《化工仪表及自动化》第10章

第十章典型化工单元的控制方案流体输送设备的控制方案离心泵的控制方案往复泵的控制方案压气机的控制方案离心式压缩机的防喘振控制传热设备的自动控制一般传热设备的控制锅炉设备的控制精馏塔的自动控制工艺要求精馏塔的干扰因素精馏塔的控制方案化学反响器的自动控制化学反响器的控制要求釜式反响器的温度自动控制固定床反响器的自动控制流化床反响器的自动控制生化过程的控制常用生化过程控制青霉素发酵过程控制啤酒发酵过程控制第一节流体输送设备的控制方案一、离心泵的控制方案离心泵的流量控制大体的三种方法1.控制泵的出口阀门开度图10-1改变泵出口阻力控制流量图10-2泵的流量特性曲线与管路特性曲线2.控制泵的转速图10-3改变泵的转速控制流量n1＞n2＞n3

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。3.控制泵的出口旁路图10-4改变旁路阀控制流量将泵的局部排出量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量。控制阀装在旁路上，压差大，流量小，因此控制阀的尺寸较小。该方案不经济，因为旁路阀消耗一局部高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。二、往复泵的控制方案

往复泵多用于流量较小、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。往复泵提供的理论流量可按下式计算1.改变原动机的转速图10-5改变转速的方案该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速，进而控制往复泵的出口流量。2.控制泵的出口旁路图10-6改变旁路流量该方案由于高压流体的局部能量要白白消耗在旁路上，故经济性较差。3.改变冲程s

图10-7往复泵的特性曲线计量泵常用改变冲程s来进行流量控制。冲程s的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行的。2.控制旁路流量1.直接控制流量三、压气机的控制方案3.调节转速四、离心式压缩机的防喘振控制1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象图10-11离心式压缩机特性曲线图10-12喘振现象示意图喘振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，机身发生振动并涉及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。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，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。2.防喘振控制方案〔1〕固定极限流量法对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了平安起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QP＜QB。图10-13防喘振旁路控制〔2〕可变极限流量法图10-14防喘振曲线喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机特性曲线的最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧，就可以防止喘振发生。图10-15变极限流量防喘振控制方案该方案控制器FC的给定值是经过运算得到的，因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值，而且由于这种方案将运算局部放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定控制器参数。第二节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(1)控制载热体的流量改变载热体流量控制温度一、一般传热设备的控制换热器串级控制系统(2)控制载热体旁路流量〔3〕控制被加热流体自身流量〔4〕控制被加热流体自身流量的旁路(1)控制蒸汽流量2.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，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到200℃以上或30℃以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。(2)控制换热器的有效换热面积图10-22用凝液排出量控制温度图10-23温度-液位串级控制系统图10-24温度-流量串级控制系统3.冷却剂进行汽化的冷却器自动控制(1)控制冷却剂的流量图10-25用冷却剂流量控制温度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缺乏，使出去的氨气中夹带大量液氨，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，或采用温度-液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时，自动把液氨阀关小或暂时切断。(2)温度与液位的串级控制图10-26温度-液位串级控制该方案的实质是改变传热面积。但采用了串级控制，将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，从而提高了控制质量。(3)控制汽化压力图10-27用汽化压力控制温度基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。汽轮发电机组火力发电厂外观二、锅炉设备自动控制单元机组生产流程示意图1—下联箱；2—喷燃器；3—水冷壁管；4—下降管；5—炉膛；6—汽包；7—饱和蒸汽；8—过热蒸汽；9—过热器；10—烟道；11—省煤器；12—给水；13—空气预热器；14—送风机；15—燃料；16—烟道挡板；17—除尘器；18—引风机；19—烟囱自然循环式固态排渣煤粉锅炉原理图汽包炉膛过热蒸汽烟道煤粉热空气给水减温水过热器饱和蒸汽WinCC锅炉监控主画面1.

锅炉汽包液位控制LTLCM给水过热蒸汽单冲量控制系统双冲量控制系统给水过热蒸汽LTLCMFT1∑三冲量前馈—串级控制系统给水过热蒸汽LTLCMFT1FT2FC∑单回路控制系统2.锅炉主蒸汽温度控制TTTCM给定T饱和蒸汽过热蒸汽减温水给水T′串级控制系统T′T饱和蒸汽过热蒸汽减温水给水MTT2TC2外给TT1TC1给定3.炉膛压力控制PdTPdCM炉膛烟道烟囱第三节精馏塔的自动控制一、工艺要求1.保证质量指标一般应当使塔顶或塔底产品中的一个产品到达规定的纯度要求，另一个产品的成分亦应保持在规定的范围内。4.节能要求和经济性在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量消耗均是要控制的目标。2.保证平稳操作保证塔的平稳操作，维持塔的物料平衡，塔内的持液量应保持在规定的范围内。3.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。二、精馏塔的干扰因素图10-28精馏塔的物料流程图1.进料流量F的波动〔＊〕2.进料成分ZF的变化〔＊〕3.进料温度TF及进料热焓QF的变化4.再沸器加热剂〔如蒸汽〕参加热量的变化5.冷却剂在冷凝器内除去热量的变化6.环境温度的变化三、精馏塔的控制方案1.精馏塔的提馏段温控图10-42提馏段温控的控制方案示意图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，就称为提馏段温控。

2.精馏塔的精馏段温控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，就称为精馏段温控。

图10-43精馏段温控的控制方案示意图3.精馏塔的温差控制及双温差控制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。图10-45双温差控制方案双温差控制就是分别在精馏段及提馏段上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，作为控制器的测量信号〔即控制系统的被控变量〕。第四节化学反响器的自动控制一、化学反响器的控制要求1.质量指标化学反响器的质量指标一般指反响的转化率或反响生成物的规定浓度。2.物料平衡为使反响正常，转化率高，要求维持进入反响器的各种物料量恒定，配比符合要求。3.约束条件对于反响器，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。二、釜式反响器的温度自动控制1.控制进料温度改变进料温度控制釜温2.改变传热量改变加热剂或冷却剂流量控制釜温3.串级控制为了针对反响釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。图10-49釜温与夹套温度串级控制示意图图10-50釜温与釜压串级控制系统示意图图10-48釜温与冷剂流量串级控制示意图三、固定床反响器的自动控制固定床反响器是指催化剂床层固定于设备中不动的反响器，流体原料在催化剂作用下进行化学反响以生成所需反响物。常见的温度控制方案有：改变进料浓度改变进料温度改变段间进入的冷气量图10-53改变进料浓度控制反响器温度图10-52用载热体流量控制温度图10-53用旁路控制温度图10-54用改变段间冷气量控制温度图10-55用改变段间蒸汽量控制温度四、流化床反响器的自动控制图10-56流化床反响器原理示意图图10-57改变入口温度控制反响器温度图10-58改变冷剂流量控制温度图10-59流化床差压指示系统第五节生化过程的控制一、常用生化过程控制1.发酵罐温度控制一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在30～50℃〔±0.5℃〕。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〕。图10-60发酵罐温度控制2.通气流量、罐压和搅拌转速控制图10-61发酵罐搅拌转速、罐压〔或流通气量〕控制3.溶氧浓度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。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：

改变搅拌速率；改变通气速率。图10-62改变搅拌转速的溶氧串级控制系统4.pH值控制在发酵过程中为控制pH值而参加的酸碱性物料，往往就是工艺要求所需的补料基质，所以在pH控制系统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线参数的计算。图10-63连续流加pH控制图10-64脉冲式流加pH控制5.自动消泡控制当电极检测到泡沫信号后，控制器便周期性地参加消泡剂，直至泡沫消失。图10-65消泡控制二、青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程中直接检测的变量有：

温度、pH值、溶解氧、通气流量、转速、罐压、溶解CO2、发酵液体积、排气CO2、排气O2等。离线检测的参数有：

菌体量、残糖量、含氮量、前体浓度和产物浓度等