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1、化工仪表及自动化化工仪表及自动化第九章第九章 典型化工单元的控制方案典型化工单元的控制方案 内容提要内容提要n流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n离心泵的控制方案离心泵的控制方案n往复泵的控制方案往复泵的控制方案n压气机的控制方案压气机的控制方案n离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的防喘振控制n传热设备的自动控制传热设备的自动控制n两侧均无相变化的换热器控制方案两侧均无相变化的换热器控制方案n载热体进行冷凝的加热器自动控制载热体进行冷凝的加热器自动控制n冷却剂进行汽化的冷却器自动控制冷却剂进行汽化的冷却器自动控制n精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n工艺要求工艺要求1内容提要内容提要
2、n精馏塔的干扰因素精馏塔的干扰因素n精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案n化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n化学反应器的控制要求化学反应器的控制要求n釜式反应器的温度自动控制釜式反应器的温度自动控制n固定床反应器的自动控制固定床反应器的自动控制n流化床反应器的自动控制流化床反应器的自动控制n升化过程的控制升化过程的控制n常用生化过程控制常用生化过程控制n青霉素发酵过程控制青霉素发酵过程控制n啤酒发酵过程控制啤酒发酵过程控制2第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n一、离心泵的控制方案一、离心泵的控制方案3 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
3、心泵的流量控制大体的三种方法离心泵的流量控制大体的三种方法离心泵的流量控制大体的三种方法离心泵的流量控制大体的三种方法1.1.控制泵的出口阀门开度控制泵的出口阀门开度控制泵的出口阀门开度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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案4图9-1 改变泵出口阻力控制流量图9-2 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）。该安装在泵的吸入管线上（特殊
4、情况除外）。注意注意注意注意第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案52.2.控制泵的转速控制泵的转速图9-3 改变泵的转速控制流量 图9-3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1n2n3。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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案63.3.3.3.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路图9-4 改变旁路阀控制流量 将泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开
5、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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n二、往复泵的控制方案二、往复泵的控制方案7 往往复复泵泵多用于流量较小、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 （9-1）第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案81.1.1.1.改变原动机的转速改变原动机的转速改变原动机的转速改变原动机的转速图9-5 改变转速的方案 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机
6、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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案92.2.2.2.控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路图9-6 改变旁路流量 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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案103.3.3.3.改变冲程改变冲程改变冲程改变冲程 s s 图9-7 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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设
7、备的控制方案n三、压气机的控制方案三、压气机的控制方案9压力机的分类压力机的分类压力机的分类压力机的分类 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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案121.1.1.1.直接控制流量直接控制流量直接控制流量直接控制流量 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。由于管径较大，执行器可采用蝶阀。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。为了减少阻力损失，对大型压缩机，往往不用控制吸入阀的方
8、法，而用调整导向叶片角度的方法。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案13图9-8 分程控制方案图9-9 分程阀的特性第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案142.2.2.2.控制旁路流量控制旁路流量控制旁路流量控制旁路流量图9-10 控制压缩机旁路方案 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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案153.3.3.3.调节转速调节转速调节转速调节
9、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。问问问问题题题题在于调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案n四、离心式压缩机的防喘振控制四、离心式压缩机的防喘振控制161.1.1.1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象离心式压缩机的特性曲线及喘振现象离心式压缩机的特性曲线及喘振现象离心式压缩机的特性曲线及喘振现象图9-9 离心式压缩机特性曲线图9-12 喘振现象示意图第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案17 喘喘喘喘振振振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
10、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。第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案2.2.2.2.防喘振控制方案防喘振控制方案防喘振控制方案防喘振控制方案（1 1）固定极限流量法）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QB，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QPQB。图
11、9-13 防喘振旁路控制18第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案（2 2 2 2）可变极限流量法）可变极限流量法）可变极限流量法）可变极限流量法图9-14 防喘振曲线 图9-14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。19第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案安全操作线近似为抛物线，其方程可用下列近似公式表示 （9-2）在时，工况是安全的。经过换算，上述不等式可写成如下形式20（9-3）第一节第一节 流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案21图9-15 变极限流量防
12、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。n在炼油化工生产中，换热的目的主要有哪些？在炼油化工生产中，换热的目的主要有哪些？第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制(1)(1)使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程能很好地进行。艺过程能很好地进行。(2)(2)在生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使在生产过程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
13、温度范围内进行。工艺过程能在规定的温度范围内进行。(3)(3)某些工艺过程需要改变物料的相态。某些工艺过程需要改变物料的相态。(4)(4)回收热量。回收热量。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n一、两侧均无相变化的换热器控制方案一、两侧均无相变化的换热器控制方案221.1.控制载热体的流量控制载热体的流量控制载热体的流量控制载热体的流量图9-16 改变载热体流量控制温度 图9-16表示利用控制载热体流量来稳定被加热介质出口温度的控制方案。采用传热基本方程式的工作原理。若不考虑传热过程中的热损失第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制23传热过程中传热的速率可按下式计算
14、整理后，得移项后改写为第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制24图9-17 换热器串级控制系统 如果载热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制252.2.2.2.控制载热体旁路流量控制载热体旁路流量控制载热体旁路流量控制载热体旁路流量图9-18 用载热体旁路控制温度 采用三通控制阀来改变进入换热器的载流体流量与旁路流量的比例，可以改变进入换热器的载热体流量，还可以保证载热体总流量不受影响。旁路的流量一般不用直通阀来直接进行控制，因为在换热器内部流体阻力小的时候，控制阀前后压降很小，这样
15、就使控制阀的口径要选得很大，而且阀的流量特性易发生畸变。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制263.3.3.3.控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量图9-19 用介质自身流量控制温度 只只只只能能能能用用用用在在在在工工工工艺艺艺艺介介介介质质质质的的的的流流流流量量量量允允允允许许许许变变变变化化化化的场合。的场合。的场合。的场合。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制274.4.控制被加热流体自身流量的旁路控制被加热流体自身流量的旁路控制被加热流体自身流量的旁路控制被加热流体自身流量的旁路图9-20 用介质旁路控
16、制温度 当被加热流体的总流量不允许控制，而且换热器的传热面积有余量时，可将一小部分被加热流体由旁路直接流到出口处，使冷热物料混合来控制温度。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n二、载热体进行冷凝的加热器自动控制二、载热体进行冷凝的加热器自动控制28 在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变液相，放热，通过管壁加热工艺介质。如果要加热到200以上或30以下时，常采用一些有机化工物作为载热体。这种传热过程分两段进行，先冷凝后降温。当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程式为 传热速率方程式仍为第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制29 当被加热介质的出口温度t2为被控变量时，常采用下述
17、两种控制方案。1.1.1.1.控制蒸汽流量控制蒸汽流量控制蒸汽流量控制蒸汽流量图9-21 用蒸汽流量控制温度 通过改变加热蒸汽量来稳定被加热介质的出口温度。当阀前蒸汽压力有波动时，可对蒸汽总管加设压力定值控制，或者采用温度与蒸汽流量（或压力）的串级控制。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制302.2.2.2.控制换热器的有效换热面积控制换热器的有效换热面积控制换热器的有效换热面积控制换热器的有效换热面积图9-22 用凝液排出量控制温度图9-23 温度-液位串级控制系统图9-24 温度-流量串级控制系统第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制31两种方案比较两种方案比较两
18、种方案比较两种方案比较控制蒸汽流量法 优点：优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。缺缺点点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到100以下，这时加热器内蒸汽一侧会产生负压，造成冷凝液的排放不连续，影响均匀传热。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制32控制换热器的有效换热面积法缺缺点点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。优优点点：防止局部过热，对一些过热后会引起化学变化的过敏性介质比较适用。另外，由于蒸汽冷凝后凝液的体积比蒸汽体积小得多，所以可以选用尺寸较小的控制阀门。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n三、冷却剂进行汽化的冷却
19、器自动控制三、冷却剂进行汽化的冷却器自动控制331.1.1.1.控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量图9-25 用冷却剂流量控制温度 该方案不以液位为被控变量，但液位不能过高，过高会造成蒸发空间不足，使出去的氨气中夹带大量液氨，引起氨压缩机的操作事故。这种控制方案带有上限液位报警，或采用温度-液位自动选择性控制，当液位高于某上限值时，自动把液氨阀关小或暂时切断。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制342.2.2.2.温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制图9-26 温度-液位串级控制 该方案的实质是改变传热面积
20、。但采用了串级控制，将液氨压力变化而引起液位变化的这一主要干扰包含在副环内，从而提高了控制质量。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制353.3.3.3.控制汽化压力控制汽化压力控制汽化压力控制汽化压力图9-27 用汽化压力控制温度工作原理工作原理工作原理工作原理 基于当控制阀的开度变化时，会引起氨冷器内汽化压力改变，于是相应的汽化温度也就改变了。第二节第二节 传热设备的自动控制传热设备的自动控制36 这种方案控制作用迅速，只要汽化压力稍有变化，就能很快影响汽化温度，达到控制工艺介质出口温度的目的。但是由于控制阀安装在气氨出口管道上，故要求氨冷器要耐压，并且当气氨压力由于整个制冷系
21、统的统一要求不能随意加以控制时，这个方案就不能采用了。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制概述概述在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程。热加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要首先
22、由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的7070一一8080，而在对流段获得的热量约占热负荷，而在对流段获得的热量约占热负荷2020一一3030。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。特性是很困难的。n1加热炉的单回路控制方案加热炉的单回路控制方案第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制工艺介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油工艺
23、介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油(或气或气)的压力、成分的压力、成分(或热值或热值)、燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。、燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。为了保证炉出口稳定，在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。为了保证炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。对扰动应采取必要的措施。扰动分析：扰动分析：单回路控制系统的分析：单回路控制系统的分析：被控变量：被控变量：炉出口温度炉出口温度操纵变量：操纵变量：燃料油流量燃料油流量其他辅助控制系统有：其他辅助控制系统有：1)1)进入加热妒工艺介
24、质的流量控制系进入加热妒工艺介质的流量控制系统，如图中统，如图中FCFC控制系统；控制系统；2)2)燃料油总压控制，总压控制一般调燃料油总压控制，总压控制一般调回油量，如图中回油量，如图中P P1 1C C控制系统；控制系统；3)3)采用燃料油时，还需加入雾化蒸汽，采用燃料油时，还需加入雾化蒸汽，为此设有雾化蒸汽压力控制系统为此设有雾化蒸汽压力控制系统P P2 2C C,以保以保证燃科油的良好雾化。证燃科油的良好雾化。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制n1加热炉的单回路控制方案加热炉的单回路控制方案 目前炼厂中大多数采用雾化蒸汽压力控制系统，在燃油压力变化不大的目前炼厂中大多数采用雾化蒸汽
25、压力控制系统，在燃油压力变化不大的情况下，可以满足情况下，可以满足雾化雾化要求。假如燃料油压变化较大时，单采用雾化蒸汽压要求。假如燃料油压变化较大时，单采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化，可以采用如下控制方案：力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化，可以采用如下控制方案：压差控制系统压差控制系统比值控制系统比值控制系统 采用单问路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质采用单问路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质(物物料料)从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油(或气或气)的压力或热值的压力或热值
26、(组组分分)有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化。采用单回路控制时，当加热量有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化。采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大、控制作用不及时，而使炉出口温度波改变后，由于传递滞后和测量滞后较大、控制作用不及时，而使炉出口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况：动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况：1)1)对炉出口温度要求不十分严格；对炉出口温度要求不十分严格；2)2)外来扰动缓慢而较小，且不频繁外来扰动缓慢而较小，且不频繁 3)3)炉膛容量较小，即滞后不大。炉膛容量较小，即滞后不大
27、。n2加热炉的串级控制方案加热炉的串级控制方案第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制1)1)炉出口温度对炉膛温度的串级控制；炉出口温度对炉膛温度的串级控制；2)2)炉出口温度对燃料油炉出口温度对燃料油(或气或气)流量的串流量的串级控制级控制适用于以下几种情况：适用于以下几种情况：1)1)热负荷较大，而热强度较小。即不热负荷较大，而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动，以免影响允许炉膛温度有较大波动，以免影响设备。设备。2)2)当主要扰动是燃料油或气的当主要扰动是燃料油或气的热值变化热值变化(即组分变化即组分变化)时，其他串级时，其他串级控制方案的内环无送感受。控制方案的内环无送感受。3)3)
28、在同一在同一个炉膛内有两组炉管，同时加热两种个炉膛内有两组炉管，同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度，但物料。此时虽然仅控制一组温度，但另一线亦较平稳。另一线亦较平稳。这种方案的优是当燃料油流量发生变化这种方案的优是当燃料油流量发生变化后，还未影响点到炉出口温度之前后，还未影响点到炉出口温度之前其内环即先进行调节，以减小甚至消除其内环即先进行调节，以减小甚至消除燃料油燃料油(或气或气)流量的扰动，从而改善了流量的扰动，从而改善了控制质量。控制质量。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制n2加热炉的串级控制方案加热炉的串级控制方案3)3)炉出口温度对炉膛温度及燃料油流量炉出口温度对炉膛温度及
29、燃料油流量的串级控制的串级控制使用仪表多，且整定困难使用仪表多，且整定困难4)4)炉出口温度对燃料油压力的串级控制炉出口温度对燃料油压力的串级控制若加热炉所需燃料油量较少或其若加热炉所需燃料油量较少或其输送管道较小时，其流量测量较输送管道较小时，其流量测量较困难，特别是应用粘度较大的重困难，特别是应用粘度较大的重质燃料油时更难测量。质燃料油时更难测量。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制n2加热炉的串级控制方案加热炉的串级控制方案5)5)采用浮动阀的控制方案采用浮动阀的控制方案适用于燃料是气态适用于燃料是气态 注意：注意：1)1)由于倍数继动器的限制，一般情况下由于倍数继动器的限制，一般情况
30、下适用于适用于0.040.040.4MPa0.4MPa的气体燃料；的气体燃料；2)2)一般的膜片不适用于液体燃料及温度一般的膜片不适用于液体燃料及温度较高的气体燃料；较高的气体燃料；3)3)当膜片上下压差较大时，膜片容易损当膜片上下压差较大时，膜片容易损坏。坏。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制n2加热炉的串级控制方案加热炉的串级控制方案催化裂化装置加热炉的自动控制系统催化裂化装置加热炉的自动控制系统 刚开工生产时，该装置没刚开工生产时，该装置没有产生燃料油，因而采用热有产生燃料油，因而采用热裂化来的干气作燃料。这里裂化来的干气作燃料。这里采用浮动阀，由炉出口温度采用浮动阀，由炉出口温度控
31、制器输出直接去控制浮动控制器输出直接去控制浮动阀。当生产正常时，本装置阀。当生产正常时，本装置自产重质燃料油，此时炉出自产重质燃料油，此时炉出口温度与燃料油阀后压力组口温度与燃料油阀后压力组成串级控制，保证炉出口温成串级控制，保证炉出口温度满足工艺要求度满足工艺要求(在这里温在这里温度控制器输出加入了一个转度控制器输出加入了一个转换开关，以选择燃油还是燃换开关，以选择燃油还是燃气气)。其余扰动因素采用单。其余扰动因素采用单回路控制系统予以克服。回路控制系统予以克服。n3安全连锁保护系统安全连锁保护系统（保证安全生产）（保证安全生产）第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制(1)(1)以燃料气为燃
32、料的加热炉安全联锁保护系统。以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护系统。在以燃料气为燃料的加热炉中，主要危险包括：在以燃料气为燃料的加热炉中，主要危险包括：1)1)被加热工艺介质流量过少或中断，此时必须采取安全措施被加热工艺介质流量过少或中断，此时必须采取安全措施烧，否则会将加热炉管子烧坏，使其破裂造成严重的生产事故；烧，否则会将加热炉管子烧坏，使其破裂造成严重的生产事故；2)2)当火焰熄灭时，会在燃烧室里形成危险的燃料一空气混合当火焰熄灭时，会在燃烧室里形成危险的燃料一空气混合物；物；3)3)当燃料气压过低即流量过小时，会出现回火现象，故要保当燃料气压过低即流量过小时，会出现回火现象，故要保证最
33、小燃料气流量；证最小燃料气流量；4)4)当燃料气压力过高，喷嘴会出现脱火现象，以至造成熄火，当燃料气压力过高，喷嘴会出现脱火现象，以至造成熄火，甚至会在燃烧室里形成大量燃料气甚至会在燃烧室里形成大量燃料气空气混合物，造成爆炸事故。空气混合物，造成爆炸事故。第三节第三节 加热炉的控制加热炉的控制n3安全连锁保护系统安全连锁保护系统1)1)炉出口温度与控制阀阀后压力的选炉出口温度与控制阀阀后压力的选择性控制系统。正常生产时，由温度择性控制系统。正常生产时，由温度控制器工作。当由于某种扰动作用，控制器工作。当由于某种扰动作用，使控制阀阀后压力过高，达到安全极使控制阀阀后压力过高，达到安全极限时，压力
34、控制器限时，压力控制器PCPC通过低值选择器通过低值选择器LSLS取代温度控制器工作；关小控制阀取代温度控制器工作；关小控制阀以防止脱火。一旦正常后，仍由温度以防止脱火。一旦正常后，仍由温度控制器工作。控制器工作。2)2)燃料气流量过低联燃料气流量过低联锁报警系统锁报警系统GLGLl l。当燃料气流量低到一。当燃料气流量低到一定极限时，则定极限时，则GLGL1 1联锁动作，使三通电联锁动作，使三通电磁阀线圈失电，这样来自控制器的气磁阀线圈失电，这样来自控制器的气压信号放空，结果切断燃料气阀，以压信号放空，结果切断燃料气阀，以防止回火造成事故。防止回火造成事故。3)3)工艺介质低流量联锁报警系统
35、工艺介质低流量联锁报警系统GLGL2 2，当工艺介质流量过低或中断时，当工艺介质流量过低或中断时，GLGL2 2动动作切断燃料气控制阀，停止燃烧。作切断燃料气控制阀，停止燃烧。4)4)火焰检测器开关火焰检测器开关BSBS。当火焰熄灭时，。当火焰熄灭时，BSBS动作，切断燃料气控制阀，停止供气，动作，切断燃料气控制阀，停止供气，以阻止燃烧室内形成燃料气一空气温合以阻止燃烧室内形成燃料气一空气温合物造成爆炸事故。物造成爆炸事故。加热炉的安全连锁保护系统加热炉的安全连锁保护系统第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n一、精馏塔的控制目标一、精馏塔的控制目标371.1.1.1.质量指标（产品纯
36、度）质量指标（产品纯度）质量指标（产品纯度）质量指标（产品纯度）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，二元组分精榴中，情况较简单；多元组分精馏中，情况较复杂，一般仅控制关键组分，轻重关键组分。产品质量最好控制到刚好能满足规格要求上，即处于“卡边”生产。应该在满足产品质量合格的前提下，总的收益最大或总的成本最小。应该在满足产品质量合格的前提下，总的收益最大或总的成本最小。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制382.2.2.2.保证平稳操作保证平稳操作保证平稳操
37、作保证平稳操作 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。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制392.2.2.2.产品产量和能量消耗产品产量和能量消耗产品产量和能量消耗产品产量和能量消耗 精馏塔的任务，不仅要保证产品质量，还要有一定精馏塔的任务，不仅要保证产品质量，还要有一定的产量。另外，分离混合液也要消耗一定的能量，这主的产量
38、。另外，分离混合液也要消耗一定的能量，这主要是再沸器的加热且和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔要是再沸器的加热且和冷凝器的冷却量消耗。此外，塔的附属设备及管线也要散失一部分热量和冷量。从定性的附属设备及管线也要散失一部分热量和冷量。从定性的分析可知，要使分离所得的产品纯度越高，产品产量的分析可知，要使分离所得的产品纯度越高，产品产量越大，则所消耗的能量越多。越大，则所消耗的能量越多。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制404.4.4.4.节能要求和经济性节能要求和经济性节能要求和经济性节能要求和经济性 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，
39、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。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n二、精馏塔的干扰因素二、精馏塔的干扰因素41图9-28 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TF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 第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制n三、精馏塔的控制方案三、精馏塔的控制方案421.1.1.1.精馏塔的提馏段温控精馏塔的提馏段温控精馏塔的提馏段温控精馏塔的提馏段温控图9-29 提馏段温控的控制方案
40、示意图 如果采用以提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，就称为提馏段温控提馏段温控。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制43提馏段温控的主要特点与使用场合：提馏段温控的主要特点与使用场合：提馏段温控的主要特点与使用场合：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。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制442.2.2.2.精馏塔的精馏段温控精馏塔的精馏
41、段温控精馏塔的精馏段温控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，就称为精馏段温控精馏段温控。图9-30 精馏段温控的控制方案示意图第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制45精馏段温控的主要特点与使用场合：精馏段温控的主要特点与使用场合：精馏段温控的主要特点与使用场合：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。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制46
42、 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。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制473.3.3.3.精馏塔的温差控制及双温差控制精馏塔的温差控制及双温差控制精馏塔的温差控制及双温差控制精馏塔的温差控制及双温差控制 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。图9-31 T-x曲线温差与产品纯度之间温差与产品纯度之间温差与产品纯度之间温差与产品纯度之
43、间并非单值关系。并非单值关系。并非单值关系。并非单值关系。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制48图9-32 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）。第四节第四节 精馏塔的自动控制精馏塔的自动控制494.4.4.4.按产品成分或物性的直接控制方案按产品成分或物性的直接控制方案按产品成分或物性的直接控制方案按产品成分或物性的直接控制方案 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
44、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。第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n一、化学反应器的控制要求一、化学反应器的控制要求501.1.1.1.质量指标质量指标质量指标质量指标 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第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制51 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
45、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。第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制522.2.2.2.物料平衡物料平衡物料平衡物料平衡 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。3.3.3.3.约束条件约束条件约束条件约束条件 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。第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n二、釜式反应器的温度自动控制二、釜式反应器的温度自动控制531.1.1.1.控制进料温度控制进料温度控制进料温度控制进料温
46、度图9-33 改变进料温度控制釜温第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制542.2.2.2.改变传热量改变传热量改变传热量改变传热量 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。图9-34 改变加热剂或冷却剂流量控制釜温第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制553.3.3.3.串级控制串级控制串级控制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。图9-35 釜温与冷剂流量串级控制示意图第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制56图9-36 釜温与夹套温度串级控制示意图图9-37 釜温与釜
47、压串级控制系统示意图第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n三、固定床反应器的自动控制三、固定床反应器的自动控制57 固固定定床床反反应应器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：常见的温度控制方案有：常见的温度控制方案有：常见的温度控制方案有：改变进料浓度 改变进料温度 改变段间进入的冷气量 第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制58图9-38 改变进料浓度控制反应器温度图9-39 用载热体流量控制温度第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制59图9-40 用旁路控制温度
48、图9-41 用改变段间冷气量控制温度图9-42 用改变段间蒸汽量控制温度第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制n四、流化床反应器的自动控制四、流化床反应器的自动控制60图9-43 流化床反应器原理示意图图9-44 改变入口温度控制反应器温度第四节第四节 化学反应器的自动控制化学反应器的自动控制61图9-45 改变冷剂流量控制温度图9-46 流化床差压指示系统第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制n一、常用生化过程控制一、常用生化过程控制621.1.1.1.发酵罐温度控制发酵罐温度控制发酵罐温度控制发酵罐温度控制 一般发酵过程均为放热过程，温度多数要求控制在3050（0.5）
49、。过程操纵变量为冷却水量，一般不需加热（特别寒冷地区除外）。图9-47 发酵罐温度控制第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制632.2.2.2.通气流量、罐压和搅拌转速控制通气流量、罐压和搅拌转速控制通气流量、罐压和搅拌转速控制通气流量、罐压和搅拌转速控制图9-48 发酵罐搅拌转速、罐压（或流通气量）控制第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制643.3.3.3.溶氧浓度控制溶氧浓度控制溶氧浓度控制溶氧浓度控制 在发酵过程中必须控制溶解氧浓度，使其在发酵过程的不同阶段都略高于临界值，这样既不影响菌体的正常代谢，又不致为维持过高的溶氧水平而大量消耗动力。培养液的溶解氧水平其实质为供氧和需氧
50、矛盾的结果。第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制65最常用的溶氧浓度控制方案：最常用的溶氧浓度控制方案：改变搅拌速率；改变通气速率。图9-49 改变搅拌转速的溶氧串级控制系统第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制664.4.4.4.pHpH值值值值控制控制控制控制 在发酵过程中为控制pH值而加入的酸碱性物料，往往就是工艺要求所需的补料基质，所以在pH控制系统中还须对所加酸碱物料进行计量，以便进行有关离线参数的计算。图9-50 连续流加pH控制图9-51 脉冲式流加pH控制第五节第五节 生化过程的控制生化过程的控制675.5.5.5.自动消泡控制自动消泡控制自动消泡控制自动消泡控制 当