【正文】 流量總是等于塔頂汽相流量和塔頂采出量之差。回流變化時(shí)花費(fèi)的時(shí)間更多。這是因?yàn)榛亓髁吭黾訒r(shí)，必須先使塔板上的液相蓄存量增加，然后在增加的液體靜壓作用下，才使離開塔板的液相速度增加，因此時(shí)回流量變化的響應(yīng)存在著滯后。由于精餾塔是一個(gè)多變量、時(shí)變和非線性的對(duì)象，各變量之間又存在相互關(guān)聯(lián)，因此定量分析參數(shù)間動(dòng)態(tài)影響并且建立其數(shù)學(xué)模型是比較困難的，這里僅定性地從幾個(gè)側(cè)面分析塔的動(dòng)態(tài)影響。同樣，要使塔的操作工況改變，應(yīng)操作塔的回流比和再沸器上升蒸汽量，從而通過(guò)內(nèi)部平衡關(guān)系最終改變產(chǎn)品的純度。一般情況下，進(jìn)料量和進(jìn)料濃度是不可控制的。 塔頂和冷凝器的物料平衡關(guān)系為 rD V L??(721) 圖 精餾段的物料平衡關(guān)系 (3) 提餾段的物料平衡。改變氣液比必將使塔板上濃度發(fā)生變化。 (1) 加料板上的物料平衡為 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 石油蒸餾裝置中的檢測(cè)與控制 srF L V L V? ? ? ?(717) 對(duì)于其他情況下的進(jìn)料，則需依據(jù)熱量平衡關(guān)系作相應(yīng)的考慮。由于精餾過(guò)程的影響因素很多，這里只對(duì)如圖 餾塔在以下假設(shè)的前提下進(jìn)行討論。 D/F的改變將直接導(dǎo)致 XD和 XB的改變。精餾塔的靜態(tài)特性就反映了影響因素與精餾效果之間的定量關(guān)系；動(dòng)態(tài)特性則反映了精餾塔各參數(shù)變化時(shí)這些參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系以及對(duì)精餾過(guò)程的動(dòng)態(tài)影響。 3. 其他要求 為保證系統(tǒng)的正常平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)該盡可能在進(jìn)塔之前的主要可控干擾都抑制下來(lái)，還要緩和一些不可控的主要擾動(dòng)。 分析可知，產(chǎn)品純度越高，產(chǎn)品產(chǎn)量越大，則所消耗的能量越多。超過(guò)規(guī)格的產(chǎn)品并不能提高售價(jià)，反而會(huì)導(dǎo)致能耗的增大和產(chǎn)量的降低，對(duì)提高經(jīng)濟(jì)效益是不利的。所謂關(guān)鍵組分，是指對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響最大的組分。一般地，只要保證塔頂或塔底產(chǎn)品之一應(yīng)該保證達(dá)到規(guī)定的純度，而另一產(chǎn)品也應(yīng)保證在規(guī)定的范圍內(nèi)就可以了。 二、精餾過(guò)程的控制目標(biāo) 精餾塔控制的首要目標(biāo)就是要滿足產(chǎn)品質(zhì)量，即保證各種產(chǎn)品的純度；同時(shí)還應(yīng)該考慮生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益問題，要使總的收益最大或總的成本最小。進(jìn)入塔內(nèi)的混合液中的低沸點(diǎn)組分 (易揮發(fā)組分 )較易汽化而向塔頂流動(dòng)；高沸點(diǎn)組分 (難揮發(fā)組分 )則更多地以液體形態(tài)向塔底流動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中不斷地與塔內(nèi)上升蒸汽在各層塔板上充分接觸并且傳熱和傳質(zhì)。完成精餾過(guò)程的主要裝置叫做精餾塔，此外還有再沸器、冷凝器、回流罐和回流泵等輔助設(shè)備。為簡(jiǎn)便起見，本節(jié)所討論的精餾過(guò)程均以二元組分為對(duì)象。 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 石油蒸餾裝置中的檢測(cè)與控制 一、連續(xù)精餾的工藝流程和裝置 精餾過(guò)程是化工、煉油生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)，對(duì)精餾過(guò)程的控制質(zhì)量直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量和能量的消耗量，因此精餾過(guò)程的控制一直是受到高度重視的典型控制系統(tǒng)之一。由于目前大多數(shù)場(chǎng)合下測(cè)量蒸汽流量都是使用孔板式差壓流量計(jì)測(cè)體積，所以可以在孔板后再增加一個(gè)測(cè)量蒸汽密度的裝置，利用體積流量和蒸汽密度計(jì)算出蒸汽的質(zhì)量流量，將它作為前饋信號(hào)來(lái)使用。 系數(shù)設(shè)置：系數(shù) K1 通?？扇?1或稍小于 1； K2可按式 (711)取值；至于 的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。串級(jí)系統(tǒng)的主回路直接控制水位，用于抑制除負(fù)荷擾動(dòng)之外的其他擾動(dòng)；副回路是流量隨動(dòng)系統(tǒng)，與蒸汽流量的靜態(tài)前饋系統(tǒng)一起控制負(fù)荷擾動(dòng)。同時(shí)，負(fù)荷擾動(dòng)引起的水位變化速度比給水變化引起的水位變化速度要快得多，所以即使利用給水對(duì)符合擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，也會(huì)產(chǎn)生較大的水位波動(dòng)，因此必須對(duì)符合符合變化的幅度加以限制。 式 (74)提供了求取 K2的原理算式。圖 (a)中的加法器輸出是 圖 雙沖量控制系統(tǒng)原理圖與框圖 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 由框圖可知 ， 起著靜態(tài)前饋控制器的作用 ， 按前饋控制器設(shè)計(jì)原理 ， 有 0 1 C 2 S 0P K P K P C? ? ?(73) P D P D20M D v P H M D V P H()( ) ( ) ( ) sG s KKG s G s G s K K K?? ? ? ?(74) 因?yàn)?KPD一般為負(fù)、 KMD和 KPH均為正，所以 K2的符號(hào)取決于調(diào)節(jié)閥的符號(hào)。圖 (a)是雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖，圖 (b)是其框圖。 從圖中可以看出，這種方案也可視為一種前饋補(bǔ)償方案，補(bǔ)償器就是比值器。因此單沖量系統(tǒng)不能勝任對(duì)大中型鍋爐的控制 ， 水位得不到保證 。 對(duì)于部分小型鍋爐來(lái)說(shuō) ， 由于蒸發(fā)量少 ， 水在汽包內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng) ， 所以在蒸汽負(fù)荷變化時(shí) ， 假水位的現(xiàn)象并不顯著 ， 如果使用單沖量控制系統(tǒng)配用聯(lián)鎖報(bào)警裝置 ， 也能夠保證系統(tǒng)的安全性操作 ， 滿足生產(chǎn)的要求 。給水溫度會(huì)影響水面下的氣泡數(shù)量和體積；鍋爐排污則要排出汽包的部分陳水；吹灰時(shí)要使用鍋爐自身的蒸汽，這些都對(duì)是水位有影響，但都屬于短時(shí)間的擾動(dòng)，可以很快被抑制下來(lái)，無(wú)需做特殊處理。 圖 蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍響應(yīng)曲線 曲線的傳遞函數(shù)為 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 一般而言，純滯后時(shí)間 τ 與給水溫度相關(guān)，水溫越低，滯后時(shí)間越長(zhǎng)。因此實(shí)際的水位響應(yīng)曲線如圖中曲線所示，即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位并不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 1 2 22( ) ( )()( ) ( ) ( ) 1tH s H s KHsD s D s D s s T s?? ? ? ? ??(71) 假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，一般蒸發(fā)量為 100～300T/h的中高壓鍋爐在負(fù)荷突然變化 10%時(shí)，假水位可達(dá) 30mm～ 40mm。假設(shè)給水量沒有同時(shí)變化，如果按照常規(guī)的物料平衡原則來(lái)考慮，必然是物料流出量大于流入量，水位應(yīng)該隨之下降。之所以對(duì)它進(jìn)行大量的研究，不僅是由于它的重要性，還在于它的對(duì)象特性具有很強(qiáng)的特殊性，主要表現(xiàn)在其水位在外界擾動(dòng)作用下的變化過(guò)程與一般液位對(duì)象存在明顯區(qū)別，需要進(jìn)行特殊的分析。 圖 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 二、鍋爐汽包水位的檢測(cè)與控制 1. 汽包水位的控制要求 汽包是鍋爐的重要組成部分，其水位高低會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性。 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 假設(shè)其外部設(shè)備的用汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會(huì)引起汽包水位、蒸汽壓力和過(guò)熱蒸汽溫度等的變化；而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時(shí)還會(huì)影響到汽包水位、過(guò)熱蒸汽溫度、過(guò)?？諝夂蜖t膛負(fù)壓等參數(shù)；給水量的變化將直接影響汽包水位，同時(shí)還對(duì)蒸汽壓力、過(guò)熱蒸汽溫度等產(chǎn)生間接影響。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外，還分別經(jīng)過(guò)省煤器和空氣預(yù)熱器對(duì)鍋爐給水和燃燒用空氣進(jìn)行預(yù)熱，以充分利用熱能，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 返回總目錄 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 ?大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 ?石油蒸餾裝置中的檢測(cè)與控制 ?傳熱設(shè)備的控制 ?本 章 小 結(jié) ?思考題與習(xí)題 本章內(nèi)容 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 一、大中型工業(yè)鍋爐的工藝過(guò)程 常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖 。壓力為的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制供給負(fù)荷設(shè)備用。由圖可以看出，這些輸入輸出變量之間并非簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而是相互關(guān)聯(lián)的，具有一定的耦合特性，所以鍋爐設(shè)備是一個(gè)多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜被控對(duì)象。本節(jié)僅就其中汽包的液位檢測(cè)與控制作相應(yīng)的討論。 圖 鍋爐對(duì)象簡(jiǎn)圖 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 2. 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性 對(duì)汽包水位控制的研究已經(jīng)經(jīng)歷的很長(zhǎng)時(shí)間，逐漸形成了一套行之有效的控制方法。 1) 干擾通道的動(dòng)態(tài)特性 蒸汽負(fù)荷 (向外提供的蒸汽流量 )對(duì)水位的影響主要指在燃料量不變的前提下，蒸汽流量突然變化導(dǎo)致的水位變化情況。 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 式中， ξ t —— 曲線 H1的飛升速度； K2—— 曲線 H2的放大倍數(shù)； T2—— 曲線 H2的時(shí)間常數(shù)。對(duì)于常規(guī)單容無(wú)自衡對(duì)象而言，水位響應(yīng)曲線如圖 ；但由于給水溫度要大大低于比汽包內(nèi)飽和水的溫度，所以給水量增加后，汽包內(nèi)的水溫必然隨之下降，導(dǎo)致水中氣泡含量減少、體積下降，引起水位下降。從圖 ，在水位變化的初始階段水位不僅不會(huì)下降，反而先上升，過(guò)一段時(shí)間后才開始下降 (反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升 )。 3) 其他干擾因素的影響 除了上述兩個(gè)比較主要的影響之外，給水溫度變化、鍋爐排污、吹灰等過(guò)程也會(huì)對(duì)汽包水位造成影響。 這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng) 。 等到假水位消失后 ， 由于蒸汽量增加而送水量減少 ， 將使水位顯著下降 ， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)程度以致發(fā)生事故 。 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 圖 單沖量控制系統(tǒng) 圖 比值控制系統(tǒng) 當(dāng)對(duì)蒸汽流量的測(cè)量是直接測(cè)量質(zhì)量時(shí)，圖中的比值系數(shù)可以定為 1或稍大于 1，此時(shí)就可以滿足給水量跟隨蒸汽量變化的要求。該系統(tǒng)是在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當(dāng)引入了對(duì)蒸汽流量的監(jiān)視，起到對(duì)水位的補(bǔ)充校正作用，就可以大大減弱假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)作。這樣的設(shè)計(jì)思路不僅能削弱調(diào)節(jié)器的誤動(dòng)作，還能使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作及時(shí)、水位波動(dòng)減弱，起到改善控制品質(zhì)的作用。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機(jī)或汽輪機(jī)，那么為保護(hù)這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽僅用作加熱劑，為保護(hù)鍋爐采用氣關(guān)閥為宜。 假定蒸汽流量的測(cè)量變送為線性 (如孔板加開方器 )， 則 由物料平衡關(guān)系可以得到靜態(tài)補(bǔ)償關(guān)系 ， 即在蒸汽量負(fù)荷變化時(shí) ， 應(yīng)使 S m a x m inm a x m in ()DP Z ZDD?? ? ??(76) WD?? ? ?(77) 將式 (76)代入式 (77)得 m a x m inSm a x m inDDWP ZZ? ?? ? ? ? ?(78) 而由框圖 (b)知 S 2 VW P K K? ? ?(79) 由上述兩式可得 m a x m in2V m a x m in()K K Z Z? ?? ?(710) 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 需要說(shuō)明的是，蒸汽流量信號(hào)的引入只是削弱了由假水位現(xiàn)象引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)作，并沒有削弱假水位現(xiàn)象，假水位現(xiàn)象是大中型鍋爐汽包必然存在的物理過(guò)程，想要對(duì)它進(jìn)行限制或削弱是很困難的?？梢钥闯觯@是前饋與串級(jí)控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測(cè)與控制 圖 三沖量控制系統(tǒng) 圖 三沖量控制系統(tǒng)的連接圖和框圖 圖 。一般地，對(duì)蒸汽流量的檢測(cè)可以采用測(cè)體積或者測(cè)質(zhì)量?jī)煞N方式，從保持物料平衡的角度來(lái)看，采用測(cè)質(zhì)量的方法相對(duì)好一些。由于蒸汽流量的檢測(cè)精度對(duì)汽包水位的控制有著特殊意義，所以應(yīng)該在允許的情況下盡可能地提到蒸汽流量的檢測(cè)精度。由于多元組分精餾在一定情況下可以簡(jiǎn)化為二元組分精餾，所以一般以二元組分混合液作為模型討論精餾過(guò)程。在精餾過(guò)程中混合液在精餾裝置里反復(fù)地進(jìn)行部分汽化和部分冷凝，轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)期的多種產(chǎn)品。精餾塔在進(jìn)料板以上的部分稱為精餾段，進(jìn)料板以下部分稱為提餾段。 圖 連續(xù)精餾裝置的工藝流程 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 石油蒸餾裝置中的檢測(cè)與控制 精餾過(guò)程的產(chǎn)品是從混合液中分離出來(lái)的，無(wú)論精餾過(guò)程多么細(xì)致，其產(chǎn)品中不可避免地留有其他組分，所以各種產(chǎn)品的純度就成為精餾過(guò)程重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。 1. 質(zhì)量指標(biāo) 精餾的過(guò)程是非常復(fù)雜的，要做到它的所有產(chǎn)品純度都是完全滿足要求是相當(dāng)困難的。在多元組分精餾中，情況較復(fù)雜，一般僅控制關(guān)鍵組分。 第 7章 自動(dòng)化儀表應(yīng)用實(shí)例 石油蒸餾裝置中的檢測(cè)與控制 應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制應(yīng)該要求在剛好能滿足規(guī)定值即可，即處于“卡邊”生產(chǎn)狀態(tài)，完全沒有必要超出規(guī)定值。此外，塔的其他附屬設(shè)備及管線也要散失一部分熱量和冷量。如果保持純度不變，增加能耗可以提高產(chǎn)品產(chǎn)量，但只在初始階段有明顯效果，一旦當(dāng)能耗達(dá)到一定程度以后，產(chǎn)量的增加幅度就明顯下降。 第 7章 自動(dòng)