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  1、第七章 典型单元操作案例 第一节 流体输送设备的控制 泵和压缩机是生产的全部过程用来输送流体或者提高流体压 头的一种重要的机械设备，泵是液体的输送设备，压缩机 是气体的输送设备。 流体输送设备自动控制的最大的目的： 一是为保证工艺流程所要求的流量和压力 二是为确保机泵本身的安全运转 一、离心泵的控制 离心泵的工作原理是将机械能通过泵体内作非常快速地旋转 的叶片给液体以动能，再由动能转换成静压能 , 然后排出 泵外。 由于离心力的作用 , 使叶轮通道内的液体被排出时 , 叶轮进口处在负压情况下 , 液体即被吸进。 1工作特性 1)机械特性 对于一个离心泵，其压头 H和流量 Q及转 速 n之间的关系，称为泵的

  2、机械恃性，以经验公式表示 则为： H=K 1n 2-K2Q2 式中， K1 、 k2 比例系数。 特性曲线 随着离心泵出口阀的开 启，排出量就逐渐增大，使 压头逐渐下降。 如果将泵的出口阀完全 关闭，由于叶轮与机壳有 空隙，液体可在泵体内打 循环，此时排出量 Q =0， 压头 H达某一最高值，但不 等于 。 依据这一原理，可用出口阀的开度变化来控制泵的 出口流量。 当然在泵运转过程中，不宜长期关闭出口阀门。 因为此时液体在泵内打循环，其排量为零，泵所作的 功将转化为热能，使泵内液体发热升温。 2)管路特性 实际在做的工作点的位置 考虑管性一一管网中流体和管网中阻力的关系 : 管路两端静压差相应的

  3、压头 hp 将液体提升一定高度所需的压头 h1 管路摩擦损耗压头 hf 控制阀两端压头 hv 管路特性 : hp+h1+hf+hv 当流量系统达到稳定时，泵的特性曲线与管路特性曲线 的交点，就是离心泵的工作点。 2离心泵的控制方案 1) 改变转速的控制方案 改变泵的转速，从而改变 流量特殊性质曲线的形状，实现离心泵的调速，根据带动离 心泵的动力机械性能而定。 采用这种方案时，在液体输送管路上不需装设控制 阀，因此不存在 hv项的阻力损耗； 从泵的特性曲线本身来看，机械效率也较高。 不论是电动机或联接机构的调速，都很复杂。 多用于较大功率的情况。 2)改变管路特性的控制方案 常用的办法能够在泵出口

  4、管线上装一个控制阀 . 此方案控制阀应装在泵的出口管线上，不能装在吸入管线上。 ?-由于 hv存在，可使泵入口压头更 加下降，可能使液体部分气化，当气 化不断发生时，就会使压头降低，流 量下降，甚至液体送不出去。同时， 液体在汲入端气化后，到排出端受到 压缩而凝结，这部分空间有周围液体 以极高速度来补充，产生强烈的冲击 力，甚至严重到损坏叶轮和泵壳。 3) 改变旁路流量的控制方案 改变旁路流量，即用改变旁路阀开启程度的 方法来控制实际的排出量 但旁路通道的那部分液体，由泵所供给的能量完全消耗 于控制阀，因此总的机械效率较低。 二、往复泵的控制 往复泵及直接旋转泵它们均是正位移形式的容积泵， 是

  5、常见的流体输送设备，多用于流量较小、压头要求比较高 的场合。 往复泵提供的理论流量可按下式计算： Q 理论流量 , 单位 m 3/h； n 每分钟的往复次 数； F 汽缸的截面积，单位 m 2； S 活塞冲程，单 位 m。 从泵体角度来说，影响往复泵出口流量变化的仅有 n、 F、 S等三个参数，通过改变这三个参数来控制流量，泵 的排出流量几乎与压头无关，因此不能在出口管线上安 装控制阀控制流量，否则，一旦阀门关闭，泵容易损坏。 采用的流量控制方案有以下三种。 Q =60n FS （ m 3/h ） 1改变回流量 改变旁路控制阀的开度大小来改变回流量的大小，达到 稳定出口流量的目的。 这种利用旁路

  6、返回来控制流量，虽然消耗功率较大，但由 于控制方案简单所以应用较广。 2改变原动力机的转速 当原动力机用蒸汽机或汽轮机驱动，只要改变蒸汽量便 可控制转速，从而控制往复泵的出口流量。 如果泵是由电动机带动时，可直接对电动机进行调速， 或在电动机和泵的联接变速机构上来控制。 计量泵常用改变冲程来进行流量控制。冲程的调整可 在停泵时进行，也有可在运转状态下进行。 3 改变往复泵的冲程 三、离心式压缩机的防喘振控制 1离心式压缩机特性曲线与喘振 离心式压缩机的特性 曲线是指压缩机的出口压 力与入口压力之比与进口 体积流量之间的关系曲线， 其中压缩比是指绝对压力 之比。 其特性曲线随着转速 不同而上下

  7、移动，组成一 组特性曲线。 而且每一条特性曲线都有一个最高点，如把各条曲 线最高点连接起来得到一条表征产生喘振的极限曲线 图中虚线的左侧是不稳定区，称为喘振（或飞动）区，在 虚线的右侧则为正常运行区。 右图是一条在某一 固定转速 n下的特性曲 线。 QB是对应于最大 压缩比（ P2/P1） B情 况下的体积流量，它 是压缩机能否稳定操 作的分界点。 由于压缩机在继续运转，此时压缩机又开始向管网中 送气，流量增加，工作点由 c变到 D， D点对应流量 QD大于 QA,超过要求负荷量，系统压力被逼高，如压缩机工作点 不能在 A点稳定下来，就会不断地重复上述循环，使工作 点 由 A B C D A

  8、反复迅速地突变，好象工 作点在 飞动 ， 故对这种现象称作压缩机的飞动。习惯上 又称它为喘振。 当压缩机正常运行工作点 A， 由于某一些原因压缩机减低 负荷时 ， 即 QBQA， 于是压缩机的工作点将由 A至 B， 如果 负荷继续降低 ， 则压缩比将下降 ， 出口压力应减小 可是与压缩机相连接的管路中气体并不同时下降 ， 其 压力在这一瞬间不变 ， 这时管网中的压力反而大于压缩机 出口处压力 ， 气体就会从管网中倒流向压缩机 ， 一直到管 网中压力下降到低于压缩机出口压力为止 ， 工作点由 B下 降到 C。 喘振是一种危险现象。喘振是离心压缩机固有特性，每 一台都有它一定的喘振区。因此只能采取相

  9、应的防喘振控 制方案以防喘振的发生。 2防喘振控制方案 离心式压缩机产生喘振现象的根本原因是由于负荷降 低，排气量小于极限值而引起的，只要使压缩机的吸气量 大于或等于该工况下的极限排气量即可防止喘振。 工业生产上常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限 流量法两种。 1)固定极限流量控制方案 在压缩机及管网一定的条件下，设法使压缩机运行永 远高于某一固定流量，使压缩机避免进入喘振区运行。 取最大转速下的极限流量作为控制器的给定值， 正常操作时，旁路控制阀处于关闭的状态。 当减小负荷时，控制器 的测量值小于给定值，控制 器输出开始反向，而将旁路 阀打开，使压缩机的一部分 气体打循环，从而使控制器

  10、 的测量值增加，直至与给定 值相等。这样，防止喘振现 象的发生。 2)可变极限流量控制方案 由于不同的转速下，压缩机的喘振极限流量是不同的， 所以若按喘振极限曲线来控制压缩机，就可以使压缩机在任 何转速条件下都不可能会发生喘振 ,而且节约了能量。 这种控制方案 , 即是按某种计算 函数来计算极限值，将使压缩机 在不同的转速下，有不同的流量 , 其值均略大于该转速下的喘振极 限流量值，这种方案对大功率压 缩机，在生产负荷变化较多时， 能取得良好的经济效果。 第二节 传热设备的控制 一、换热器的控制（两侧无相变） 换热器自动控制的目的是保证换热器出口的工艺介质温 度恒定在给定值上。 若不考虑传热过程

  11、中的热损失，则热流体失去的热量应 等于冷流体获得的热量，可用下列热量平衡方程式： Q=G1C1（ T1o-T1i ） =G2C2（ T2i -T2o） Q 传热速率， J/S； G 质量流量， /h； C 流体的平均定压比热容， J/（ ）； T 温度， 。 式中的下标 1为冷流体， 2为载热体； i 为入口； o为出 口。 传热过程中传热的速率可按下式计算： Q=K Fm Tm 式中： K 传热系数， W/（ m2 ）或； W/（ m2 K） ; Fm 传热面积 , m2； Tm 平均温差 , 或 K。 与冷热流体出口、入口的温度有关。 控制换热器介质出口温度 ， 可通过改变换热 器的热负荷

  12、 ， 控制载热体的流量 G2, 控制载热体的流量大小就是改变 传热速率方程式中的传热系数 K及平均温差 Tm，这种方案是 工厂中最常用的一种控制方案。 常采用以下几种控制方案 。 1控制载热体流量 如果载热体压力不稳 ,可另设稳压控制管理系统，或者采 用温度对流量的串级控制管理系统，在这个串级系统中，温度 为主变量、流量为副变量。 2控制载热体旁路流量 当载热体是利用工艺介质回吸热量时，它的总流量是不 允许变动的，可以将载热体分路一部分，以控制冷流体的出 口温度 T2o。 分路通常能采用三通阀来达到。如三通阀装在入口处 则用分流阀，如三通阀装在出口处 ,则用合流阀。这样即可 以改变进入换热器的载热体

  13、流量，又能够保证载热体总流 量不受影响。这种方案在载热体为工艺主要介质时，极为 常见。 3将工艺介质分路 当工艺介质流量允许控制，而载热体流量不允许调整， 可考虑用介质的出口温度控制介质的入口流量的方案。 如果要使工艺介质流量和 载热体流量均不允许控制， 而且换热器传热面积有较大 裕量时，可将工艺介质一小 部分进行分路， 一部分经换热器，另一部 分旁路通过，然后两端混合 起来，如图所示，假若载热 体是利用回收热量系统，这 是很有成效的操控方法。 二、蒸汽加热器的控制 在蒸汽加热器 (steam heater)内蒸汽冷凝，由汽态变成液态 , 放出热量，传给工艺介质。在正常的情况下 , 用蒸汽作为载

  14、热 体。在低温时也可用乙烯、丙烯等烃类蒸气作载热体。 在传热过程中，介质获得的热量是 Q=G1c1（ T1o-Ti) 但在载热体方面，要起相的变化（气相变为液相）， 则载热体放出热量为 Q=G2 式中 为饱和蒸汽的比汽化焓， J/ ； 至于传热速率关系式仍为： Q=K Fm Tm 蒸汽加热器的被控变量是工艺介质的出口温度 T1o， 常用的操纵变量从以上内在关系出发有两种：一是将控制 阀装在蒸汽入口管线上，改变进入加热器的蒸汽流量 G；二 是将控制阀装在凝液出口管线上，改变冷凝有效面积。 1控制蒸汽的流量 介质出口温度为被 控变量，蒸汽流量 为操纵变量。 如果阀前蒸汽压力有波动 , 且变化较频繁

  15、，将影响 控制质量满足不了工艺技术要求时，可对总管进行压力控制， 或采用串级控制，既温度对阀后压力（或流量）的串级 控制，即采用以压力为副环的串级控制。 当负荷发生明显的变化如进料流量增加，蒸汽冷凝速度增加，引起 蒸汽加热器内压力降低即阀后压力降低，这样以阀后压力为 副变量比采用流量为副变量的控制及时。 2控制蒸汽加热器传热面积 当被加热的工艺介质出口温度较低，加热器的传热面 积裕量又较大时，这种控制蒸汽进入流量的方案就不宜采 用了。 能控制蒸汽加热器传热面积。该方案由于控制阀装 在凝液管路上，加热器内的压力基本上等于蒸汽源压力， 不会造成负压。 控制阀开度的变化，使冷凝液的排出量发生明显的变化，而 在冷凝

  16、液液面以下都是冷凝液，它在传热中不起相变， 其给热系数远较液面上的汽相冷凝给热小，所以冷凝液 液位的变化实质上等于传热面积的变化。 这种控制传热面积的方法，传热量的变化比较和缓， 可以有效的预防局部过热，这对热敏性介质有好处 但冷凝液流量至液位，是一个积分过程，因此控制起 来比较迟钝，而且必须要有较大的传热面积，以便有控 制余地。 三、低温冷却器的控制 以氨冷器为常见，下面以它为例介绍几种控制方案。 1控制冷剂的流量 2控制传热面积 3控制汽化压力 四、加热炉的控制 在生产的全部过程中有各式各样的加热炉，按工艺用途来分有 加热用的炉子及加热 -反应用的炉子两类。对于加热用炉子， 工艺介质受热升温或同时进行

  17、气化，其工艺介质温度的高 低，会直接影响后一工序的工况和产品质量，同时当炉子 温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦，而 烧坏炉管。加热炉平稳操作可以延长炉管常规使用的寿命 , 因此 加热炉出口温度必须严加控制。 影响加热炉出口温度的干扰因素有：工艺介质进料的流 量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的流量、压 力、成分 ,燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力， 烟囱抽力等等。 为了能够更好的保证炉出口温度稳定，加热炉主要控制管理系统以加热 炉出口温度为被控变量，燃料油（或气）的流量作为操作 变量， 1简单控制方案 2加热炉的串级控制方案 3加热炉的前馈 反馈控制方案 有时遇到生产负荷即进料流量、

  18、气温变化频繁 ,干扰幅 度又较大，且又属不可控。串级控制难于满足工艺指标要 求时，可采用前馈 -反馈控制管理系统，如图 728所示。前馈 控制是克服进料流量（或温度）的干扰作用，而反馈控制 克服其余干扰作用。 第四节 锅炉设备的控制 一、概述 3锅炉燃烧系统的控制 锅炉设备的主要控制管理系统有三个 。 1 锅炉汽包液位控制 2 蒸汽过热系统的控制 二、锅炉汽包液位的控制 锅炉汽包液位控制的目的是维持汽包中液位在工艺允 许范围内，以保证锅炉的安全运行。 前锅炉汽包水位控制常采用单冲量、双冲量及三冲量 等三种控制方案 1单冲量液位控制管理系统 适用于停滞时间较长，负荷变化小的小型低压锅炉（一 般为 10吨 /

  19、小时以下） 蒸汽负荷突然大幅 度增加时，由于汽包内 蒸汽压力瞬间下降，水 的沸腾加剧，汽泡量迅 速增加，形成汽包内液 位升高的现象。 这种升高的液位不 代表汽包内贮液量的 真实情况，所以称为 “ 假液位 ” 。 这时液位控制管理系统测量值升高，控制器把去错误地关 小给水控制阀，减少给水量，等到这种暂时的闪急汽化现 象一旦平稳下来，由于蒸汽量增加，送入水量反而减少， 将使水位严重下降，波动很厉害，严重时会使汽包水位降 到危险区内，甚至发生意外事故。 产生 “ 假液位 ” 主要是蒸汽负荷量的波动，如果把蒸 汽流量的信号引入控制管理系统，就可以克服这个主要干扰， 这样就构成了双冲量控制管理系统。 这是一个前馈 -反

  20、 馈控制管理系统。 蒸汽流量是前馈量。 借助于前馈的校正作用， 可避免蒸汽量波动所产生 的 “ 假液位 ” 而引起控制 阀误动作，改善了控制质 量，防止事故发生。 2 双冲量控制管理系统 双冲量控制管理系统的弱点是不能克服给水压力的干扰， 当给水压力变化时，会引起给水流量的变化。 一些大型锅炉则把给 水流量的信号亦引入 控制管理系统，以保持汽 包液位稳定。这样， 作用控制管理系统共有三 个参数的信号，故称 为三冲量控制管理系统。 3三冲量控制管理系统 属于前馈 串级控制管理系统。蒸汽流量作为前馈信号 , 汽包水位为主变量，给水流量为副变量。 三、过热蒸汽系统的控制 过热蒸汽系统的控制过热蒸汽系统的控制的目的是保持过 热器出口

  21、温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的 工作时候的温度。 蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、一级过热器。 过热蒸汽温度是锅炉汽水通道中温度最高的地方。过热 器正常运行时的温度一般接近材料所允许的最高温度。如 果过热蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，也会使汽轮机 内部过度膨胀，极度影响运行安全；过热蒸汽温度过低， 则设备效率降低。同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度 增加，引起叶片磨损。因此对过热器出口蒸汽温度应加以 控制，使它不超出规定的范围。 影响过热蒸汽温度的干扰因素很多，例如燃烧工况、蒸 汽流量、减温水的流量和温度、流经过热器的烟气温度和流 速等都会影响过热蒸汽温度。 采用以 减温器 出

  22、口温度为副变 量的串级控制 系统 双冲量控制管理系统，这种方案实质上是串级控制管理系统的变形。 四、锅炉燃烧系统的控制 锅炉燃烧系统的自动控制基本任务是使燃料燃烧 时产生的热量，适应蒸汽负荷的需要。 锅炉燃烧系统自动控制有三个主要作用： 3)维持炉膛负压不变，应该使排烟量与空 气量相配合。 1)维持锅炉出口蒸汽压力的稳定。当负荷受干 扰影响而变化时 ,通过控制燃料量使之稳定。 2)保持燃料量和空气量按一定配 比送入，即保持燃料燃烧良好。 基本控制方案 1.蒸汽压力控制 2.燃料与空气的比值控制 1）燃料与空气的单闭环比值控制 2）具有逻辑提量的比值控制 在比值控制管理系统中，有时负荷要经常需要提降，在提降

  23、 过程中，为确保生产的正常进行，希望两流量之比始终大于 （或小于）或等于所要求的比值，所以提出了逻辑提量问题。 在锅炉中当负荷增加蒸汽压力下降时，燃料量也要增加， 为了获得良好的燃烧效果，应先增加空气量，后增加燃料量； 反之负荷减小蒸汽压力上升时，应先减小燃料量，后减小 空气量； 即负荷提降过程中，比值控制管理系统的动作具有一定的逻辑 关系。 具有逻辑提量的比值控制方案 。 3）燃料与空气的变比值控制 3.炉膛负压控制 当锅炉负荷变化不大时，可采用炉膛压力为被控变量， 烟气量为操纵变量的简单控制管理系统。当锅炉负荷变化较大 时，应引入前馈，组成前馈 反馈控制管理系统 本章选择一些典型化工单元来说明设计控

  24、制方案的共同原则和方法。 本章小结 离心泵的流量控制常常采取改变泵的转 速、改变管路特性和改变旁路回流量改变 旁路回流量。 压气机的流量控制常常采取节流控制、 旁路控制和调速或对往复式压缩机改变冲 程等方法。 离心式压缩机控制主要是防喘振，防喘 振控制方案有两类：固定极限流量法和可 变极限流量法。 间壁式换热器换热器（两侧无相变）、 蒸汽加热器、低温冷却器等。换热器（两 侧无相变）常采用控制方案有控制载热体 流量、控制载热体旁路流量和将工艺介质 分路。 蒸汽加热器利用蒸汽冷凝给热的加热 器是最常用的一种换热设备，常采用控制 方案有控制蒸汽的流量、控制蒸汽加热器 传热面积。 低温冷却器作用是将物

  25、料冷却到较低 的温度，控制方案有控制冷剂的流量、控 制传热面积和控制汽化压力等。 加热常用的控制方案有简单控制方案、串级 控制方案和前馈 反馈控制方案。 锅炉是电力、石油化学工业生产中必不可少的重 要的动力设备，锅炉的控制方案有汽包水位控 制、锅炉燃烧系统的控制和过热蒸汽系统的控 制。 1离心泵的控制方案有几种？各有什么特点？ 控制阀能否安装在入口管线往复泵出口流量控制方案中，控制阀能否安 装在出口管线简述离心式压缩机固定极限防喘振方案？ 4两侧均无相变的换热器常采用哪几种控制方 案？各有什么特点？ 习题与思考题 5 蒸汽换热器常采用哪几种控制方案 ？ 各有什么特点 ？

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