第10章过程控制系统应用实例

过程控制系统与仪表 第10章
10.1.1 分馏原理
以A、B两种液体混合物的分馏为例，介绍分馏的 基本原理。在压力一定的情况下，A、B二种组分混合 溶液汽—液相温度—浓度曲线如图所示10.1 。
纯A的沸点是140℃，纯 B的沸点是175℃。两组分的 混合比变化时，混合溶液的 沸点也将随之变化，如图 10.1中液相曲线所示；图中 还标出了温度变化时，汽相 组分的变化曲线。
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当控制系统间关 联不严重时，可以通 过调节器参数整定， 使两个回路间的工作 频率相差大一些，减 弱两个回路的关联。 在控制系统间密切关 联，必须设计解耦环 节对两个控制系统进 行解耦。设计如图10.7 所示的两端产品成分 解耦控制方案。
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这个方案的设计思想是：回流量的变化只影响塔 顶组分，回流量对塔底组分的影响可通过解耦环节 N21(s)，使蒸汽阀门及时动作予以补偿；同样，蒸汽量 的变化只影响塔底组分，而它对塔顶组分的影响通过 另一个解耦环节N12(s)，使回流阀预先动作，予以补偿， 从而实现了两端产品质量的解耦控制。
2．进料成分ZF的变化 进料成分ZF是由上一道工序出料或原料情况决 定的。
3．进料温度TF和进料热焓QF的变化 一般情况下进料温度是比较稳定的，如果进料 温度TF变化较大，为了维持塔内的热量平衡和稳定 运行，在单相进料时采用进料温度控制可克服这种 干扰，然而在多相进料时，进料温度恒定并不能保 证其热焓值QF稳定。
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10.1.2 精馏塔的控制要求及主要干扰 10.1.2.1 精馏塔的控制要求 1．保证产品质量 2．保证平稳生产 3．满足约束条件 4．节能要求和经济性精馏塔的操作情况必须 从整个经济收益来衡量。
在精馏操作中，质量指标、产品回收率和能量 消耗均是主要控制的目标。其中质量指标是必要条 件，在优先保证质量指标的前提下，应使产品产量 尽量高一些，能量消耗尽可能低一些。
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辅助控制回路实现对塔底液位、回流罐液位、进料 流量等辅助参数和扰动因素的控制；当控制精度要求较 高或加热蒸汽压力、回流罐压力与液位波动较大时，可 以流量为副参数构成串级控制系统，以提高控制品质。 当改变塔顶回流量时，会影响塔顶产品组分和塔底产品 组分的变化。同理，当控制塔底的加热蒸汽流量时，将 引起塔内温度的变化，不但使塔底产品组分产生变化， 同时也将影响到塔顶产品的组分，显然，两个控制系统 之间存在着密切的关联。
锅炉的控制可划分为下面几个控制子系统： ①汽包水位控制系统 水位控制系统使锅炉给水量与锅炉的蒸发量相适应， 维持汽包中水位在工艺允许的范围内。 ②过热蒸汽温度控制系统 将过热器出口蒸汽温度控制在在所要求的范围之内， 并保证管壁温度不超过允许的温度上限。 ③燃烧控制系统 使燃料燃烧产生的热量适应锅炉负荷的需要；使燃 料量与空气量之间满足一定比例，以保证经济燃烧；使 引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压稳定。
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图10.4所示 串级温度控制系 统是常见的精馏 段温度控制方案。 其主回路是以精 馏段塔板温度为 被控参数，以回 流量QL作为控制 变量，QL同时也 是串级控制系统 的副参数。
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以提馏段温度(或精馏段温度)作为衡量质量指 标的间接被控参数，当分离的产品纯度较高时，塔 底(或塔顶温度)变化很小。为了及时、精确的检测 和控制产品质量，要求温度检测仪表有很高的测量 精度和灵敏度。若将温度传感器安装在塔底以上 （或塔顶以下）的灵敏塔板上，以灵敏板的温度作 为被控参数，可以取得满意的检测和控制效果。
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锅炉系统主要的被 控参数有: 汽包水位、 过热蒸汽压力、过热蒸 汽温度、炉膛负压、 燃—空配比；主要的控 制变量有: 锅炉给水、 燃料量、减温水流量、 送风量。这些被控参数 和控制变量之间相互影 响的关系相当复杂。
图10.8 锅炉工艺流程图
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水位控制的 任务是使给水量 与锅炉蒸发量相 适应，维持汽包 中水位在工艺规 定的范围内。汽 包水位控制也称 锅炉给水控制。
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10.2.1.1 汽包水位控制系统的被控参数与控制变量 选择
汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参 数。影响汽包水位变化的因素有给水量变化、蒸气流量 变化、燃料量变化、汽包压力变化等。
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辅助控制系统： 对塔底采出量QW和塔 顶馏出液QD，按物料 平衡关系设有回流罐 和塔底液位控制系统； 对F进行定值控制；为 维持塔内压力恒定， 在塔顶设置压力控制 系统；塔顶回流量QL 采用定值控制。
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提馏段温度控制系统具有如下特点： ①以提馏段温度作为间接质量指标，能较迅 速、直接地反映提馏段产品品质。在以塔底采出 液为主要产品，往往采用提馏段温度控制系统方 案。 ②当干扰首先进入提馏段时，例如在液相进 料时，由进料产生的干扰首先要引起提馏段和塔 底的参数变化，故用提馏段温度控制比较及时， 动态响应过程也比较迅速。
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精馏段温度控制系统的特点： ①用精馏段温度作为间接质量指标能较迅速、 直接地反映提馏段产品品质。 ②当干扰首先进入精馏段，如在汽相进料时， 进料产生的干扰首先引起精馏段和塔顶的参数变化， 故用精馏段温度控制比较及时，动态响应比较迅速。 ③串级控制系统的流量回路对回流罐液位与压 力、精馏塔内压力等干扰对回流量的影响有较强的 抑制，可实现被控参数的高精度控制。
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图10.5 精馏塔双温差控制系统流示意图
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在进料组分基本稳定的情况下，负荷变化引起 的塔内上升蒸汽流量变化会使塔板之间的压降变化， 而灵敏板与参照板之间压降变化又会引起参照板温 度与灵敏板温度之间温差变化。如果控制系统能够 使两个参照板与两个灵敏板之间的温差相等，就能 够消除负荷扰动的影响，达到质量控制的目的，这 就是双温差控制的依据。
在选择温差信号时，如果塔顶（塔底）采出 量为主要产品，可将一个检测点放在塔顶或其稍 下位置（塔底或其稍上位置），并将对应的塔板 称为参照板；另一个检测点放在灵敏板附近，即 浓度和温度变化较大的位置，然后取上述两测点 的温度差ΔT作为被控参数。
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温差控制虽可以克服由于塔内压力波动对塔 顶或塔底产品质量的影响，但是还存在一个问题， 就是当负荷变化时，上升蒸汽流量发生变化，引 起塔板间的压降变化。随着负荷增大，塔板间的 压降增大引起的温差也将增大，温差和组分之间 的对应关系就要变化。在这种情况下，可以采用 如图10.5所示的双温差控制系统，实现对高纯度 精馏产品的质量控制。下面分析双温差控制系统 的工作原理。
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10.1.3.2 精馏段参数控制 以塔顶采出液为主要产品时，往往以精馏段的 温度作为衡量质量的间接指标，可选精馏段某点温 度作为被控参数，以回流量QL作为控制变量组成单 回路控制系统，也可组成串级控制系统。
进料量、塔压、塔底采出量与塔顶馏出液的控 制方案与提馏段温控时相同；再沸器加热量应足够 大，且维持一定，使精馏塔在最大负荷时，能保证 塔底产品的质量指标稳定在一定范围内。
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10.1.2.2 精馏塔的干扰因素特性
图10.2表示精馏塔物料流程图。进料F从精馏塔 中段某一塔板上进入塔内，这块塔板就称为进料板。 进料板将精馏塔分为上下两段，进料板以上部分称 精馏段；进料板以下部分称提馏段。
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精馏塔运行过程中，影响其质量指标和平稳生 产的主要干扰有以下几种：
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4．再沸器加热剂输入热量的变化 当加热剂是蒸汽时，通过再沸器输入精馏塔的热 量扰动往往是由蒸汽压力变化所引起的。 5．冷却剂在冷凝器内吸收热量的变化 冷却剂吸收热量的变化主要是由冷却剂的压力或 温度变化引起的。冷却剂的温度一般变化较小，而流 量的变化大多是由压力波动的引起。 6．环境温度的变化
所谓灵敏板，是指出现扰动时，温度变化最大 的那块塔板。以灵敏板温度作为被控参数有利于提 高控制精度。
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10.1.3.3 精馏塔的温差控制及双温差控制 在产品纯度要求很高，塔顶、塔底产品的沸 点差别又不大、塔内压力存在波动时，常用温差 控制系统，采用温差作为衡量精馏产品质量指标 的间接参数，以提高控制质量，满足工艺要求。
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10.1 精馏塔过程控制系统
精馏是利用混合液中不同组分挥发温度的差异将 各组分分离的过程。精馏塔是精馏过程的关键设备， 是一个多参数的被控过程，不同工艺要求的精馏塔结 构不相同，工艺参数、变量之间存在多种组合，控制 方案繁多；另外，精馏工艺控制要求较高，控制相对 困难。只有对生产工艺进行深入分析，才能设计出合 理的控制系统。
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设原溶液中A占20％，B占80％，把A，B混合液加 热到164.5℃时，液体沸腾。这时，与液相共存的气相 成分比是A占45.8％，B占54.2％。
将这些气体单独冷凝后所形成的混合液体中，A为 45.8％，B为54.2％；如果再使混合液体沸腾，其沸点 为154.5℃。这时气态成分比又变成A占73.5％，B占 26.5％，这样反复进行上述操作，不断蒸发和冷 凝，……，最终就可以将A分离出来。
10.1.3.5 按产品成分或物性的精馏塔直接控制
利用成分分析仪表，直接检测产品成分作为被控 参数，用回流量（或再沸器加热量）作为控制变量， 组成成分控制系统，可实现按产品成分的直接控制。
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10.2 工业锅炉自动控制系统 锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、 热源动力设备。 按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅 炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。 按所提供蒸汽压力不同，又可分为常压锅炉、低压 锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力 锅炉、超临界压力锅炉等类型。 虽然不同类型的锅炉的燃料种类和工艺条件各不相 同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统的工作原理是基本 相同的。