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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,化工仪表及自动化,内容提要,流体输送设备的控制方案,精馏塔的自动控制,化学反应器的自动控制,1,第一节 流体输送设备的自动控制,一、离心泵的自动控制方案,2,离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。,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,当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。,3,图11-2 泵的流量特性曲线与管路特性曲线,控制阀一般应该安装在泵的出口管线上，而不应该安装在泵的吸入管线上（特殊情况除外）。,注意,图11-1 改变泵出口阻力调流量,4,2.控制泵的转速,图11-3 改变泵的转速调流量,图11-3中曲线1、2、3表示转速分别为,n,1,、,n,2,、,n,3,时的流量特性，且有,n,1,n,2,n,3,。,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，所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场合，此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。,5,3.控制泵的出口旁路,将泵的部分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，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使总的机械效率降低，故很少采用。,图11-4 改变旁路阀调流量,二、往复泵的自动控制方案,6,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,（11-1）,7,1.改变原动机的转速,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,。,图11-5 改变转速的方案,8,2.控制泵的出口旁路,该方案由于高压流体的部分能量要白白消耗在旁路上，故经济性较差。,图11-6 改变旁路流量,9,3.改变冲程,s,图11-7 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。,三、压气机的自动控制方案,10,压力机的分类,其,作用原理,不同可分为离心式和往复式两大类；,按,进、出口压力高低,的差别，可分为真空泵、鼓风机、压缩机等类型。,11,1.直接控制流量,对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口直接用控制阀控制流量。,其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。因为气体的可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。,12,图11-9 分程阀的特性,图11-8 分程控制方案,13,2.控制旁路流量,对于压缩比很高的多段压缩机，从出口直接旁路回到入口是不适宜的。这样控制阀前后压差太大，功率损耗太大。,为了,解决,这个问题，可以在中间某段安装控制阀，使其回到入口端，用一只控制阀可满足一定工作范围的需要。,图11-10 控制压缩机旁路方案,14,3.调节转速,压气机的流量控制可以通过调节原动机的转速来达到，这种方案效率最高，节能最好。,问题,在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。,四、离心式压缩机的防喘振控制,15,1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象,图11-11 离心式压缩机特性曲线,图11-12 喘振现象示意图,16,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。,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,Q,B,，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值,Q,P,，且有,Q,P,Q,B,。,图11-13 防喘振旁路控制,17,（2）可变极限流量法,图11-14 防喘振曲线,图11-14上的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，就可以避免喘振发生。,18,安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式表示,（11-2）,在,时，工况是安全的。,经过换算，上述不等式可写成如下形式,19,（11-3）,20,图11-15 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部分放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定控制器参数。,第三节 精馏塔的自动控制,一、工艺要求,21,1.保证质量指标,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。,22,2.保证平稳操作,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。,23,3.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。,24,4.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。,其中质量指标是必要条件，在质量指标一定的前提下，应在控制过程中使产品产量尽量高一些，同时能量消耗尽可能低一些。,二、精馏塔的干扰因素,25,图11-28 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）进料温度及进料热焓QF的变化,（4）再沸器加热剂（如蒸汽）加入热量的变化,（5）冷却剂在冷凝器内除去热量的变化,（6）环境温度的变化,26,图11-29 提馏段温控的控制方案示意图,三、精馏塔的控制方案,1.精馏塔的提馏段温控,如果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,。,27,提馏段温控的主要特点与使用场合：,（1）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。将提馏段温度恒定后，就能较好地保证塔底产品的质量达到规定值。,（2）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。,28,图11-30 精馏段温控的控制方案示意图,2.精馏塔的精馏段温控,如果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,。,29,精馏段温控的主要特点与使用场合：, 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。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。, 如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。,30,在采用精馏段温控或提馏段温控时，当分离的产品较纯时，由于塔顶或塔底的温度变化很小，对测温仪表的灵敏度和控制精度都提出了很高的要求，但实际上却很难满足。解决这一问题的方法，是将测温元件安装在塔顶以下或塔底以上几块塔板的灵敏板上，以灵敏板的温度作为被控变量。,31,3.精馏塔的温差控制及双温差控制,图11-31,T,-,x,曲线,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。,注意：,温差与产品纯度之间并非单值关系。,32,图11-32 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）。,33,4.按产品成分或物性的直接控制,能利用成分分析器，例如红外分析器、色谱仪、密度计、干点和闪点以及初馏点分析器等，分析出塔顶（或塔底）的产品成分并作为被控变量，用回流量（或再沸器加热量）作为控制手段组成成分控制系统，就可实现按产品成分的直接指标控制。,第四节 化学反应器的自动控制,34,一、化学反应器的控制要求,(1)质量指标,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。,如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为,35,以温度、压力等工艺变量作为间接控制指标，有时并不能保证质量稳定。,当有干扰作用时，转化率和反应生成物组分等仍会受到影响。,特别是在有些反应中，温度、压力等工艺变量与生成物组分间不完全是单值对应关系，这就需要不断地根据工况变化去改变温度控制系统的给定值。,在有催化剂的反应器中，由于催化剂的活性变化，温度给定值也要随之改变。,36,(2)物料平衡,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。,(3)约束条件,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。,37,图11-33 改变进料温度控制釜温,二、釜式反应器的温度自动控制,(1)控制进料温度,38,图11-34 改变加热剂或冷却剂流量控制釜温,(2)控制传热量,由于大多数反应釜均有传热面，引入或移去反应热，所以用改变引入传热量多少的方法就能实现温度控制。,39,图11-35 釜温与冷剂流量串级控制示意图,(3)串级控制,为了针对反应釜滞后较大的特点，可采用串级控制方案。,40,图11-36 釜温与夹套温度串级控制示意图,图11-37 釜温与釜压串级控制系统示意图,41,三、固定床反应器的自动控制,固定床反应器,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生成所需反应物。,常见的温度控制方案有：,控制进料浓度,控制进料温度,控制段间进入的冷气量,42,图11-38 改变进料浓度控制反应器温度,图11-39 用载热体流量控制温度,43,图11-40 用旁路控制温度,图11-41 用改变段间冷气量控制温度,图11-42 用改变段间蒸汽量控制温度,四、流化床反应器的自动控制,44,图11-43 流化床反应器原理示意图,图11-44 改变入口温度控制反应器温度,45,图11-45 改变冷剂流量控制温度,图11-46 流化床差压指示系统,例题分析,1.试判断图1 (a)、(b)控制方案是否正确。,图1 泵的控制方案,46,解：,要分析图1所示控制方案是否正确,首先必须了解离心泵和往复泵的特性。,图1 (a)是离心泵的流量控制方案。为了控制出口流量的大小,控制阀一般应该直接装在出口管线上。这是因为离心泵吸入高度是有限的,如果控制阀装在吸入管线上,会产生压降,这样一来,进口端压力就有可能过低,因为液体气化,使泵失去排液能力,这叫气缚。或者压到出口端又急速冷凝,冲蚀厉害,这叫气蚀。这两种情况都要避免发生。所以控制阀一般不应安装在离心泵的入口管线上。,47,图1 (b)为往复泵出口流量控制方案。从往复泵的特性来看,只要转速一定,排出的流量是基本不变的。因此采用出口节流的方法来控制出口流量是不行的。,48,例题分析,3.图2所示为一放热催化反应器。原料气在预热器内加热后进入反应器。反应以后的反应气作为预热器内的载热体，放出部分热量后再进入下一工序。试问上述工艺过程应该采取什么控制方案，才能使生产正常运行。,图2 反应器,49,例题分析,解：,分析放热反应器的特性，可知上述生产过程不加控制是不行的。如果没有任何控制系统，一旦原料气由于某种原因温度升高时，进入催化放热反应器后，会使反应加剧，放出更多热量，出来的反应气温度也相应升高,进入预热器后，使原料气的温度进一步升高，于是反应更加剧烈，反应气出口的温度也继续升高，这样就起正反馈的作用，使反应器失去控制，催化剂损坏，以致造成事故。,为了使生产正常进行,可采用图3所示的温度控制系统,来切断反应器内部这一正反馈通道。,50,当原料气的温度升高时,通过温度控制器减少进入预热器的载热体(反应气)流量,从而保持反应器气体入口温度不变。这里采用三通(一进二出)控制阀是因为反应器出来的反应气总量(负荷)是不允许任意改变的,当预热器需要的载热体数量减少时,另一部分反应气仍可通过旁路进入下一工序。,图3 反应器温度控制,51,END,
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