化工生产安全运行及控制

现代工业生产过程，能量平衡接近于临界状态， 一个局部的扰动，就会在整个生产过程传播开 来，给安全生产带来威胁。
蝴蝶效应：一只蝴蝶在巴西扇动翅膀，可能在美国 得克萨斯州引起一场龙卷风。
在初始条件下的十分微小的变化，经过不断放大， 对事物未来会造成极其巨大的影响与后果。
1.1.3影响工业生产过程控制的因素
为了使一个工业生产过程或一个企业 良好、高 效地运行 ，都离不开对整个生产过程物料、能 源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目 的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及 时的检测和控制。
生产计划 、生产调度、安全稳定地生产与操作 等，都离不开 自动化技术 。
优化层 提供各种优 化 目标 或约束条件
④ 控制器 也称调节器。它将被控变量的设定值 与测量值进行比较得出偏差信号 ，并按一定规 律给出控制信号。
1.4生产过程分析
1.4.1间歇生产分析 间歇生产过程：将有限量的物质，按规定的加
工顺序，在一个或多个加工设备中加工，以获 得有限量的产品的加工过程。如需更多的产品 则必须重复整个过程。 间歇过程由多个分批操作的间歇设备单元和半 操作设备单元组成。
我们将整个化工生产中(包括冶金、轻工、制药 等)那些普遍采用的、遵循共同的操作原理，所 用设备相近，具有相同作用的一些基本的物理 性操作，称为“化工单元操作”。
单元操作特点
物理过程； 化工中共有操作，化工过程差别很大，但都由基本
单元操作组成； 某单元操作用于不同的化工过程，原理是相同的，
① 被控对象也称对象 ，是指被控制的生产设备 或装置。被控对象需要控制的变量称为被控变 量。
② 测量变送器 测量被控变量，并按一定的规律 将其转换为标准信号的输出，作为测量值。标 准信号的含义是其上下限符合规定系列:0~l0mA, 4~20mA, 0.02~0.1MPa等。
③ 执行器常用的是控制阀。接受控制器来的信 号 直接改变操纵变量,通过操作这个变量可克服 扰动对被控变量的影响，通常是由执行器控制 的某工艺流量。
先进控制与常规 控制关系
先进控制投资效益
1.3生产过程安全控制系统组成
简单控制系统是最基本、最常见、应用最广泛 的控制系统，约占控制回路的80%以上。
简单控制系统的特点是结构简单，易于实现， 适应性强。在简单控制系统的基础上 ，发展起 各种复杂控制系统 。
在工业过程计算机集成控制系统中，也往往把 它作 为最低层 的控制系统。
国外设计的现场总线控制系统已应用很广泛， 从单机设备到整个生产线的输送系统，全部采 用现场总线的控制方法。而国内的应用仍大多 集中中生产线的输送系统 。随着技术的不断发 展和观念的更新必然会逐步扩展其应用领域。
电动阀是由电机的正反转带动阀门开或关的
气动阀是用压缩空气开关的.
气动门又分气开和气关门: 气开门就是有压缩空气并且气源充足时门打开,无起源时门靠 弹簧关闭; 气关门是有压缩空气门被关闭,气源消失门打开.
化工生产安全运行及控制
1.1安全生产与运行操作
1.1.1工业生产过程操作 现代工业生产过程存在的安全操作与控制问题：
开车、停车 工艺流程及设备间切换 工艺运行中安全控制 间歇生产过程操作 生产负荷的改变 异常状态下的紧急处理
影响工业生产的安全因素：
原材料的组成变化 产品性能与规格的变化 生产过程中设备的安全可靠性 装置与装置、工厂与工厂之间的关联性 生产设备特性的漂移 控制系统失灵
氯 处 理
盐
化盐
搅拌、溶解、传热
浑
盐
水澄清精盐源自水电解悬浮液沉降分离
电解反应 2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH
阴 极 室
氢 NaOH 处 溶液
冷却过程 气液分离 传热过程
理 蒸发
化盐桶 加热器
澄清桶 过滤机
电解槽
换热器 离心机 蒸发器
Cl2 H2 烧碱液
虽然电解反应为核心过程，但大量的物理操作 占有很大比重。另外象传热过程，不仅在制碱 中，在制糖、制药、化肥中都需要，在传热过 程物料的化学性质不变，遵循热量传递规律， 通过热量交换的方式实现，所用设备均为换热 器，作用都是提高或降低物料温度，为一普遍 采用的操作方式。
面…… 测量原理基本不变，测量手段变化迅速
气动→电动 就地控制→中央控制室 仪表屏操作→计算机操作站 模拟信号→数字信号 ……
20世纪50年代：
电子管时代 多用气动控制，采用气动信号作为统一标准信号 电子管式的自动平衡记录仪 就地式控制
20世纪60年代：
晶体管取代电子管 开始用电动仪表 计算机在生产过程中应用，实现直接数字控制
继集散控制系统（DCS)后的新一代控制系统， 它是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术 的发展成果。
现场总线使得现场仪表、执行机构、控制室设 备之间构成网络互连系统，实现全数字化、双 向、多参数的数字通信，为控制系统的全分布 和全数字化运行奠定了基础。
在汽车行业，现场总线控制技术应用的非常普 遍，近两年国内新的汽车生产线和旧的生产线 的改造，大部分都采用了现场总线的控制技术。
（DDC-Directly Digital Comtrol)
122工业生产过程自动控制
20世纪70年代：
电动Ⅱ型仪表，统一标准信号：4~20mA 集散型控制系统（DCS-Distributed Control System)取
代DDC控制系统 可编程控制器广泛应用
20世纪80年代至今：
化工过程
用化工方法对原料进行加工处理成为产品的过 程称为化工过程。
化工过程分为两类：
一类是以化学反应为核心的化学反应过程，通常在 化学反应器中进行；
一类是不进行化学反应的过程，不改变物料的化学 性质，只改变其物理性质，这一类物理过程称为化 工单元操作。
过程步骤
操作方式
典型设备
水
杂质
阳 极 室
采用液位测量变送器LT检测液位值并转换为标 准信号 ，如4~20mA。
这一测量信号送往液位控制器 LC，控制器的设 定值由人工给定。控制器根据偏差的正负、大 小及变化情况，发出控制信号。
控制器的输出送往执行器，此处为控制阀，控 制阀根据控制信号变化增大或减小阀门的开度， 调节出水流量，使测量值接近或等于给定值。
这种控制系统最典型的是单回路 (单个参数的控 制)负反馈控制系统 (或叫反馈控制 回路)
如果外来 的扰动是可 以测量 的，则可组成 单回路的反馈 加前馈控制系统
先进控制是对那些不同于常规单回路 PID控制， 并具有比常规 PID控制更好控制效果的控制策略 的统称，而非专指某种计算机控制算法。
计算机广泛应用 DCS大量在工业控制中应用 工业生产过程自动化、工厂自动化 计算机集成制造技术（(CIMS-Contemporary
Integrated Manufacturing Systems) ) 现场总线控制技术发展
现场总线控制系统: （FCS:Fieldbus Control System)
特点:气动门的优点就是开关迅速.
原理:气动头里边活塞上下两个腔室,一个腔室是进气的,另一 个腔室里边是弹簧,如果上腔室是弹簧,那么下腔室就是进气 的这种就是失气关闭型, 燃油快关门如果下腔室是弹簧,那么 上腔室就是进气的这种就是失气开启型
气动蝶阀
气动法兰蝶阀
气动对夹式蝶阀
电动法兰蝶阀
1.2.2工业生产自动控制
间歇生产过程的特点：
周期性批量生产 物料状态和操作参数是动态的 柔性生产能力较强 工艺控制要求高 与连续过程相比具有生产能力低，能耗大的特点 间歇生产的投料、出料、混配、分离等作业单元往
往是暴露性的，给安全运行和作业条件带来许多不 利因素
1.4.2间歇生产过程安全控制分析 间歇生产过程控制：
所用设备往往是通用的。
单元操作分类
流体动力传递过程：如流体的输送、沉降、过滤、 离心分离。
热量传递过程：加热、冷却、蒸发。 质量传递过程：如蒸镏、吸收、萃取、膜分离等。 热力过程：如冷冻等。
为先进控制层提供优 化给定值 、优化控制
由计 算机(或 DCS)和有 关软件及控制算法等组成
轨迹或生产方案
由计 算机(或 DCS)和有
实 现 常规 控制 层 无
关软件及控制算法等组成
法 做 到 的多 变 量 控
制 由生产过程工艺参数的测量
用于自动监视和代替 人工自动控制工业生
变送仪表、仪器、自动执行 机构组成 。
从负反馈角度分析：测量的影响
一些生产过程的变量很难测定 技术的发展，使过去某些不可测变量变为可测变量 间接测量：利用可测变量与相关模型，计算不可测
量的变量
测不准原理：任何物体的一些成对的性质，比 如位置和动量，不可能对两者同时精密测定。
1.2工业过程自动化技术及安全控制
1.2.1自动化仪表技术的发展 需要测定的参数：温度、压力、流量、液
参数控制：涉及模拟信号的传输、变换和处理，其 控制思想和目的与连续过程控制相似
顺序控制：涉及数字开关信号的通讯和处理，其控 制目的主要是控制生产过程按配方规定的和状态有 序地完成生产过程
（1）顺序生产过程
流程图 过程时间图 顺序功能图
（2）控制系统构成
参数控制 顺序控制 协调、管理等控制
产过程 乙最基本 的
自动化设备
由有关 的生 产过程 工艺设
企业生产过程管理与控制的递阶结构备道
如容器 等组成
、泵
、机器
、管
常规控制： 所谓常规控制是指采用经典的 PID (比 例 十积分 十微分)控制算法或其他简单的控制算法， 使工业生产过程的被控变量，在遭受到外来扰动情 况下，稳定地维持在预先的给定值上。
自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发 展起来的
液位人工控制示意图
液位控制系统
液位 h是需要控制的 工艺变量，称为被控 变量。
Qo为操纵变量
进水量Qi是造成被控 变量产生不期望波动 的原因，称为扰动
①用眼睛观察液位计实际液位的指示值，并通 过神经系统告诉大脑;
② 通过大脑对眼睛观测到的实际液位值与事先 在大脑中储存好的希望值即给定值进行比较， 根据偏差的大小和方向，经过分析、思考，然 后根据操作经验发出命令;
③ 根据大脑发出的控制命令，通过手去改变出 水阀门开度，以改变 Q。来控制液位;
④ 反复执行上述操作 ，直到将液位控制到所希 望的数值上。
工艺控制流程图，它是用自控设计的文字符号和图形符号在工艺 流程图上描述生产过程 自动控制的原理 图。
图中，小圆圈表示某些 自动化仪表 ，圆内由两位以上字母 ，第 一位字母表示被测量变量，后继字母表示仪表的功能。
1.3.1温度控制系统
蒸汽加热器的温度自动控制系统:由蒸汽加热器、 温度变送器TT,温度控制器 TC和蒸汽流量控制阀 组成。控制的目标是保持流体出口温度恒定。
1.3.2流量控制系统
由管路系统、孔板和差压变送器、流量控制器FC和 流量控制阀组成。控制的目标是保持流量恒定。
简单控制系统组成