化工仪表及自动化教案第17章

第十七章 典型化工单元的控制方案

内容提要:

1.流体输送设备的自动控制

2.精馏塔的自动控制

1.流体输送设备的控制

一、离心泵的控制方案

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。

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改变泵出口阻力控制流量

泵的流量特性曲线与管路特性曲线

注意：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）。

2.控制泵的转速

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改变泵的转速控制流量

图中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性，且有n1＞n2＞n3。

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。

3.控制泵的出口旁路

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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。

二、压气机的控制方案

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。

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。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法，而用调整导向叶片角度的方法。

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2.控制旁路流量

分程控制方案

分程阀的特性

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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。

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。

2.精馏塔的自动控制

一、工艺要求

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。

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质量控制系统需要能测出产品成分的分析仪表。

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。

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。

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。

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二、精馏塔的干扰因素

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

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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。

提馏段温控的控制方案示意图

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。

2.精馏塔的精馏段温控

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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。

精馏段温控的控制方案示意图

精馏段温控的主要特点与使用场合：

① 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。

② 如果干扰首先进入精馏段，采用精馏段温控就比较及时。

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。

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3.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。

ΔT-x曲线

温差与产品纯度之间并非单值关系。

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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）。

4.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。

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