第八章 生产过程控制

1、第八章第八章 生产过程控制生产过程控制 l流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案l离心泵的控制方案离心泵的控制方案l往复泵的控制方案往复泵的控制方案l压气机的控制方案压气机的控制方案l离心式压缩机的防喘振控离心式压缩机的防喘振控制制l传热设备的自动控制传热设备的自动控制l一般传热设备的控制一般传热设备的控制l锅炉设备的控制锅炉设备的控制l精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制l工艺要求工艺要求l精馏塔的干扰因素精馏塔的干扰因素l精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案l化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制l化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求l釜式反应器的温度自动釜式反应器的温度自动控制控制l

2、固定床反应器的自动控固定床反应器的自动控制制l流化床反应器的自动控流化床反应器的自动控制制l生化过程的控制生化过程的控制l常用生化过程控制常用生化过程控制l青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程控制l啤酒发酵过程控制啤酒发酵过程控制第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案l一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案图图8-1 8-1 改变泵出口阻力控改变泵出口阻力控制流量制流量图图8-2 8-2 泵的流量特性曲线与泵的流量特性曲线与管路特性曲线管路特性曲线2.2.控制泵的转速控制泵的转速图图8-3 8-3 改变泵的转速控制流量改变泵的转速控制流量n1n2n3 该方案从能量消耗的角度来

3、衡量最为经济，机械效率较该方案从能量消耗的角度来衡量最为经济，机械效率较高，但调速机构一般较复杂。高，但调速机构一般较复杂。图图8-4 8-4 改变旁路阀控制流量改变旁路阀控制流量 将泵的部分排出将泵的部分排出量重新送回到吸入管量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵启度的方法来控制泵的实际排出量。的实际排出量。 控制阀装在旁路控制阀装在旁路上，压差大，流量小，上，压差大，流量小，因此控制阀的尺寸较因此控制阀的尺寸较小。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

4、效率降低，故很少采用。 l二、往复泵的控制方案二、往复泵的控制方案 往复泵往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合，它是利用活多用于流量较小、压头要求较高的场合，它是利用活塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。塞在汽缸中往复滑行来输送流体的。 往复泵提供的理论流量可按下式计算往复泵提供的理论流量可按下式计算 h/m603nFsQ 理图图8-5 8-5 改变转速的方案改变转速的方案 该方案适用于以该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制量的方法方便地控制转速，进而控制往复转速，进而控制往复泵的出口流量。

5、泵的出口流量。 图图8-6 8-6 改变旁路流量改变旁路流量 该方案由于该方案由于高压流体的部分高压流体的部分能量要白白消耗能量要白白消耗在旁路上，故经在旁路上，故经济性较差。济性较差。 图图8-7 8-7 往复泵的特性曲线往复泵的特性曲线 计 量 泵 常 用计 量 泵 常 用改变冲程改变冲程s来进来进行流量控制。冲行流量控制。冲程程s的调整可在的调整可在停泵时停泵时进行，也进行，也有可在运转状态有可在运转状态下进行的。下进行的。l三、压气机的控制方案三、压气机的控制方案l四、离心式压缩机的防喘振控制四、离心式压缩机的防喘振控制图图8-11 8-11 离心式压缩机特性曲线离心式压缩机特性曲线图

6、图8-12 8-12 喘振现象示意图喘振现象示意图是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这一现象时，是出现压缩机工作点这种反复迅速突变这一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。度摆动。 喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心式压喘振是离心式压缩机固有的特性。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸入状态，缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的因

7、素。一般讲，吸入气体的温度或也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸入气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。压力越低，压缩机越容易进入喘振区。 （1 1）固定极限流量法）固定极限流量法 对于工作在一定转速对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流一个进入喘振区的极限流量量QB，为了安全起见，规，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的定一个压缩机吸入流量的最小值最小值QP，且有，且有QPQB。 图图8-13 8-13 防喘振旁路控制防喘振旁路控制图图8-14 8-14 防喘振曲线防喘振曲线 喘振极限喘振极限线是对应于不线是对应于不同转速时的压同转速

8、时的压缩机特性曲线缩机特性曲线的最高点的连的最高点的连线。只要压缩线。只要压缩机的工作点在机的工作点在喘振极限线的喘振极限线的右侧，就可以右侧，就可以避免喘振发生。避免喘振发生。 图图8-15 8-15 变极限流量防喘振控制方案变极限流量防喘振控制方案 该方案控制器该方案控制器FC的给定值是经过运算的给定值是经过运算得到的，因此能根据得到的，因此能根据压缩机负荷变化的情压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量况随时调整入口流量的给定值，而且由于的给定值，而且由于这种方案将运算部分这种方案将运算部分放在闭合回路之外，放在闭合回路之外，因此可像单回路流量因此可像单回路流量控制系统那样整定控控制系统那样

9、整定控制器参数。制器参数。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制1.两侧均无相变化的换热器控制方案两侧均无相变化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一、一般传热设备的控制一、一般传热设备的控制换热器串级控制系统换热器串级控制系统2.载热体进行冷凝的加热器自动控制载热体进行冷凝的加热器自动控制 在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到通过管壁加热工艺介质。如果要加热到200200以上或以上或3030以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。图

10、图8-22 8-22 用凝液排出用凝液排出量控制温度量控制温度图图8-23 8-23 温度温度- -液位串液位串级控制系统级控制系统图图8-24 8-24 温度温度- -流量串流量串级控制系统级控制系统3.冷却剂进行汽化的冷却器自动控制冷却剂进行汽化的冷却器自动控制图图8-25 8-25 用冷却剂流用冷却剂流量控制温度量控制温度 该方案不以液位为被该方案不以液位为被控变量，但液位不能过高，控变量，但液位不能过高，过高会造成蒸发空间不足，过高会造成蒸发空间不足，使出去的氨气中夹带大量使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操液氨，引起氨压缩机的操作事故。作事故。 这种控制方案带有上这种控制方案

11、带有上限液位报警，或采用温度限液位报警，或采用温度- -液位自动选择性控制，当液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时，自液位高于某上限值时，自动把液氨阀关小或暂时切动把液氨阀关小或暂时切断。断。图图8-26 8-26 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。 图图8-27 8-27 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基于当控制阀

12、的开度变化时，会引起氨冷器内汽化化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。温度也就改变了。 汽轮发电机组汽轮发电机组火力发电厂外观火力发电厂外观1下联箱；下联箱；2喷燃器；喷燃器；3水冷壁管；水冷壁管；4下降管；下降管；5炉膛；炉膛；6汽包；汽包；7饱和蒸汽；饱和蒸汽；8过热蒸汽；过热蒸汽；9过热器；过热器；10烟道；烟道；11省煤器；省煤器；12给水；给水；13空气预热器；空气预热器；14送风机；送风机；15燃料；燃料；16烟道挡板；烟道挡板；17除尘器；除尘器；18引风机；引风机； 19烟囱烟囱自然循环式固态排渣煤粉锅炉原理图自然循环式固态排渣

13、煤粉锅炉原理图汽包汽包炉膛炉膛过热蒸汽过热蒸汽烟烟道道煤粉煤粉热空气热空气给水给水减温水减温水过热器过热器饱和蒸汽饱和蒸汽WinCC 锅炉监控主画面锅炉监控主画面LTLCM给水给水过热蒸汽过热蒸汽单冲量控制系统单冲量控制系统双冲量控制系统双冲量控制系统给水给水过热蒸汽过热蒸汽LTLCMFT1三冲量前馈三冲量前馈串级控制系统串级控制系统给水给水过热蒸汽过热蒸汽LTLCMFT1FT2FC单回路控制系统单回路控制系统2.锅炉主蒸汽温度控制锅炉主蒸汽温度控制TTTCM给定给定T饱和蒸汽饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽减温水减温水给水给水T串级控制系统串级控制系统TT饱和蒸汽饱和蒸汽过热蒸汽过热蒸汽减温水减温水

14、给水给水MTT2TC2外给外给TT1TC1给定给定PdTPdCM炉炉膛膛烟烟道道烟烟囱囱第三节第三节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制l一、工艺要求一、工艺要求 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，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。另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。 在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。 保证塔的平稳操作，维持塔的物料平衡，塔内的持液量应保持在规保证塔的平稳操作，维持塔的物料平衡，塔内的持液量应保持在规定

15、的范围内。定的范围内。 为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。为保证正常操作，需规定某些参数的极限值为约束条件。l二、精馏塔的干扰因素二、精馏塔的干扰因素图图10-28 10-28 精馏塔的物料流程图精馏塔的物料流程图1.1.进料流量进料流量F的波动的波动（）（）2.2.进料成分进料成分ZF的变化的变化（）3.3.进料温度进料温度TF及进料热焓及进料热焓QF的变化的变化4.4.再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量 的变化的变化5.5.冷却剂在冷凝器内除去热量的变化冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6.6.环境温度的变化环境温度的变化 l三、精馏塔的控制方案三、精

16、馏塔的控制方案图图10-42 10-42 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 采用采用以 精 馏 段以 精 馏 段温 度 作 为温 度 作 为衡 量 质 量衡 量 质 量指 标 的 间指 标 的 间接 指 标 ，接 指 标 ，而 以 改 变而 以 改 变回 流 量 作回 流 量 作为 控 制 手为 控 制 手段的方案，段的方案，就 称 为就 称 为 提提馏段温控馏段温控。 采用采用以 精 馏 段以 精 馏 段温 度 作 为温 度 作 为衡 量 质 量衡 量 质 量指 标 的 间指 标 的 间接 指 标 ，接 指 标 ，而 以 改 变而 以 改 变回 流 量 作回 流 量 作为

17、 控 制 手为 控 制 手段的方案，段的方案，就 称 为就 称 为 精精馏段温控馏段温控。 图图10-43 10-43 精馏段温控的控制方案示意图精馏段温控的控制方案示意图 采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了采用温差作为衡量质量指标的间接变量，是为了消除塔压波动对产品质量的影响。消除塔压波动对产品质量的影响。 图图10-45 10-45 双温差控制方案双温差控制方案 双 温 差双 温 差控制就是分控制就是分别在精馏段别在精馏段及提馏段上及提馏段上选取温差信选取温差信号，然后将号，然后将两个温差信两个温差信号相减，作号相减，作为控制器的为控制器的测 量 信 号测 量 信 号（即控制系（即

18、控制系统的被控变统的被控变量）。量）。 第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制l一、化学反应器的控制要求一、化学反应器的控制要求 化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成化学反应器的质量指标一般指反应的转化率或反应生成物的规定浓度。物的规定浓度。 为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种为使反应正常，转化率高，要求维持进入反应器的各种物料量恒定，配比符合要求。物料量恒定，配比符合要求。 对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工对于反应器，要防止工艺变量进入危险区域或不正常工况，应当配备一些报警、联锁装置或设置取代控制系统。况，应当配备一些报警、联锁装置或

19、设置取代控制系统。 l二、釜式反应器的温度自动控制二、釜式反应器的温度自动控制改变进料温度控制釜温改变进料温度控制釜温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 为了针对反应釜滞后为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级较大的特点，可采用串级控制方案。控制方案。图图10-49 10-49 釜温与夹套温度串级控制示意图釜温与夹套温度串级控制示意图图图10-50 10-50 釜温与釜压串级控制系统示意图釜温与釜压串级控制系统示意图图图10-48 10-48 釜温与冷剂流量串级控制示意图釜温与冷剂流量串级控制示意图l三、固定床反应器的自动控制三、固定床反应器的自动控制 固定床反应器

20、固定床反应器是指催化剂床层固定于设备中不动是指催化剂床层固定于设备中不动的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以的反应器，流体原料在催化剂作用下进行化学反应以生成所需反应物。生成所需反应物。 改变进料浓度改变进料浓度 改变进料温度改变进料温度 改变段间进入的冷气量改变段间进入的冷气量 图图10-53 10-53 改变进料浓度控制反应器温度改变进料浓度控制反应器温度图图10-52 10-52 用载热体流量控制温度用载热体流量控制温度图图10-53 10-53 用旁路控制用旁路控制温度温度图图10-54 10-54 用改变段间冷气用改变段间冷气量控制温度量控制温度图图10-55 10-55

21、用改变段间蒸汽用改变段间蒸汽量控制温度量控制温度l四、流化床反应器的自动控制四、流化床反应器的自动控制图图10-56 10-56 流化床反应器原理示意图流化床反应器原理示意图图图10-57 10-57 改变入口温度控制反应器温度改变入口温度控制反应器温度图图10-58 10-58 改变冷剂流量改变冷剂流量控制温度控制温度图图10-59 10-59 流化床差压流化床差压指示系统指示系统第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制l一、常用生化过程控制一、常用生化过程控制 一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在30305050（0.50.5）。过程操

22、纵变量为冷却水量，一般不需加）。过程操纵变量为冷却水量，一般不需加热（特别寒冷地区除外）。热（特别寒冷地区除外）。 图图10-60 10-60 发酵罐温度控制发酵罐温度控制图图10-61 10-61 发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制 在发酵过程中必须控制溶解氧浓度，使其在发酵过程的在发酵过程中必须控制溶解氧浓度，使其在发酵过程的不同阶段都略高于临界值，这样既不影响菌体的正常代谢，不同阶段都略高于临界值，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。又不致为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。 培养液的溶解氧水平其实质为供氧和需氧矛盾的结果。培养液的溶解氧水平其实质为供氧和需氧矛盾的结果。 最常用的溶氧浓度控制方案：最常用的溶氧浓度控制方案： 改变搅拌速率；改变搅拌速率； 改变通气速率。改变通气速率。 图图10-62 10-62 改变搅拌转速的溶氧串级控制系统改变搅拌转速的溶氧串级控制系统 在发酵过程中为控制在发酵过程中为控制pH值而加入的酸碱性物料，值而加入的酸碱性物料，往往就是工艺要求所需的补料基质，所以在往往就是工艺要求所需的补料基质，所以在pH控制系控制系统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线参数的计算。参数的计算。 图