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第十七章 典型化工单元的控制方案. 化工仪表及自动化 张冰剑. 化工单元过程. 动量传递过程 传热过程 传质过程 反应过程. 泵、压缩机 换热器、加热炉 分馏塔、闪蒸罐 反应器. 化工单元过程. 内容提要. 流体输送设备的自动控制 离心泵的自动控制方案 往复泵的自动控制方案 压气机的自动控制方案 传热设备的自动控制 两侧均无相变化的换热器控制方案 载热体进行冷凝的加热器自动控制 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制. 第一节 流体输送设备的自动控制. 流体输送设备.
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第十七章 典型化工单元的控制方案 化工仪表及自动化 张冰剑
化工单元过程 动量传递过程 传热过程 传质过程 反应过程 泵、压缩机 换热器、加热炉 分馏塔、闪蒸罐 反应器 化工单元过程
内容提要 • 流体输送设备的自动控制 • 离心泵的自动控制方案 • 往复泵的自动控制方案 • 压气机的自动控制方案 • 传热设备的自动控制 • 两侧均无相变化的换热器控制方案 • 载热体进行冷凝的加热器自动控制 • 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制
流体输送设备 在石油、化工等生产过程中，用于输送流体和提高流体压力的机械设备，统称为流体输送设备。 泵：输送液体和提高其压力的机械。 风机或压缩机：输送气体并提高其压力的机械。 在生产过程中，通过管路调节被控对象流量的变化。
1.1 离心泵的自动控制方案 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。 离心泵特性曲线 管路特性曲线 两个方面
泵的特性：描述泵的压力H、流量Q及转速n之间的关系。泵的特性：描述泵的压力H、流量Q及转速n之间的关系。 (1) 离心泵特性曲线 n3 n2 H n1 Q
管路特性：管路系统中流体的流量和管路系统阻力的相互关系。管路特性：管路系统中流体的流量和管路系统阻力的相互关系。 (2) 管路特性曲线
(4) 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。
(4) 控制泵的出口阀门开度 通过管路阀门调节流量控制时，阀门应该安装在泵出口管路上。 气 缚 气 蚀 两个现象
(5) 离心泵的转速控制 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，改变泵的转速，控制结果使流量回到给定值。
(5) 离心泵的转速控制 泵的功率与转速的立方成正比。因此，改变泵的转速，从能量消耗的角度衡量最为经济，机械效率较高。调速机构一般较复杂。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。
(6) 旁路控制方案 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。 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。
往复泵提供的理论流量可按下式计算： 1.2 往复泵的自动控制方案 往复泵多用于流量较小、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。
(1) 改变原动机的转速 该方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合，此时，可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速。
(2) 控制泵的出口旁路 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。
(3) 改变冲程 s 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。
1.3 压气机的自动控制方案 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。
“喘振”现象 当负荷降低到一定程度时,气体的排送会出现强烈的振荡,从而引起机身的剧烈振动。这种现象称为“喘振”。 喘振会造成事故,操作中必须防止喘振现象产生。 防喘振的控制方案有很多种,其中最简单的是旁路控制方案。
(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。
(3) 控制旁路流量 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。 调速机构一般比较复杂，没有前两种方法简便。
2.1 两侧均无相变化的换热器控制方案 (1) 控制载热体的流量
2.1 两侧均无相变化的换热器控制方案 (1) 控制载热体的流量
2.1 两侧均无相变化的换热器控制方案 (2) 控制载热体旁路
2.1 两侧均无相变化的换热器控制方案 (3) 控制被加热流体自身流量
2.1 两侧均无相变化的换热器控制方案 (4) 控制被加热流体自身流量的旁路
当仅考虑汽化潜热时，热量平衡方程: 传热速率方程: 2.2 载热体进行冷凝的加热器自动控制 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。
2.2 载热体进行冷凝的加热器自动控制 (1) 控制蒸汽流量
用凝液排出量调温度 温度-流量串级系统 温度-液位串级系统 2.2 载热体进行冷凝的加热器自动控制 (2) 控制换热器的有效换热面积
2.2 载热体进行冷凝的加热器自动控制 (3) 两种方案比较 控制蒸汽流量法 优点：简单易行、过渡过程时间短、控制迅速。 缺点：需选用较大的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，有时凝液冷到饱和温度以下，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。
2.2 载热体进行冷凝的加热器自动控制 (3) 两种方案比较 控制换热器的有效换热面积法 缺点：控制通道长、变化迟缓，且需要有较大的传热面积裕量。 优点：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。
2.3 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 (1) 控制冷却剂的流量
2.3 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 (2) 温度与液位的串级控制
2.3 冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 (3) 控制汽化压力
解： 图 (a)是离心泵的流量控制方案。为了控制出口流量的大小，控制阀一般应该直接装在出口管线上。这是因为离心泵吸入高度是有限的，如果控制阀装在吸入管线上，会产生压降，这样一来，进口端压力就有可能过低，因为液体气化，使泵失去排液能力,产生气缚现象。或者压到出口端又急速冷凝，冲蚀厉害，产生气蚀现象。这两种情况都要避免发生。所以控制阀一般不应安装在离心泵的入口管线上。 图 (b)为往复泵出口流量控制方案。从往复泵的特性来看,只要转速一定,排出的流量是基本不变的。因此采用出口节流的方法来控制出口流量是不行的。
（2） 如下图所示的加热器,如果两侧无相变,载热体流量很大,且进出口温差(T20-T21)很小时,采用图示温控方案是否合理?
解： 从分析对象(加热器)的静态特性来看，采用图示控制方案是不合理的。 设载热体流量为F2，摩尔热容为C2，冷流体流量为F1，摩尔热容为C1。为了弄清主要问题，对图所示加热器可忽略一些次要因素(如热损失等)，则可列出热量平衡式，即单位时间内冷流体吸收的热量等于载热体放出的热量。
或 式中 由于载热体流量F2已足够大，且进出口温差(T21-T20)已经很小，这时，靠改变F2来改变冷流体出口温度T11的静态放大系数K很小，所以控制很不灵敏。当冷流体进口流量或温度变化时，要想维持其出口温度不变，靠图17-43所示控制方案是很难做到的。
（3） 如图所示的分离任务，设计图中三个换热器的控制方案。
