2.4　典型化工單元的自控流程

2.4.1　流體輸送設備的自動控制

（1）離心泵的自動控制方案

離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數值上。流量控制在化工廠中是常見的，例如，進入化學反應器的原料量需要維持恒定，精餾塔的進料量或回流量需要維持恒定等。

離心泵的流量控制大體有控制泵出口閥開度、控制泵的轉速和控制泵的出口旁路三種方法。

①控制泵出口閥門開度　通過控制泵出口閥門開度來控制流量的方法如圖2-23所示。當干擾作用使被控變量（流量）發生變化偏離給定值時，控制器發出控制信號，閥門動作，控制結果將使流量回到給定值。

采用該方案時，要注意控制閥一般應該裝在泵的出口管線上，而不應該裝在泵的吸入管線上?？刂票贸隹陂y門開度的方案簡單可行，是應用最為廣泛的方案。但是，此方案總的機械效率較低，特別是控制閥開度較小時，閥上壓降較大，對于大功率的泵，損耗的功率就相當大，因此是不經濟的。

②控制泵的轉速　改變泵的轉速調節流量是指當泵的轉速改變時，泵的流量特性曲線發生了改變，從而達到調節流量的目的。

此方案節約能量，機械效率較高，但驅動機械及其調速設施投資較高，一般只適用于較大功率的機泵。

③控制泵的出口旁路　旁路調節是將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開度的方法來控制泵的實際排出量，如圖2-24所示。

（2）往復泵的自動控制方案

①改變原動機的轉速　這種方案適用于以蒸汽機或汽輪機作原動機的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉速，如圖2-25所示。當用電動機作原動機時，由于調速機構復雜，較少采用。

②改變旁路閥開度　如圖2-26所示，用改變旁路閥開度的方法來控制實際排出量。

③改變沖程　計量泵常用改變沖程來進行流量控制。沖程的調整可在停泵時進行，也有在運轉狀態下進行的。

往復泵的出口管道上不允許安裝控制閥，這是因為往復泵活塞往復一次，總有一定體積的流體排出，當在出口管線上節流時，壓頭會大幅度增加。改變出口管路阻力既達不到控制流量的目的，又極易破壞泵體。

（3）真空泵的自動控制方案

使用真空泵時，可采用吸入支管調節和吸入管阻力調節的方案來控制真空系統的真空度，如圖2-27所示。當用蒸汽噴射泵抽真空時，真空度還可用調節蒸汽量的方法來控制，如圖2-28所示。

（4）離心壓縮機的自動控制方案

離心壓縮機常用的流量調節方法有入口流量調節旁路閥，改變進口導向葉片的角度和改變壓縮機的轉速等。

改變轉速法是一種最為節能的方法。由于調節轉速有一定的限度，因此需要設置放空設施。壓縮機的進口壓力調節一般可采用在壓縮機進口前設置一緩沖罐，從出口端引出一部分介質返回緩沖罐以調節緩沖罐的壓力，如圖2-29所示。

2.4.2　傳熱設備的自動控制

在化工生產過程中，傳熱設備的種類很多，主要有換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝器和加熱爐等。由于傳熱的目的不同，被控變量也不完全一樣。在多數情況下，被控變量是溫度，本節僅討論溫度為被控變量時的各種控制方案。

（1）兩側均無相變化的換熱器控制方案

當換熱器兩側流體均無相變時，可以通過改變換熱器的熱負荷來保證工藝介質溫度在換熱器出口處恒定的給定值上?？刂品桨傅膶嵤┛刹捎谜{節載熱體的流量、調節載熱體旁路流量、調節被加熱流體自身流量及調節被加熱流體自身流量的旁路幾種方法來實現。

①控制載熱體流量　圖2-30是利用控制載熱體的流量來穩定被加熱介質出口溫度的控制方案。此方案適用于載熱體流量的變化對溫度影響敏感的場合。若載熱體的壓力不穩定，可另設穩壓系統，或者采用以溫度為主變量、流量為副變量的串級控制系統，如圖2-31所示。

②控制載熱體旁路　當載熱體是工藝流體，其流量不允許變動時，可采用圖2-32所示的控制方案。該方法采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量及其旁路流量的比例，這樣既可控制進入換熱器的載熱體流量，又可保證載熱體總流量不受影響。

③控制被加熱流體自身流量　如圖2-33所示，當工藝介質的流量允許變化時，可采用將控制閥安裝在被加熱流體進入換熱器管道上的控制方案。

④控制被加熱流體自身流量的旁路　當被加熱流體的總流量不允許變化，且換熱器的傳熱面積有余量時，可將一小部分被加熱流體由旁路直接流到出口處，使冷熱物料混合來控制溫度，如圖2-34所示。如果換熱器的被加熱介質流量較小時，采用此方案則不太經濟。

（2）載熱體進行冷凝的加熱器自動控制

利用蒸汽冷凝的加熱器，不同于兩側均無相變化的傳熱過程。蒸汽在整個冷凝過程中溫度保持不變，直到蒸汽將所有冷凝潛熱釋放完畢為止，若還需繼續換熱，凝液才進一步降溫。因此這種傳熱過程分兩段進行，先冷凝后降溫。當以被加熱介質的出口溫度為被控變量時，常采用控制進入的蒸汽流量和改變換熱器的有效傳熱面積的控制方案。

①控制蒸汽流量　當蒸汽壓力穩定時，常采用如圖2-35所示的控制方案。通過改變加熱蒸汽量來穩定被加熱介質的出口溫度。當閥前蒸汽壓力有波動時，可對蒸汽總管加設壓力控制，或者采用溫度與流量（或壓力）的串級控制。

此方案簡單易行，控制迅速，但需要較大的蒸汽閥門，傳熱量變化比較劇烈，影響均勻傳熱。

②控制換熱器的有效換熱面積　如圖2-36所示，將控制閥安裝在冷凝液管道上。如果被加熱物料溫度高于給定值，說明傳熱量過大，可將冷凝液控制閥關小，冷凝液就會積聚起來，減少了有效的蒸汽冷凝面積，使傳熱量減少，工藝介質出口溫度就會降低。反之，可開大冷凝液控制閥，增大傳熱面積，使傳熱量增大。

此方案調節通道長，控制比較遲鈍，且需要較大的傳熱面積裕量，但變化緩和，可防止局部過熱。

（3）冷卻劑進行汽化的冷卻器自動控制

當用水或空氣作為冷卻劑不能滿足冷卻溫度的要求時，需要用液氨、乙烯、丙烯等其他冷卻劑。這些液體冷卻劑在冷卻器中由液體汽化為氣體時帶走大量潛熱，從而使另一種物料得到冷卻。

以液氨為例，下面介紹幾種控制方案。

①控制冷卻劑的流量　如圖2-37所示，通過改變液氨的進入量來控制介質的出口溫度。但要注意，此方案不以液位為控制變量，液位過高會造成蒸發空間不足，引起氨壓縮機的操作事故。所以這種控制方案往往帶有上限液位報警，或采用溫度-液位自動選擇性控制。

②溫度與液位的串級控制　如圖2-38所示，被控變量仍然是液氨流量，但以液位作為副變量，以溫度作為主變量構成串級控制系統。這種方案可以限制液位的上限，保證足夠的蒸發空間。

③控制汽化壓力　由于氨的汽化溫度與壓力有關，所以可將控制閥裝在氣氨出口管道上，閥門開度改變時，引起氨冷器內的汽化壓力改變，相應的汽化溫度也改變了，如圖2-39所示。

2.4.3　精餾塔的自動控制

在精餾操作中，被控變量多，可選用的操縱變量也多，所以控制方案繁多。本節只選擇具有代表性的、常見的以壓力、溫度及進料量為控制變量的控制方案。

（1）塔頂壓力控制

①常壓精餾塔　對于精餾操作壓力恒定要求不高的情況，常壓精餾不需要壓力調節系統，僅需要在蒸餾設備上設置一個通大氣的管道來平衡壓力，使之維持在大氣壓力。

②真空精餾塔

a.改變不凝性氣體的抽吸量，如圖2-40所示。

b.改變旁路吸收空氣或惰性氣體量。在回流罐至真空泵的吸入管上，連接一根通大氣或某種惰性氣體旁路，并在該旁路上安裝一調節閥，通過改變經旁路管吸入的空氣量或惰性氣體量，即可控制塔的真空度，如圖2-41所示。

③加壓精餾塔

a.塔頂氣相餾出物不冷凝。該流程很少使用，壓力調節閥可設置在塔頂氣相管線上，如圖2-42所示。

b.塔頂餾出物部分冷凝。通常采用壓力調節器調節氣相餾出物，氣相流量變化對壓力影響敏感，效果較好，如圖2-43所示。

c.塔頂餾出物含微量不凝氣體。

ⅰ.調節冷卻水流量。調節冷卻水量以改變氣體在冷凝器中冷凝的速度從而調節塔壓，如圖2-44所示。該方案操作費用低，調節閥可不考慮介質腐蝕。但塔頂溫度過高時，可能使冷凝器水出口溫度過高而加速冷凝器的腐蝕和結垢。

ⅱ.熱氣體旁通法控制塔壓。如圖2-45所示，此法調節系統滯后小，調節閥尺寸小，便于維修，但冷卻水耗量大。

d.塔頂餾出物種含少量不凝性氣體。當塔頂氣相中不凝性氣體含量小于塔頂氣相總量的2％時，或在塔的操作中預計只在部分時間里產生不凝性氣體時，不能采用將不凝性氣體放空的方法控制塔壓。這樣會把未冷凝下來的產品排放掉。此時可采用如圖2-46所示的分程控制方案對塔壓進行控制。首先用冷卻水調節閥控制塔壓，若冷卻水閥全開塔壓還降不下來時，再打開放空閥，以維持塔壓的恒定。

e.餾出物中有較多不凝性氣體。當塔頂餾出物中含有不凝性氣體較多時，塔壓控制可以通過改變回流罐的氣相排放量來實現，如圖2-47所示。

該方案適用于進料流量、組分、塔釜加熱蒸汽壓力波動不大，且塔頂蒸氣經冷凝的阻力變化也不大的情況。

（2）精餾塔的溫度控制

①精餾段的溫度控制　如果采用以精餾段溫度作為衡量質量指標的間接變量，而以改變回流量作為控制手段的方案，稱為精餾段溫控。

如圖2-48所示是一種常見的精餾段溫度控制方案，其主要控制系統是以精餾段塔板溫度為被控變量，而以回流量為操縱變量。

精餾段溫控的主要特點及適用場合如下。

a.由于采用了精餾段溫度作為間接質量指標，因此，它能較直接地反映精餾段的產品情況，當塔頂產品純度要求比塔底嚴格時，宜采用精餾段溫控方案。

b.如果干擾首先進入精餾段，例如，氣相進料時，由于進料量的變化首先影響塔頂的成分，所以采用精餾段溫控就比較及時。

②提餾段的溫度控制　如果采用以提餾段溫度作為衡量質量指標的間接變量，而以改變加熱量作為控制手段的方案，稱為提餾段溫控。

圖2-49是最常見的一種提餾段溫控方案。這種方案控制系統是以提餾段塔板溫度為被控變量，加熱蒸汽量為操縱變量。

提餾段溫控的主要特點及適用場合如下。

a.由于采用了提餾段溫度作為間接質量指標，因此，它能較直接地反映提餾段產品情況；將提餾段溫度恒定后，能較好地保證塔底產品的質量，所以，在以塔底采出為主要產品，對塔釜成分要求比餾出液高時，常采用提餾段溫控方案。

b.當干擾首先進入提餾段時，例如，在液相進料時，進料量或進料成分的變化首先要影響塔底的成分，采用提餾段溫控比較及時，動態過程也比較快。

③精餾塔的溫差控制　以上兩種方案都是以溫度作為被控變量，這在一般的精餾塔中是可行的。但是在精密精餾時，產品純度要求很高，而且塔頂、塔底產品的沸點差又不大時，應當采用溫差控制，以進一步提高產品的質量。

如圖2-50所示是雙溫差控制系統圖，雙溫差控制是分別在精餾段與提餾段上選取溫差信號，然后將兩個溫差信號相減，作為控制器的測量信號。雙溫差法是一種控制精餾塔進料板附近的組成分布，使其產品質量合格的辦法。

（3）精餾塔的流量控制

精餾操作中進料量的波動直接影響分離效果，最終影響到產品的質量。然而進料量的波動是難以避免的，多數情況下精餾塔的處理量是由上一工序所決定，為了緩和上、下工序之間的沖突，上一工序可以采用液位均勻調節系統來出料，以使進塔流量的變動不至于過于劇烈。若塔的進料來自一個很大的中間儲槽或原料罐，可以設置流量定制調節系統來恒定進料流量。采用的調節方案可根據選用泵的類型決定。

回流量的調節可根據使用的泵的形式決定。采用重力回流時，調節方法如圖2-51所示。