Transcript 《化工仪表及自动化》 第九章 典型化工过程单元控制 主讲人：史继斌 E-mail: [email protected] 第九章 典型化工过程单元控制 返回首页     第一节 第二节 第三节 第四节 流体输送设备的控制方案 传热设备的控制 精馏塔的控制 化学反应器的控制  前面我们研究了简单控制、复 杂控制等各种控制系统。而如何在化工 生产设备上应用这些控制手段，则是我 们更应该关心的问题。本章我们将以几 种典型的化工单元为例，了解控制系统 的应用。 第一节 制方案  流体输送设备的控 按输送介质的状态不同，流体输送 设备可分为液体输送设备和气体输送设备。 最常用的液体输送设备是泵，而气体输送设 备按进出口两端的压力差又可分为真空泵、 鼓风机和压缩机。本节我们主要研究泵和压 缩机的控制方案。流体输送设备按其作用原 理又可分为离心式与往复式两大类。所以自 然就有离心泵、往复泵和离心式压缩机、往 复式压缩机之分。 一、泵的控制    （一）离心泵的控制 离心泵是由旋转翼作用于液体产生 离心力而向外输出液体的。转速越高，离 心力越大，压头越高，流量也就越大。 实际工作中，常要求离心泵输出 的液体的流量恒定，故以泵出口流量为被 控变量。控制方法有三种。 方案1：离心泵的出口节流法  如图1所 示。控制阀装在 泵的出口管线上， 当节流元件与控 制阀在同一管线 上时，一般把节  流元件安装在控 制阀的上游。 图1 离心泵的出口 节流控制方案  注：控制阀一般不装在入口管 线（特殊情况例外），否则会产生 “气缚”、“气蚀”现象。  该方案简单易行，应用广泛， 但机械效率低，能量损失较大，特别是 在控制阀开度较小时，阀上压降较大， 对于大功率的泵，损耗的功率更大，所 以不经济。 方案2：改变回流量（控制泵的 出口旁路阀）  如图2所示。将泵排出 的液体通过旁路阀部分回流， 以达到控制出口流量的目的。 这里经旁路返回的液体，从泵 内得到的能量完全消耗在旁路 控制阀上，所以总的机械效率 较低，能量损失更大，不经济， 但控制阀的口径可以选得比方 案1中的小一些。一般来讲，旁 路流量一般宜限泵排出总量的 20%左右。  图2 离心泵的回 流控制方案 方案3：控制泵的转速  由于离 心泵的排液量与 电机的转速近似 成正比，所以利 用变频调速器调 整电动机的转速 来控制流量，可 以提高机械效率。 但这却增加了机 械的复杂性，所 以一般多用于功 率较大的离心泵， 方案如图3所示 。  图3 离心泵的转速控制方案  在该方案中，省掉了控制阀，而将 变频调速器接在三相交流电与电动机之间， 变频调速器接收流量调节器送来的4~20mA DC 电流（也可根据需要用250Ω电阻转换成1~5V 电压），输出频率与该直流电流或电压相对 应的三相交流电，频率变化导致电动机转速 发生变化，从而改变泵出口流量。当出口流 量过大，可使反作用调节器输出很小，此时 变频调速器的输出频率也很小，电机低速转 动。直到流量正常。该方案可大大地节能， 克服了前两种方案的不足。    如果原动机为 蒸气透平机，可以调 蒸气量来改变转速， 如图4所示。 这种方案机 械效率高、经济，易 实施，所以应用广泛。 如果生产上 要求保证泵出口压力  恒定，则只需将被控 变量改成出口压力即 图4 离心泵的透 平蒸气控制方案 （二）往复泵的控制   往复泵多用于流量较小，压头 较高的场合，它的流量取决于冲程的大 小、活塞的往复次数及气缸的截面积。 往复泵一般也是要求出口流量 恒定。其控制方案常用的有两种，如图 5所示。 方案1：改变原动机的转速  可使用 变频调速器实现 （与离心泵控制 方案3相同），若 原动机为蒸气透 平机，可用如右 图（a）所示的方 案。这与离心泵 改变原动机转速  图5 案 往复泵的控制方 方案2：控制泵的出口旁路  由 于一部分流 体打回流， 部分能量白 白消耗在旁 路上，故经 济性差。 千万注意：  往复泵的出口不允许 装控制阀，因为往复泵活塞每 往返一次，总有一定体积的流 体排出，当在出口管线上装阀 时，压头会大幅度增加，容易 损坏泵体。 二、压缩机的控制  由于离心式压缩机具有体积小、重 量轻、流量大、效率高、维护方便、运行可 靠、输送气体不被润滑油污染等一系列优点， 所以应用越来越广泛。离心式压缩机与离心 泵的控制大同小异，即也可以进行旁路回流 量控制，或进行原动机转速控制。不过，对 离心式压缩机有一个需要特别注意的问题就 是防喘振。  图中n1、n2、 n3为转速，且 n1 转速的每条曲线上都 有一个对应出口压力 最大值的B点，该点就 是喘振点，其对应的 出口流量值为QB。当 压缩机出口流量减少 到Q 喘振，所以将各转速 下的Q 连起来，就形  图6 离心式压缩机 的特性曲线  喘振发生时，气体从压缩机忽进 忽出，使转子受到交变负荷，机体就发生 震动并涉及到与之相连的管网和与它相连 的流量计和压力表也会出现指针大幅度摆 动，同时出现犹如喘息一般的噪声。假如 与压缩机相连的管网容量较小并严密，可 听到周期性的犹如哮喘者“喘气”一样的 噪声；而当管网容量较大时，则将发出周 期性似牛吼叫的噪声。同时会使压缩机损 坏。  喘振是离心式压缩机固有的特 性，每一台离心式压缩机都有自己的喘 振区，所以防喘振控制就显得非常必要 了。因为喘振是由于入口流量太小导致 的，所以为了防止喘振现象发生，我们 应限制入口流量，使之不低于QB。如果当 负荷变化时，始终保证压缩机的入口流 量不低于一个固定值Qp，要求Qp >QBm （QBm是该压缩机最大的喘振流量）。这 种控制方案就是固定极限流量控制方案，  图中防喘振 调节器FIC的设定值 就是Qp。正常情况下， FV控制阀是关闭的， 一旦压缩机打气量减 至Qp时，FV阀开启， 使排出的气体回流， 直到进气量高于设定 值为止，从而避免喘  振现象发生。 图7 固定极限 流量防喘振控制方 案  本方案构成简单、安全、经济。 但如果压缩机的转速变化较大，则低速 运行时压缩机的能量浪费就太大，所以 对压缩机负荷经常波动且波动幅度较大 时，要采用其他方案，如可变极限流量 防喘振控制方案。 第二节  传热设备的控制 化工生产中常用的传热设备有： 换热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。 一般传热设备的被控变量都是工艺介 质的出口温度，操纵变量多数是载热 体的流量，但控制手段却多种多样， 下面分几种情况来讨论控制方案。 一、无相变换热器的温度控制    1．控制载热体流量 如图8（a）所示。该方案适用于载热体流量 的变化对温度影响较灵敏的场合。若载热体压力不 稳定，则可设计成如图8（b）所示的串级控制系统 图8 改变载热体流量的控制方案 2．控制载热体旁路流量  当载热体本身也是工艺介质，其流量不 允许控制时，上述方案就不可以使用。如果载热体 本身流量的变化对温度影响较灵敏，但其总量又不 允许改变时，可用图9所示的三通阀控制方案。 图9  制方案 将载热体分流的控  图（a）为载热体进入换热 器之前用分流三通阀分流；图（b） 为载热体流出换热器之后分流。用 控制分流的流量来控制温度并保证 载热体的总流量不受影响。 3．控制被加热介质的自身流量   方案如图10所示。该方案是将控制 阀安装在被加热介质进入换热器的管道上。通 过控制自身流量来保证出口温度。 图10 改变介质自身流量控制方案 4．对被加热介质进行分流控制   方案3使用的前提条件是被加热介质 的流量允许控制。如果被加热介质的总流量不 允许改变，则可以采用图11所示的介质分流控 制方案。 图11 工艺介质分流控制 二、利用载热体冷凝进行加热 的换热器温度控制  利用蒸气冷凝来加热介质的加热器， 在石油、化工生产中十分常见。蒸气冷凝 的传热有两个过程，一是冷凝，二是降温。 一般情况下，由于蒸气冷凝潜热比凝液降 温的显热要大得多，所以有时为简化起见， 就不考虑显热部分的热量。常用的控制方 案有两种。 1．控制蒸气流量 当蒸气压力本身比较稳定时，可采用 图12（a）所示的方案。   图12 改变加热蒸气量控制方案    这是最常见的一种方案，它通过改 变加热蒸气量来稳定被加热介质的出口温度。 当阀前蒸气压力有波动时，可采用 图12（b）所示的温度与蒸气流量（或压力） 的串级控制。 改变加热蒸气流量的方案适合于传 热面积有裕量的情况 2．控制换热器的有效换热面积   如果被加热介质的温度很低，蒸气冷凝很 快，压力迅速下降，换热器内可能形成负压， 凝液不易排出，聚集起来则使传热面积减少， 影响传热效果。待压力升高后才能恢复排液， 这就有可能引起出口温度的周期振荡。这时可 以使用图13所示的控制冷凝液排出量的控制方 案。 图13 用冷凝液   该方案实质是控制换热器传热面积 的大小，当介质出口温度偏低时，说明传热 量太小，可开大阀门，使凝液排出以加大传 热面积。 该方案的控制阀可以小一些，但反 应迟缓，调节器参数不好整定，控制质量不 理想。一般在低压蒸气作热源、介质出口温 度又较低、加热器传热面积裕量大时采用。 三、用冷却剂汽化来传热的冷 却器的温度控制  用水或空气作冷却剂冷却的温度是有 限的，当其冷却温度不能满足要求时，常采用 液氨、乙烯、丙烯等有机化工物料作为冷却剂。 这些液体冷却剂在冷却器中由液体汽化为气体 时带走大量潜热，使另一种物料得到冷却。如 液氨，在常压下汽化时，可以使物料冷却到30℃的低温。氨冷器是是最常见的冷却器，下 面以它为例来探讨几种方案。 1．控制冷却剂的流量 方案如图14所示。 该方案必须保证传热面积有 裕量，冷却剂（液氨）蒸发 空间足够大。否则，进来的 液氨不能全部蒸发，介质出 口温度降不下来，控制系统 作用的结果是使进一步加大 液氨流量，使液氨积聚过多， 造成恶性循环，致使出口气 氨带液，引起操作事故。  所以对于蒸发空间小的 控制液氨流量方案 冷却器，我们常采用下述方  图14 2．改变汽化压力方案  图15 改变汽化压力方案 如图15所示。由于氨的汽 化温度与压力有关，所以 可以通过调整压力来改变 氨的汽化温度。该方案将 控制阀装在汽氨出口管道 上，改变阀门开度也就改 变了汽化压力，也就改变 了汽化温度。为了使液位 不高于允许的上限，以保 证有足够的传热面积和足 够的蒸发空间，还设有辅 助的液位控制系统。  只要汽化压力稍有变化，就会 迅速使汽化温度发生变化，也就能迅速 改变工艺介质的出口温度。所以这种方 案迅速有效，但对氨冷器的耐压要求高。 如果工艺上对气氨压力有要求时，这种 方案不宜使用。 四、管式加热炉的控制   当利用蒸气冷凝达不到加热要求时，常用加 热炉来实现传热。 管式加热炉是由燃料燃烧产生炽热的火焰和 高温气流，并主要以辐射热的形式将热量传给管壁， 再由管壁传给工艺介质进行加温的。显然该对象的 时间常数和纯滞后都较大；而炉出口温度的干扰因 素又很多，如燃料的压力、流量波动，冷物料的温 度、流量变化等。而由于对象的时间常数和纯滞后 太大，所以控制作用要经过一定的时间之后才能起 作用，出现了明显的控制滞后现象。克服滞后的常 用方法是用串级控制，并以主要干扰为副变量，且 尽量使副回路包含更多的干扰。所以常用的有以下 1．单回路控制方案  如图16所示。  图16 单回路控制  当对加热 炉出口温度要求不 高时，可采用这种 简单的控制方案。 但如果工艺对炉出 口温度要求严格时， 可以采用如下的串 级控制方案。 2．串级控制方案    图17 与燃料流量的串级控 根据不同情 况可以采用不同的 串级控制方案。 当系统的主 要扰动为燃料的上 游压力（或流量） 时，以燃料流量为 副变量是较理想的 作法，如图17所示；  图18 与燃料压力的串级控 当燃料流 量的测量比较困 难，所以常以燃 料压力为副变量， 如图18所示。使 用此方案时，要 特别注意燃料喷 嘴要通畅，否则 其阻力直接影响 燃料压力，会影 响控制质量；   图19 制 与炉膛温度的串级控 但是如 果主要扰动是燃 料的成分变化 （如燃烧值变化） 时，由于成分不 易测量甚至不可 测量，所以就只 好待其变化影响 到炉膛温度时， 以炉膛温度为副 变量实现串级控 制，方案如图19  虽然该方案消除干扰没有前两 种串级方案及时，但也比单回路好得多， 而且很多干扰作用都是先影响到炉膛温 度，然后才影响到炉出口温度，所以以 炉膛温度为副变量也可使副回路包含更 多的干扰（如燃料流量、压力、成分）。 所以这种方案也是很常见的。 第三节  精馏塔的控制 精馏塔是用于将混合物中的各 组分进行分离的关键设备。在精馏塔的 操作中，被控变量多，操纵变量也多， 对象的通道也多，内在机理复杂，变量 之间相互关联，而控制要求一般又较高， 所以控制方案也就很多。因此必需根据 具体情况来确定控制方案。 一、控制要求   1．保证质量指标 一般来讲，至少应使塔顶或塔底产品 中的一个达到规定的质量指标，而另一个应保 持在规定的范围内。按理说，质量控制系统应 该用相应的分析仪表测出产品的成分，再进行 控制。但因不同生产过程、不同塔的物料组分 不一样，无法生产出能检测各种组分的分析仪 表。实践证明，温度与产品质量存在一一对应 的关系，因此一般都是用温度控制系统来间接 控制产品质量。   2．保证平稳操作 为了保证塔的平稳操作，要把进塔前 的主要可控干扰尽量克服掉，对于不可控干扰 也要使其尽可能地平缓。例如，可进行进料的 温度控制，加热剂、冷却剂的压力控制等；塔 顶馏出液和釜底采出量之和应等于进料量，以 维持塔的物料平衡，而且这两个采出量的变化 应比较平缓，以利于前后工序的平稳操作；塔 釜、塔顶冷凝器和回流罐的蓄液量应在规定的 范围内；另外，应使塔内的压力稳定，这些对 塔的稳定操作都是十分必要的。   3．约束条件 若使塔正常操作，还要满足一些约束 条件。如塔内汽、液两相流速既不能过高，以 免引起液泛，也不能过低，以免降低塔板的效 率，尤其对工作范围较窄的筛板塔和乳化塔要 特别注意。 二、主要干扰    精馏过程复杂，干扰因素较多，主要 有： 1．塔压的波动 塔压波动会影响汽液平衡和物料平 衡，从而影响操作的稳定性和产品的质量。 因为我们常用温度作为衡量产品组成的间接 控制指标，而温度与产品组分的对应关系随 压力而变化，所以塔压变化会影响产品质量；     2．进料流量、组分、压力、温度等的变化； 3．塔的蒸气速度和加热量的变化； 4．回流量及冷剂流量或温度的变化。 其中，进料流量和组分变化的影响最大。 三、常用的控制方案         （一）提馏段温度控制 1．具体的工艺要求 （1）保证塔底产品质量是控制的主要目的。 （2）塔底采出液作为下一个塔的进料。 （3）塔顶馏出液也要去另一个塔去进一步分 离。 （4）进料来自于前一个塔。 （5）塔压要求稳定。 （6）塔顶回流量要求恒定。 2．控制手段    针对上面的6点工艺要求，借 助前面学过的知识，我们很容易想到如 下的对应6个控制手段： （1）以塔底温度为被控变量，以再沸 器的加热蒸气为操纵变量构成温度单回 路控制系统。 （2）以塔底液位为被控变量，以塔底 采出液为操纵变量组成均匀控制系统， 以同时满足本塔出料与下一个塔进料之 间的供需关系。     （3）以回流罐液位为被控变量，以塔顶馏出 液为操纵变量组成均匀控制系统，以同时满足 本塔出料与下一个塔进料之间的供需关系。 （4）以塔进料量为被控变量，以其自身为操 纵变量组成均匀控制系统，以同时满足上一个 塔的出料与本塔进料之间的协调的供需关系。 （5）以塔顶压力为被控变量，以冷凝液为操 纵变量组成压力定值控制系统，以维持塔压稳 定。 （6）以塔顶回流量为被控变量，以其自身为 操纵变量组成流量定值控制系统，以保证回流 量恒定。  具体的控 制方案如 图20所示。  图20 提馏段温 度控制 （二）精馏段温度控制        1．具体工艺要求 （1）保证塔顶产品质量是控制的主要目的。 （2）塔底采出液作为下一个塔的进料。 （3）塔顶馏出液也要去另一个塔去进一步分 离。 （4）进料来自于前一个塔。 （5）塔压要求稳定。 （6）再沸器的加热蒸气量要求恒定。 2．控制手段   图21 精馏段温度控制 和提馏段控制 一样，针对上 面的6点工艺 要求，我们有 6个控制手段， 方案如图21所 示。   以上是两种较常见的控制方案，对有 些精密精馏过程以及物料中成分沸点相差很小 的情况，还需要选用其它的控制方案，如温差 控制、双温差控制等。 精馏塔是非常复杂的控制工艺对象， 各个控制系统可能会通过被控对象相互关联， 如果控制方案设计不合理，就会出现系统间的 “耦合”，当调整调节器的PID参数、改变测 量点位置或改变操作周期都不能解除“耦合” 时，应考虑改变控制方案。 第四节  化学反应器的控制 化学反应是化工生产过程的中心 环节。其操作状态直接影响生产的质量指 标和经济效益。所以良好的反应器控制在 经济效益以及生产过程的安全稳定等方面 具有重要的意义。 一、化学反应器的控制要求  化学反应器的种类很多，对 控制的要求也多多种多样。通常，在设 计化学反应器的自控方案时，应从质量 指标、物料平衡、约束条件三方面加以 考虑。 l．质量指标  化学反应器的质量指标要求反 应达到规定的转化率或反应生成物达到 规定的浓度。显然，转化率或反应生成 物的浓度应当是被控变量，但它们往往 不能直接测量。因此，只好选取几个与 它们相关的参数，经过运算进行间接控 制。  如聚合釜出口温差控制与转化率的关系为：  式中，y——转化率； ρ——进料密度； g——重力加速度； c——物料的比热容； θi，θ。——分别为进料与出料温度； xi——进料浓度； H——每摩尔进料的反应热。         上式表明，对于绝热反应器，当进料 温度恒定时，转化率与出口温度差成正比。其 原因是转化率越高，反应生成的热量越多，物 料出口的温度也就越高。所以，用温差作为被 控变量，可以间接控制反应器的转化率。 由于化学反应过程总伴随有热效应， 不是吸热就是放热，所以，温度被广泛用作间 接控制指标。出料浓度也常用来作为被控变量， 如在合成氨生产中，可以取变换炉出口气体中 的CO浓度作为被控变量。 2．物料和能量平衡  为了使反应器的操作能正常进 行，必须维持整个反应器系统的物料平 衡和能量平衡。为此，往往采用流量定 值控制或比值控制维持物料平衡，采用 温度控制维持能量平衡。另外，在有些 反应系统中，为了维持浓度和物料平衡， 需另设辅助控制系统自动放空或排放惰 性气体。 3．约束条件  要防止反应器的工艺变量 进入危险区域或不正常工况。为此， 应当配备一些报警、联锁装置或选 择性控制系统，保证系统的安全。 三、釜式反应器自动控制  釜式反应器在工业过程中 广泛用于聚合反应。另外，在有机 染料、农药等行业中还经常采用釜 式反应器来进行碳化、硝化、卤化 等反应。  温度控制是釜式反应器自动 控制的重点，如聚合反应温度的测量 与控制是实现聚合反应器最佳操作的 一个难题。釜式反应器的温度控制包 括温度控制、温差控制、釜温与夹套 温度的串级分程控制及温度与压力串 级控制等。下面简单介绍几种常见的 控制方案。 1．调节进料温度   图22 度 调节进料温 通常，进料 都经过预热器（或冷 却器）进入反应釜。 通过调节进入预热器 （或冷却器）的加热 剂（或冷却剂）流量， 可以改变反应釜进料 的温度，从而达到维 持釜内温度恒定的目 的。方案如图22所示。 2．调节夹套温度   图23 度 调节夹套温 对于带夹套的反应釜， 调节进入夹套的加热剂 （或冷却剂）流量，可以 控制釜内温度。该方案 （如图23）结构比较简单， 使用仪表少。但由于反应 釜容量大，温度滞后严重， 特别是用反应釜进行聚合 反应时，釜内物料粘度大， 混合不易均匀，传热效果 较差，很难使温度控制达 到严格要求。这时就需要 引入复杂控制系统。 3．串级控制  图24 釜温与冷剂流量 串级控制 采用串级控 制可以较好地克服反 应釜大滞后的问题。 根据反应釜主要干扰 的不同情况，可以采 用釜温与加热剂（或 冷却剂）流量串级控 制 （ 见 图 24 ） 、 釜 温 与夹套温度串级控制 （