁路 改变旁路阀开度控制实际排量。改变旁路阀开度控制实际排量。因高压流体部分能量

11、白白消耗在旁路上，故经济性较差。因高压流体部分能量白白消耗在旁路上，故经济性较差。3改变冲程改变冲程s 计量泵常采用改变冲程计量泵常采用改变冲程s进行流量控制。进行流量控制。 60 Qn sF图16-8 往复泵的特性曲线 在一定转速在一定转速n下，随下，随QH。因此。因此改变出口管道阻改变出口管道阻力既达不到控制流量目的，力既达不到控制流量目的，一旦出口阀完全关闭，泵缸内一旦出口阀完全关闭，泵缸内的的压强压强将会急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。将会急剧上升，导致机件破损或电机烧毁。又极易又极易导致泵体损坏。导致泵体损坏。严禁采用控制出口阻力的控制方案。严禁采用控制出口阻力的控制方案。4改变出

12、口阻力改变出口阻力离心泵离心泵可以可以用出口阀门来调节流量用出口阀门来调节流量，但对，但对往复泵往复泵此法此法却却不能采用不能采用。因为往复泵的流量只与泵的因为往复泵的流量只与泵的几何尺寸几何尺寸和和泵的往复次数有关泵的往复次数有关，而而与管路特性无关与管路特性无关。60 Qn sF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。第二节第二节 传热设备的控制传热设备的控制一概一概 述述 传热的目的主要有下列三种：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。使工艺介质达到规定的温度。对工艺

13、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。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。艺介质汽化，也有冷凝除热，使气相物料液化。(3)回收热量。回收热量。1 110122220()()iiqGc TTG c TTq=UA T2)()(212010221iiTTTTttT二传热设备的特性二传热设备的特性 热量平衡方程热量平衡方程传热速率方程传热速率方程22201111 11

14、21()ioiic TTUA ttttGGcGc三、一般传热设备的控制三、一般传热设备的控制1. 控制载热体流量控制载热体流量 传热面积足够大时传热面积足够大时，可使传，可使传热系数和平均温度变化。即热系数和平均温度变化。即改改变传热量。变传热量。 适用适用载热体压力较平稳及生载热体压力较平稳及生产负荷变化小的场合。产负荷变化小的场合。否则可采用温度与流量否则可采用温度与流量(或压力或压力)串级控制系统。串级控制系统。返回返回出口温度的控制出口温度的控制22220111 1()ioic TTttG cG25分路控制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采用三通控制阀来改变进

15、入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，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，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。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当载热体流量不允许变动时22220111 1()ioic TTttG cG3. 工艺介质分路控制工艺介质分路控制 当传热面积受限当传热面积受限，载热体流，载热体流量增加其控制作用已很弱。量增加其控制作用已很弱。 对对程数复杂的换热器程数复杂的换热器，停留时，停留时间较长，间较长，时滞较大时滞较大，改变载热体，改变载热体流量流量不易控制不易控制或或控制质量较差。控制质量较差。可

16、采用三通调节阀对可采用三通调节阀对同一介质冷热混合同一介质冷热混合的方法。的方法。缩短了控制通道滞后，反应迅速及时。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载热体一直处于高负荷，若采用专门热剂不经济。若载热，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。此方案较好。保证工艺介质流量流体流量不变保证工艺介质流量流体流量不变222210111()ioiGG c TTttc26用介质自身流量控制温度222210111()ioiGG c TTttc二、加热炉的控制二、加热炉的控制影响出口温

17、度的干扰有：影响出口温度的干扰有：工艺介质的流量、温度、组分；工艺介质的流量、温度、组分；燃料的压力、成分燃料的压力、成分(或热值或热值)；燃料油的雾化情况；燃料油的雾化情况；空气过量情况；空气过量情况；喷嘴阻力及烟囱抽力等。喷嘴阻力及烟囱抽力等。操纵变量一般是燃料流量。操纵变量一般是燃料流量。1 、单回路控制、单回路控制TCTT燃料原料 图图15-1 加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统返回返回适用场合：适用场合：出口温度要求不高，燃料压力比较平稳，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。炉膛容量小（滞后小）、干扰小且缓慢。加热炉加热炉出口温度控制方案

18、出口温度控制方案燃料T1TT2TT1CT2C原料炉出口温度炉出口温度-炉膛温度炉膛温度串级控制系统串级控制系统2. 出口温度与炉膛温度串级控制出口温度与炉膛温度串级控制能克服：能克服：炉膛方面（抽力炉膛方面（抽力/鼓风鼓风/环境温度）环境温度）、燃料油方面（成分热值变化燃料油方面（成分热值变化/压力波动）压力波动）等干扰。等干扰。副回路不能克服副回路不能克服原料方面原料方面(入口流量入口流量/温度温度/组分）干扰，通过主回路克服。组分）干扰，通过主回路克服。 当主要干扰是当主要干扰是燃料油总管压力时，燃料油总管压力时，采用采用出口温度出口温度-燃料油压力串级控制燃料油压力串级控制 或出口温度或

19、出口温度-燃料油流量串级控制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、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。料油为燃料时，管道细，流量不易测量。副回路不能克服副回路不能克服炉膛抽力、鼓风、环炉膛抽力、鼓风、环境温度境温度、燃料油成分燃料油成分(热值热值)变化、变化、原原料方面料方面(入口流量入口流量/温度温度/组分）等干扰。组分）等干扰。一、工艺要求25 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

20、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。 第三节第三节 精馏塔的控制精馏塔的控制 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。 为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。再沸器H冷却剂精馏塔顶部产品回流罐D回流LRFZF,FFQT ,底部产品B图16-

21、1 精馏塔的物料流程图C一、影响质量指标的主要干扰一、影响质量指标的主要干扰进料流量进料流量F的波动；的波动；进料成分进料成分ZF的变化；的变化；进料温度进料温度TF及进料焓及进料焓QF的变化。的变化。再沸器加热剂再沸器加热剂(如蒸汽如蒸汽)压力、压力、温度的变化；温度的变化；冷剂压力波动的影响；冷剂压力波动的影响；环境温度的变化、塔压等。环境温度的变化、塔压等。多数情况下多数情况下精馏操作的主要干扰：精馏操作的主要干扰： 进料流量进料流量F和成分和成分ZF可供选择的操纵变量：可供选择的操纵变量：顶部产品量顶部产品量D；底部产品量；底部产品量B；回流量；回流量LR；再沸器加热量再沸器加热量H；

22、冷凝器冷却量；冷凝器冷却量C。返回返回控制成分控制成分-温度温度二、精馏塔的基本控制方案二、精馏塔的基本控制方案1. 提馏段温度控制提馏段温度控制提馏段温控：提馏段温控：以提馏段以提馏段温度作为衡量质量的间温度作为衡量质量的间接指标，改变加热量作接指标，改变加热量作为控制手段为控制手段。H精馏塔回流罐DLRFB图16-2 提馏段温控的控制方案示意图CLCLTPTPCLCLTTCTTFCFTFCFT主控系统：主控系统：提馏段塔板提馏段塔板温度为被控变量，加热温度为被控变量，加热蒸汽为操纵变量。蒸汽为操纵变量。辅助控制系统：辅助控制系统： 塔底采出和塔顶馏出塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制液位均匀控

23、制；进料进料定值（均匀）控制；定值（均匀）控制；塔顶压力、回流塔顶压力、回流定值系统；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。塔底采出为主要产品，塔釜成分要求比塔顶馏出液高。主要控主要控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统返回返回（1 1）采用了提馏段温度作为间接质量指标，因此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，就能较好地保证度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到塔底产品的质量达到规

24、定值。规定值。（2 2）当干扰首先进入提馏段时，用提馏段温控就）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。比较及时，动态过程也比较快。 2. 精馏段温度控制精馏段温度控制H精馏塔回流罐DLRFB图16-3 精馏段温控的控制方案示意图CLCLTPTPCLCLTFCFTTCTTFCFT主控系统：主控系统：精馏段塔精馏段塔板温度为被控变量，板温度为被控变量，回流量为操纵变量。回流量为操纵变量。辅控系统：辅控系统：塔底采出和塔顶馏出塔底采出和塔顶馏出液位均匀控制液位均匀控制；塔顶压力、再沸器热源塔顶压力、再沸器热源定值控制；定值控制；进料进料定值定值( (均匀均匀) )控制；控

25、制；塔顶采出为主要产品，塔顶馏出液要求比塔釜成分高。塔顶采出为主要产品，塔顶馏出液要求比塔釜成分高。主要控主要控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统辅助控辅助控制系统制系统精馏段温控：精馏段温控：以精馏以精馏段温度作为衡量质量段温度作为衡量质量的间接参数，改变回的间接参数，改变回流量作为控制手段。流量作为控制手段。 采用了精馏段温度作为间接质量指标，因此它能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。较直接地反映精馏段的产品情况。当塔顶产品纯度要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馏段，采用精馏段温控就比如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。较及时。 第四节第四节 化学反应器的控制化学反应器的控制一、单回路温度控制系统一、单回路温度控制系