过程控制工程复习

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,*,*,*,TC,101,TT,101,燃料气,按不同的,工艺介质,选择材质,全开流量,全开流量,一般情况下使用较多的是直通阀、角阀。,有关各种阀的结构特点，可查阅相关的参考书。,2,、材质上分：铸钢、不锈钢、,特殊合金或金属、,高分子材料，无机材料等,因此，在系统设计时应根据工艺要求、介质情况、工作环境，选择相应的结构类型和材质类型。,1.5.2 控制阀的流量特性,1,、流量特性,（理想流量特性）,指流过阀的流量,Q与阀杆行程L,之的关系,无因次化后,2分类,线性型,对数型（等百分比型）,快开型,抛物线型,控制器参数的整定方法,1,、经验法,2,、临界比例度法(Ziegler-Nichols法),3、衰减振荡法,4,、响应曲线法,加热炉温度控制,2.1,串级控制系统,TC,101,可设计,T,O,与,G,C,的单回路,PID,控制,2.1.1 基本原理和结构,1,、什么是串级控制系统,操纵变量：燃料气流量,受控变量:,物料出口温度,分析,对象的特性：,加热炉内管有数百米长，热容很大，是典型的一阶加纯滞后过程。,当输入变化时，输出要延迟一段时间，且变化缓慢,若温度不变，,T,0,G,c,的,PID,控制，则阀的开度不变,燃料气阀上游压力波动时，虽阀的开度不变，,但流量变化，将影响温度，温度燃料量的单回,路,PID,对此特定的过程控制不及时，不能满足工,艺要求。,G,c,2,(S),G,v,(S),主控制器,+,-,串级控制系统方块图,G,p,2,(S),G,p,1,(S),G,m,2,(S),G,c,1,(S),G,m,1,(S),+,-,副控制器,控制阀,副对象,主对象,u,1,u,2,r,1,y,1,y,2,c,1,c,2,f,1,f,2,内回路为副回路：包括副控制器、控制阀、副受控对象、,副变量测量变送器。,串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为,另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，只有一个控制器的给定由外部设定。,2、串级控制系统的结构,系统框图如下,系统由内外两个回路组成：,外回路称为主回路：主控制器、副回路、主变量测量变送器、,主受控对象,主变量：工艺要求的主要控制变量,副变量：维持主变量平稳引出的中间变量,副对象：反映副变量与操纵变量之间的关系,主对象：反映主变量与副变量之间的关系,主控制器：接受主变量的偏差，去改变副控,制器的设定值,副控制器：接受副变量的偏差，去输出给控,制阀。,FC,101,TC,101,系统的特点：主控制器输出改变副控制器的,设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。,c,TC,TC,温度对炉膛温度串级,G,c,2,(S),G,v,(S),+,-,G,p,2,(S)+,G,p,1,(S)+,G,m,2,(S)+,G,c,1,(S),G,m,1,(S)+,+,-,u,1,u,2,r,1,y,1,y,2,c,1,c,2,f,1,f,2,(2)方块图法,首先定义各环节的“”、“”,凡输入增加输出增大为“”，反之为“”,控制阀:输入增大输出也增大为“”，气开为“”、气关为“”,控制器:由于有比较环节,正作用取“”号；,反作用取“”号。,先决定副控制器，后决定主控制器。,Gv为“”，Gc,2,为“”，反作用,Gv为“”，Gc,2,为,“”，正作用,串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。具体选择步骤如下：,1.从安全角度选择控制阀的气开和气关型式（气开型，K,v,0;气关型，K,v,0);,2.根据工艺条件确定副被控对象的特性；,3.根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用；,4.根据工艺条件确定主被控对象的特性；,5.根据主控制回路为负反馈的准则，,确定主控制器的正反作用。,2.1.4 系统投运及参数整定,1、系统投运,原则：保证无扰动切换，先副后主,根据经验法初步设置主、副控制器的参数,将主、副控制器切换开关置于手动位置,副调节器设外给定，主控制器为内给定；,在满足工艺要求的情况下，工况较平稳时，通过手动，使副,调节器的偏差接近于“0”，将副开关由“手动”,“自动”,。,在工况较平稳的情况下,通过调整主控制器的设定值，使主控,制器偏差为“0”，将主控制器开关由“手动”,“自动”。,2、参数整定,原则：先副后主,由于副回路要求不高，可参照经验法一次设置；,主控制器参数整定与单回路类似。,(2)如果聚合釜温度不允,许过高，否则易发生事故，,试确定控制阀的气开/气关型式。,下图是一聚合釜温度控制系统：,(1)这是一个什么类型的控,制系统？试画出其方块图。,(3)确定主、副控制器的正/反作用方向。,(4)如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？,(5)如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出,其方块图，并确定主、副控制器的正/反作用方向。,压头,转速,旋转叶轮作用在液体上的离心力,离心力,压头,叶轮与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀,时，排量为零，压头最高，泵所做的功 热。,泵的特性：,压头,与排量及转速 之间的关系,经验公式：,泵与管路联接在一起，它的排量与压头的关,系既与泵的特性有关，也与管路特性有关。,比例系数,管路特性：,指的是管路系统中的流体流量与管路,系统阻力之间的关系,如图所示管路系统阻力包括：,管路两端静压差引起的压头,流体提升一定高度所需压头,克服管路摩擦损失所需压头,h,f,控制阀两端的节流压头,h,v,，阀的开度一定时，与流量的平方成反比。,和 流量的关系称为管路特性,当系统平衡时，如图中的,C(平衡,工作点)点,，即泵的特性曲线与管路特性曲线,的交点。,工作点应满足一定的工艺要求，通过改变,阀的开度,(,即,),改变工作点。,喘振是离心式压缩机的固有特性，事实上少数离心泵也可能喘振，并较易说明喘振原理。,少数离心泵其,H,Q,性能曲线呈驼,峰型，其与管路特性可能有两个交点,M,和,M,1,，,M,1,：当干扰发生,Q,泵的扬程,管路,所需压头,Q,远离,M,点,当交点处,管路特性的斜率大于泵特性的斜率时，是稳定工作点；否则是不,稳定工作点。,实际上，图中所示的装置特性中，由于泵启动后的关闭扬程,H,0,小于管路的静扬程,H,M,，管路中的流量建立不起来，根本无法工,作。,理论上讲都是工作点，但,M,1,是稳,定工作点，,M,是不稳定工作点。,工作点稳定与不稳定的判别,：,工程上，为了安全，将极限线右旋一角度，得安全线，作,为压缩机允许工作的界限。,安全操作线的表达式,经验公式,：吸入气体的绝对温度,：吸入体积流量,：,吸入口,、,排出口的绝对压力,：,为常数，由厂家给出,此经验公式可针对不同的流量测量方法变为实用公式。,安全操作线,：,可用一抛物线方程近似：,喘振区,3.3.4 防喘振控制系统,由上述分析可知，压缩机喘振主要是负荷减小引起的，而负荷的升,降则是由工艺决定的，为使压缩机不出现喘振，压缩机在任何转速下的,实际流量应大于喘振极限所对应的最小流量。根据这一思想，可采用循,环流量法来设计压缩机的防喘振控制系统。有两类：,固定极限流量法和可变极限流量法,1、固定极限流量法,采用部分循环法，使压缩机始终保持大于某一定值流量，避免使工,作点进入喘振区。,如图：,假设 为压缩机达到最,高转速所对应的喘振极限流,量，只要满足，压缩,机就不会出现喘振。,打开旁路阀，返回部分气体,旁路阀关闭,FC,FT,气关,问题：,流量检测点的位置，汇合点之前还是汇合点之后？,旁路控制阀采用什么型式阀？为什么？,特点：,可靠性高、投资少、方案简单、适用于固定转速场合；,不过转速较低时，能耗过大，负荷变动经常时不够经济。,2、可变极限流量法,为了减小压缩机的能量损耗，在压缩机负荷波动的场合，可采用调,转速的办法来保证压缩机的负荷满足工艺要求，但在不同的转速下，其,极限流量不同，因此合理的方案应是在整个压缩机负荷变化范围内，工,作点沿如图所示的安全线变化，即保证,方案如下：,根据压缩机吸入口压力和出口压力计算入,口压差，使其满足上述条件。,据此，可设计出可变极限流量法防喘振控制系统：,喘振区,4.1.4 传热设备的自动控制方案,炼油化工生产中，传热设备应用极广，传热的主要目的有四：,使工艺介质达到规定温度,，以使化学反应或其它工艺过程能,正常进行。,在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量,，使工艺过,程能在规定的温度范围内进行。例如间歇式生产的化学反应,合成氨强吸热反应；聚氯乙烯的聚合放热反应,改变物料的相态,。汽化加热；冷凝放热,回收热量,。,绝大多数的温度控制系统都是为、两个目的服务的。一般都,以反应温度或工艺介质出口温度为受控变量；当被加热的工艺介质,流量比较平稳且对出口温度要求一般时，可取载热体流量为受控变,量，构成流量或压力单回路定值控制系统。,目的实际所需变量是热量，一般可取载热体的流量为受控变,量。对于目的，属于一般热量回收系统，一般无需自动控制。,为了保证温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行,调节。途径有：,调节载热体的流量。,实质是改变传,热速率方程中的传热系数,K,(载热体在传热,过程中不起相变)和平均温差,T,m,(载热体,在传热过程中起相变)最常用,调节传热平均温差,T,m,。,滞后小、反应迅速较广泛,调节传热面积,F,。,滞后较大,只在必要场合采用,。,将工艺介质分路。,实质是混合过程，即将部分工,艺介质经换热，另一部分走旁路。,反映迅速及时，但载热体流量,一直处于高负荷下，在采用专用热,剂或冷剂时不经济。,对于某些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量本,来不好调节，便不成为缺点了。,5、对工业锅炉要求,任务：,安全、合理的运行条件下，提供一定温度和压力的蒸汽,要求：,蒸汽量应适合负荷变化的需要，或保持给定的负荷,蒸汽压力保持一定的范围,蒸汽温度保持一定的范围,汽包水位保持一定的范围,炉膛负压保持一定的范围,保持燃烧的经济性和安全运行,6、主要控制系统,(1),汽包水位控制,受控变量：汽包水位,(保证安全运行的重要指标之一),(2)燃烧系统控制,操纵变量：给水流量,使给水适应锅炉的蒸发量，保持水位在一定范围内,目的：,使燃烧产生的热量适应蒸汽负荷的变化,受控变量：蒸汽压力、烟气氧含量、炉膛负压,操纵变量：燃料量、送风量、引风量,(3),过热蒸汽系统控制,目的:,维持过热器出口温度、保证管壁温度不超过允许的温度,受控变量：蒸汽出口温度,操纵变量：减温水量,4.6.2 汽包水位控制,汽包水位：锅炉运行的主要指标,水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化,水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行,1、汽包水位的动态特性,(1)蒸汽负荷对水位的影响（干扰通道）,H,：实际可视水位,H,1,：不考虑水下面汽泡容积变化时的水位,H,2,：只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位,在燃料量不变情况下，当蒸汽用量突然增大时,传递函数：,f,蒸汽流量作用下阶跃响应曲线的飞升速度,虚假水位,锅炉气包,蒸汽,LC,101,L,T,101,给水,FT,101,FT,102,FC,102,G,PD,G,m3,G,P1,G,P2,G,V,G,F,2,C,C,1,G,LC,G,m2,G,m3,Y,C,2,F,C,0,P,LC,R,L,P,F,1,R,F,特点：,克服虚假水位现象,;,克服给水量的扰动,方案一：,前馈与串级组成的复合控制系统,锅炉气包,蒸汽,LC,101,L,T,101,给水,FT,101,FT,102,方案二：,前馈加反馈控制,综合信号的单回路系统,锅炉气包,蒸汽,LC,101,L,T,101,给水,FT,101,FT,102,特点：,仪表少容易实现,缺点：,系数设置不当、水位可能有余差,受控变量：,方案三：,前馈反馈控制系统,+,+,+,副回路纯比例控制器，比例度为,100%,特点：,水位无余差,缺点：投运及系数设置较繁,-,P=1,