1、化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 化工儀表及自動化化工儀表及自動化第十一章第十一章 典型化工單元的控制方案典型化工單元的控制方案 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n離心泵的控制方案離心泵的控制方案n往復(fù)泵的控制方案往復(fù)泵的控制方案離心式壓縮機(jī)的防喘振控制離心式壓縮機(jī)的防喘振控制n 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案n載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動控制載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動控制n冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制n 精餾塔的自動控制精餾塔的自動控制n工藝要求工藝要求1內(nèi)容提要內(nèi)容

2、提要n精餾塔的干擾因素精餾塔的干擾因素n精餾塔的控制方案精餾塔的控制方案n 化學(xué)反應(yīng)器的自動控制化學(xué)反應(yīng)器的自動控制n化學(xué)反應(yīng)器的控制要求化學(xué)反應(yīng)器的控制要求n釜式反應(yīng)器的溫度自動控制釜式反應(yīng)器的溫度自動控制n固定床反應(yīng)器的自動控制固定床反應(yīng)器的自動控制n流化床反應(yīng)器的自動控制流化床反應(yīng)器的自動控制n 升化過程的控制升化過程的控制n常用生化過程控制常用生化過程控制n青霉素發(fā)酵過程控制青霉素發(fā)酵過程控制n啤酒發(fā)酵過程控制啤酒發(fā)酵過程控制2第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n 一、離心泵的控制方案一、離心泵的控制方案3 離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的

3、數(shù)值上。 當(dāng)干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結(jié)果使流量回到給定值。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案4圖11-1 改變泵出口阻力控制流量圖11-2 泵的流量特性曲線與管路特性曲線 控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案52.2.控制泵的轉(zhuǎn)速控制泵的轉(zhuǎn)速圖11-3 改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量 圖11-3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、

4、n3時的流量特性，且有n1n2n3。 該方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案6圖11-4 改變旁路閥控制流量 將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實際排出量。 控制閥裝在旁路上，壓差大，流量小，因此控制閥的尺寸較小。 該方案不經(jīng)濟(jì)，因為旁路閥消耗一部分高壓液體能量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n 二、往復(fù)泵的控制方案二、往復(fù)泵的控制方案

5、7 往復(fù)泵往復(fù)泵多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活塞在汽缸中往復(fù)滑行來輸送流體的。 往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計算 h/m603nFsQ 理（11-1）第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案8圖11-5 改變轉(zhuǎn)速的方案 該方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動機(jī)的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案9圖11-6 改變旁路流量 該方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟(jì)性較差。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案10圖11-7 往

6、復(fù)泵的特性曲線 計量泵常用改變沖程s來進(jìn)行流量控制。沖程s的調(diào)整可在停泵時進(jìn)行，也有可在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案n 三、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制三、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制16圖11-11 離心式壓縮機(jī)特性曲線圖11-12 喘振現(xiàn)象示意圖第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案17是出現(xiàn)壓縮機(jī)工作點這種反復(fù)迅速突變這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅度擺動。 喘振是離心式壓縮機(jī)固有的特性。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送

7、氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。 第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案（1 1）固定極限流量法）固定極限流量法 對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量QB，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機(jī)吸入流量的最小值QP，且有QPQB。 圖11-13 防喘振旁路控制18第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案圖11-14 防喘振曲線 圖11-14上的喘振極限線是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機(jī)特性曲線的最高點的連線。只要壓縮機(jī)的工作點在喘振極限線的右側(cè)，就可以避免喘振發(fā)生。 19第一

8、節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案12112TbQapp12112TbQapp安全操作線近似為拋物線，其方程可用下列近似公式表示 （11-2）在時，工況是安全的。經(jīng)過換算，上述不等式可寫成如下形式1221appbkrp20（11-3）第一節(jié)第一節(jié) 流體輸送設(shè)備的控制方案流體輸送設(shè)備的控制方案21圖11-15 變極限流量防喘振控制方案 該方案控制器FC的給定值是經(jīng)過運算得到的，因此能根據(jù)壓縮機(jī)負(fù)荷變化的情況隨時調(diào)整入口流量的給定值，而且由于這種方案將運算部分放在閉合回路之外，因此可像單回路流量控制系統(tǒng)那樣整定控制器參數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n 一

9、、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案一、兩側(cè)均無相變化的換熱器控制方案22圖11-16 改變載熱體流量控制溫度 圖11-16表示利用控制載熱體流量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)出口溫度的控制方案。采用傳熱基本方程式的工作原理。 若不考慮傳熱過程中的熱損失12222111ttcGTTcGQ第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制mtKFQmtKFttcG122223傳熱過程中傳熱的速率可按下式計算1222tcGtKFtm整理后，得移項后改寫為第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制24圖11-17 換熱器串級控制系統(tǒng) 如果載熱體本身壓力不穩(wěn)定，可另設(shè)穩(wěn)壓系統(tǒng)，或者采用以溫度為主變量、流量為副變

10、量的串級控制系統(tǒng)。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制25圖11-18 用載熱體旁路控制溫度 采用三通控制閥來改變進(jìn)入換熱器的載流體流量與旁路流量的比例，可以改變進(jìn)入換熱器的載熱體流量，還可以保證載熱體總流量不受影響。 旁路的流量一般不用直通閥來直接進(jìn)行控制，因為在換熱器內(nèi)部流體阻力小的時候，控制閥前后壓降很小，這樣就使控制閥的口徑要選得很大，而且閥的流量特性易發(fā)生畸變。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制26圖11-19 用介質(zhì)自身流量控制溫度第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制27圖11-20 用介質(zhì)旁路控制溫度 當(dāng)被加熱流體的總流量不允許控制

11、，而且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n 二、載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動控制二、載熱體進(jìn)行冷凝的加熱器自動控制21211GttcGQ28 在蒸汽加熱器中，蒸汽冷凝由汽相變液相，放熱，通過管壁加熱工藝介質(zhì)。如果要加熱到200以上或30以下時，常采用一些有機(jī)化工物作為載熱體。 這種傳熱過程分兩段進(jìn)行，先冷凝后降溫。 當(dāng)僅考慮汽化潛熱時，熱量平衡方程式為 傳熱速率方程式仍為mtKFGQ2第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制29 當(dāng)被加熱介質(zhì)的出口溫度t2為被控變量時，常采

12、用下述兩種控制方案。圖11-21 用蒸汽流量控制溫度 通過改變加熱蒸汽量來穩(wěn)定被加熱介質(zhì)的出口溫度。當(dāng)閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設(shè)壓力定值控制，或者采用溫度與蒸汽流量（或壓力）的串級控制。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制30圖11-22 用凝液排出量控制溫度圖11-23 溫度-液位串級控制系統(tǒng)圖11-24 溫度-流量串級控制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制31控制蒸汽流量法 優(yōu)點：優(yōu)點：簡單易行、過渡過程時間短、控制迅速。缺點：缺點：需選用較大的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，有時凝液冷到100以下，這時加熱器內(nèi)蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負(fù)壓，造成冷凝液的

13、排放不連續(xù)，影響均勻傳熱。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制32控制換熱器的有效換熱面積法缺點：缺點：控制通道長、變化遲緩，且需要有較大的傳熱面積裕量。優(yōu)點：優(yōu)點：防止局部過熱，對一些過熱后會引起化學(xué)變化的過敏性介質(zhì)比較適用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的體積比蒸汽體積小得多，所以可以選用尺寸較小的控制閥門。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制n 三、冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制三、冷卻劑進(jìn)行汽化的冷卻器自動控制33圖11-25 用冷卻劑流量控制溫度 該方案不以液位為被控變量，但液位不能過高，過高會造成蒸發(fā)空間不足，使出去的氨氣中夾帶大量液氨，引起氨壓縮機(jī)的操作事故。 這種控制方案帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制，當(dāng)液位高于某上限值時，自動把液氨閥關(guān)小或暫時切斷。第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的自動控制34圖11-26 溫度-液位串級控制 該方案的實質(zhì)是改變傳熱面積。但采用了串級控制，將液氨壓力變化而引起液位變化的這一主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)，從而提高了控制質(zhì)量。 第二節(jié)第二節(jié) 傳熱設(shè)備的自動控制傳熱設(shè)備的