转 典型化工单元控制方案
2014-11-04 20:36:00| 分类：
自动化
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第一节 流体输送设备的控制方案
一、流体输送的基本知识
流体的输送是一个动量传递过程，流体在管道内流动，从泵或压缩机等输送设备获得能量，以克服流动阻力。
用于输送流体和提高流体压头的机械设备统称为流体输送设备。
流体输送设备的任务是输送流体和提高流体的压头。
流体输送设备：泵（离心、往复）输送液体；压缩机输送气体
结构：
容积式（正位移式）：往复泵、往复式压缩机、齿轮泵（螺杆、双螺杆压缩机）等
叶片式：离心泵和离心式压缩机等
二、离心泵的控制方案
泵的压头是由高速旋转叶轮作用于液体产生离心力
离心泵流量控制的目的是将泵排出流量恒定在某一给定的数值上。
机械特性 H=K1n2-K2Q2
离心泵特性曲线和管路特性曲线
离心泵的自动控制
在泵的旁路管上安装调节阀
往复泵是正位移形式的容积泵，它排出的流量是固定的容积。往复泵排出量大小决定于冲程、汽缸的截面积及单位时间内往复次数。
Q理 = 60 n f s
往复泵多用于流量较小、压头要求较高的场合。
往复泵控制流量的方法
1、改变原动机（蒸汽机或汽轮机）的转速来控制流量。
2、改变冲程S（改变计量泵的冲程）来控制流量。
3、改变往复泵的出口旁路（回流量）来控制流量。
四、压缩机的控制方案1、压气机种类
气体输送设备有很多种类，按其原理不同可分为离心式压缩机和往复式压缩机两大类；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。
离心式压缩机广泛应用于石化企业。如乙烯装置的裂解气压缩机等
五、离心式压缩机的自动控制
1、压缩机气量及出口气体压力的控制系统
直接节流法
旁路回流法
调节原动机转速（蒸汽透平、燃气透平等）
（1）、 直接节流法
（3）、调节原动机转速（蒸汽透平、燃气透平等）
这种方法效率最高，节能最好，但由于调速机构比较复杂，应用时没有前两种简便
六、离心式压缩机防喘振控制
1、离心式压缩机特性曲线及喘振现象
离心式压缩机喘振产生的原因
2、防喘振控制方法
固定极限流量防喘振控制：使压缩机流量始终保持大于最大转速下喘振点的流量值QB压缩机不会产生喘振
固定极限流量防喘振控制
－可变极限流量防喘振控制：为了减少压缩机能量损耗，合理的防喘振控制应是留有适当地安全裕量，使防喘振控制器沿安全线工作
安全操作线近似抛物线，其方程可用下列近似公式表示：
假设压缩机入口流量测点的差压为⊿p1 ，则由上式可以得到 ：
第二节 传热设备的自动控制
一、传热的基本知识
1、传热设备
主要有换热器、再沸器、冷凝器及加热炉等；
传热的操作如蒸馏、干燥、蒸发、结晶等。
2、传热
热交换与热传递
热量的传递方式有：热传导、热对流、热辐射。
冷热流体进行热量交换的形式：一类是无相变情况下的加热或冷却，另一类是有相变情况下的加热或冷却
（即蒸汽冷凝放热或液体汽化吸热）
3、热交换方程式
热交换过程的基本方程式：
热量衡算式
G2C2(T2—T1) = G1C1(T1—T2)
传热速率式
二、两侧均无相变化的 换热器控制方案
换热器的作用是加热或冷却工艺介质到某一温度；自动控制的目的就是要通过改变换热器的热负荷,以保证工艺介质在换热器出口的温度恒定在给定值上。
换热器两侧流体在传热过程中均不起相变化时，有以下控制方案。
热交换器的被控变量－工艺介质出口温度，也可选择流量、压力或液位
热交换器的操作变量－载热体流量
热交换器的控制策略
控制载热体流量
控制传热温差
改变传热面积
1、控制载热体流量
*调节载热体流量，控制工艺介质出口温度（教材 P236 图11-16）
*工艺介质出口温度与载热体流量（压力）串级控制（P236 图11-17）
当载热体属于生产物料回收能量时，不能调节载热体流量，此时可以：
*控制载热体旁路流量
*控制被加热流体自身流量
用改变载热体流量控制换热器温度的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温度影响较为灵敏的场合。
2、控制载热体旁路流量
教材 P237 图11－18
当载热体是工艺流体，它的流量不允许变动且不好控制时，可以将载热体分路一部分，以调节冷流体的出口温度。分路一般采用三通阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又可以保证载热体总流量不受影响。
3、控制被加热流体自身流量
要使工艺介质加热到一定温度，也可以采用同一介质的冷热流体直接混合的办法。
当换热器传热面积有裕量时，将工艺介质分路，一部分经换热器，另一部分旁路通过，然后两端混合起来。
采用三通分流阀将介质旁路，控制换热器出口温度。
三、载热体进行冷凝的 加热器控制方案
1、概述
在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变为液相，放出热量，通过管壁加热工艺介质。一般用水蒸汽作载热体
热量平衡方程式
蒸汽加热器的被控变量是被加热工艺介质的出口温度，常用操作变量有以下两个：一个是载热体蒸汽流量，另一个是可通过改变冷凝液排出量来控制冷凝的有效面积。
2、控制蒸汽流量
教材 P238 图11－21
这种控制方案最常见，通过改变蒸汽流量来稳定被加热介质的出口温度，控制比较灵敏。在进行控制过程
中，传热面积是不变的，传热系数基本维持不变，传热量的改变主要是通过改变传热平均温差来达到。
简单控制和串级控制
3、控制换热器的有效换热面积
教材 P238 图11－22
调节阀装在凝液管线上，换热器内的压力基本上等于蒸汽源压力，不会产生负压。调节阀开度变化，使冷
凝液排出量发生变化，亦即冷凝液液面发生变化，实质上等于传热面积发生变化。
控制传热温差
─调节载热体的汽化温度，也就是改变传热的平均温差△Tm，控制工艺介质出口温度。为了保证载热体汽化有足够空间，设有液位控制（如氨冷器）
─为了防止载热体压力波动对出口温度影响，设出口温度与载热体蒸发压力串级控制
改变传热面积
*改变传热面积可以改变传热量，控制工艺介质出口温度
*调节阀安装在冷凝液排出管线上，调节阀开度变化，热交换器的液位发生变化，实质上传热面积变化
*通常采用工艺介质出口温度与冷凝罐液位串级控制或工艺介质出口温度与蒸汽流量串级控制，调节阀放在冷凝液排出管上
4、两侧均无相变化的换热器的串级控制方案
一种方案是温度-凝液液位串级控制系统。（教材 P238 图11－23)
另一种方案是温度-蒸汽流量串级控制系统。(教材 P239 图11－24）
四、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制
1、概述
当用水和空气作为冷却剂不能满足冷却温度的需要时，就要使用其它冷却剂。这些冷却剂在冷却器中由液体汽化为气体时带走大量潜热，从而使另一种物料得以冷却。
2、控制冷却剂的流量
教材 P239 图11－25
通过改变进入氨冷器的液氨流量来控制介质出口温度。当工艺介质出口温度上升时，就相应增加液氨进入
量，使得氨冷器内液位上升，液体传热面积增加，因而使传热量增加，介质的出口温度就下降了。
3、温度－液位串级控制
教材 P239 图11－26
温度作为主控变量，液位作为副控变量，液氨流量为操作变量。
此方案实质是改变传热面积。
4、控制汽化压力
教材 P239 图11－27
改变液氨汽化的气氨流量其实质是改变氨冷器内压力。此方案控制迅速灵敏，但氨冷器要耐压。
除了以上介绍的各种控制方案外，根据工艺生产的不同要求还可以设计出选择性控制、前馈－反馈控制、热焓控制、超驰控制等复杂控制方案
选择性控制系统
第三节 化学反应设备的 自动控制
化学反应器是石油化工生产的中心环节。通常化学反应器在高温、高压、易燃、易爆条件下进行操作，许多化学反应伴有强烈热效应，因此要求反应器的控制和安全操作非常严格
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。
显然转化率应当是被控变量。
转化率不能直接测量，它与一些参数有关，计算公式如下：
式中 y —转化率；ρ—进料密度；
g —重力加速度；
xi —进料浓度；
c —物料的比热容；
t2 ，t1 —分别为出料与进料的温度
H ——每摩尔进料的反应热。
化学反应过程总伴随有热效应，当进料浓度一定时，转化率与温度差成正比例。转化率越高，反应生成的热量越多，物料出口温度亦越高，因此温度是表征质量的间接控制指标。
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恒定，常采用流量定值控制或比值控制。
3、约束条件
保证化学反应在规定的工况下进行的必要条件。
二、化学反应设备
按反应器结构可分为釜式、管式、塔式、固定床和流化床等
釜式反应器：连续或间歇。
连续反应时，单位定流量进入反应釜，反应物在釜内停留一定时间再从釜内流出。如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯聚合反应器等
固定床反应器：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。
乙烯装置乙炔加氢反应器、丙炔加氢反应器、合成氨装置的变换炉、合成塔等
流化床反应器：催化裂化装置反应器与再生器、聚丙烯溶剂法第三、四气相反应器等
管式反应器：结构较简单，一根管道。通常也用加热或冷却解决反应的热效应。如乙烯装置的裂解炉、高压聚乙烯管式聚合反应器、合成氨二段转化炉等
塔式反应器：与管式反应器相似，但一般伴有物料逆向混合。如丙烯腈装置丙烯氧化反应器
三、釜式反应器的温度控制
1 控制传热量 P246 图11-34
多数反应釜均有传热面，以引进或移去反应热，用改变引入传热量多少的方法实现温度控制。
2 控制进料温度 P246 图11-33
物料经过预热器（或冷却器）加热后进入反应器，用改变进料温度控制反应釜温度。
3 釜式反应器温度串级控制
在单回路控制系统中，以换热介质流量为操纵变量，控制通道较长，滞后时间较大，有时满足不了工艺要求。为此，可采用串级控制。
反应釜滞后较大，进入反应釜主要干扰有不同情况。因此可以设计成各种串级控制系统。
（1）釜温与夹套温度串级控制系统
（2）釜温与冷剂流量串级控制系统；
（3）釜温与釜内压力串级控制系统；
（4）釜温与夹套温度串级控制的冷剂与蒸汽分程控制系统。
第四节 精馏塔的自动控制
一、精馏的基本知识
1、精馏概念
精馏过程是一个传热传质过程。
精馏是利用混合液中各组分的挥发度不同（沸点不同）将各组分进行分离并达到规定纯度要求的工艺过程。
二、精馏设备的主要组成
由精馏塔、再沸器、冷凝冷却器、回流罐、回流泵等组成
精馏塔 使气液两相接触，而使混合液实现分离。
产品质量指标控制
物料平衡控制
能量平衡控制
约束条件控制
2、精馏塔的基本控制策略
－采用温度作为间接质量指标控制
－选择温差作为间接质量指标控制
－选择双温差作为间接质量指标控制
－选择精馏段质量指标的控制
－选择提馏段质量指标的控制
－精馏塔的压力控制
－有侧线采出的精馏塔控制
4、精馏塔的控制方案
采用温度作为间接质量指标控制
－选择测温点位置的选择：若塔顶采出为主要产品时，测温点应选在塔顶，采用精馏段温度控制；若塔釜采出为主要产品时，测温点应选在塔底，采用提馏段温度控制
－灵敏板温度，即温度变化最大的塔板
(1)精馏塔的经典控制方案
① 精馏塔的提馏段温度控制
A、提馏段温度控制
教材 P242 图11-29
以提馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，以改变再沸器加热量作为控制手段。
C、五个辅助控制系统
ａ、塔釜液位采出
ｂ、塔顶压力控制
ｃ、回流罐液位控制
ｄ、塔顶回流流量控制
ｅ、塔中进料量流量控制
ｃ、塔釜温度－蒸汽流量串级控制系统
当进入再沸器热剂压力波动较大时，可采用此方案,提高温度控制质量。
②、精馏塔精馏段温度控制方案
A、精馏段温度控制
教材 P242 图11-30
以精馏段温度作为衡量质量指标的间接指标，以改变回流量作为控制手段。
C、五个辅助控制系统：
塔顶压力控制系统
回流罐液面控制系统
塔釜液面控制系统
再生器蒸汽流量（压力）控制系统
塔中进料流量控制系统
(2)精馏塔的复杂控制方案
① 精馏塔温差控制方案
在精密精馏时，产品纯度要求相当高，塔顶产品与塔底产品的沸点相差不大时，若是采用温度作为间接质量指标的反馈控制系统，会使实际产品质量有比较大的误差，应采用温差控制，以提高产品的质量。
② 双温差控制方案
双温差控制亦称为温差差值控制。
双温差控制就是分别在精馏段（进料板上方）及提馏段（进料板下方）上选取温差信号，然后将两个温差信号相减，其差值作为调节器的测量信号即控制系统的被控变量
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