過程控制系統(tǒng)應用實例

1、過程控制系統(tǒng)應用實例第1頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.1 分餾原理以A、B兩種液體混合物的分餾為例，介紹分餾的基本原理。在壓力一定的情況下，A、B二種組分混合溶液汽液相溫度濃度曲線如圖所示10.1 。純A的沸點是140，純B的沸點是175。兩組分的混合比變化時，混合溶液的沸點也將隨之變化，如圖10.1中液相曲線所示；圖中還標出了溫度變化時，汽相組分的變化曲線。第2頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三設原溶液中A占20，B占80，把A，B混合液加熱到164.5時，液體沸騰。這時，與液相共存的氣相成分比是A占45.8，B占54.2。將這些

2、氣體單獨冷凝后所形成的混合液體中，A為45.8，B為54.2；如果再使混合液體沸騰，其沸點為154.5。這時氣態(tài)成分比又變成A占73.5，B占26.5，這樣反復進行上述操作，不斷蒸發(fā)和冷凝，最終就可以將A分離出來。第3頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.2.1 精餾塔的控制要求 1保證產品質量 2保證平穩(wěn)生產 3滿足約束條件 4節(jié)能要求和經濟性精餾塔的操作情況必須從整個經濟收益來衡量。在精餾操作中，質量指標、產品回收率和能量消耗均是主要控制的目標。其中質量指標是必要條件，在優(yōu)先保證質量指標的前提下，應使產品產量盡量高一些，能量消耗盡可能低一些。10.1.2 精餾

3、塔的控制要求及主要干擾第4頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.2.2 精餾塔的干擾因素特性圖10.2表示精餾塔物料流程圖。進料F從精餾塔中段某一塔板上進入塔內，這塊塔板就稱為進料板。進料板將精餾塔分為上下兩段，進料板以上部分稱精餾段；進料板以下部分稱提餾段。第5頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三精餾塔運行過程中，影響其質量指標和平穩(wěn)生產的主要干擾有以下幾種：1進料流量F的波動精餾塔進料量F往往是由上一道生產工序所決定，如果一定要使精餾塔進料量F恒定，就必須要設置中間貯槽進行緩沖。現(xiàn)在精餾工藝是盡可能減小或取消中間貯槽，采取在上一道工序設置

4、液位均勻控制系統(tǒng)控制出料流量，使精餾塔的進料流量F比較平穩(wěn)，避免F的劇烈變化。第6頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三2進料成分ZF的變化進料成分ZF是由上一道工序出料或原料情況決定的。3進料溫度TF和進料熱焓QF的變化一般情況下進料溫度是比較穩(wěn)定的，如果進料溫度TF變化較大，為了維持塔內的熱量平衡和穩(wěn)定運行，在單相進料時采用進料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進料時，進料溫度恒定并不能保證其熱焓值QF穩(wěn)定。第7頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三4再沸器加熱劑輸入熱量的變化當加熱劑是蒸汽時，通過再沸器輸入精餾塔的熱量擾動往往是由蒸汽壓力變化所引起

5、的。5冷卻劑在冷凝器內吸收熱量的變化冷卻劑吸收熱量的變化主要是由冷卻劑的壓力或溫度變化引起的。冷卻劑的溫度一般變化較小，而流量的變化大多是由壓力波動的引起。6環(huán)境溫度的變化第8頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.3 精餾塔控制方案不同精餾塔生產工藝、產品質量標準不一樣，對控制的要求各不相同，因而精溜塔控制方案較多。下面對常見的幾種方案進行分析。10.1.3.1 提餾段參數(shù)控制當塔底液為主要產品時，常采用提餾段溫度作為衡量質量的間接指標，這時可選提餾段某點溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸汽流量為控制變量。另外，液相進料時也常采用這類方案。第9頁，共56頁，2022

6、年，5月20日，18點37分，星期三輔助控制系統(tǒng)：對塔底采出量QW和塔頂餾出液QD，按物料平衡關系設有回流罐和塔底液位控制系統(tǒng)；對F進行定值控制；為維持塔內壓力恒定，在塔頂設置壓力控制系統(tǒng)；塔頂回流量QL采用定值控制。第10頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三提餾段溫度控制系統(tǒng)具有如下特點：以提餾段溫度作為間接質量指標，能較迅速、直接地反映提餾段產品品質。在以塔底采出液為主要產品，往往采用提餾段溫度控制系統(tǒng)方案。當干擾首先進入提餾段時，例如在液相進料時，由進料產生的干擾首先要引起提餾段和塔底的參數(shù)變化，故用提餾段溫度控制比較及時，動態(tài)響應過程也比較迅速。第11頁，共56頁

7、，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.3.2 精餾段參數(shù)控制以塔頂采出液為主要產品時，往往以精餾段的溫度作為衡量質量的間接指標，可選精餾段某點溫度作為被控參數(shù)，以回流量QL作為控制變量組成單回路控制系統(tǒng)，也可組成串級控制系統(tǒng)。進料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時相同；再沸器加熱量應足夠大，且維持一定，使精餾塔在最大負荷時，能保證塔底產品的質量指標穩(wěn)定在一定范圍內。第12頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三精餾段溫度控制系統(tǒng)的特點：用精餾段溫度作為間接質量指標能較迅速、直接地反映提餾段產品品質。當干擾首先進入精餾段，如在汽相進料時，

8、進料產生的干擾首先引起精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化，故用精餾段溫度控制比較及時，動態(tài)響應比較迅速。串級控制系統(tǒng)的流量回路對回流罐液位與壓力、精餾塔內壓力等干擾對回流量的影響有較強的抑制，可實現(xiàn)被控參數(shù)的高精度控制。第13頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三圖10.4所示串級溫度控制系統(tǒng)是常見的精餾段溫度控制方案。其主回路是以精餾段塔板溫度為被控參數(shù)，以回流量QL作為控制變量，QL同時也是串級控制系統(tǒng)的副參數(shù)。第14頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三以提餾段溫度(或精餾段溫度)作為衡量質量指標的間接被控參數(shù)，當分離的產品純度較高時，塔底(或塔頂溫度)變化很

9、小。為了及時、精確的檢測和控制產品質量，要求溫度檢測儀表有很高的測量精度和靈敏度。若將溫度傳感器安裝在塔底以上（或塔頂以下）的靈敏塔板上，以靈敏板的溫度作為被控參數(shù)，可以取得滿意的檢測和控制效果。所謂靈敏板，是指出現(xiàn)擾動時，溫度變化最大的那塊塔板。以靈敏板溫度作為被控參數(shù)有利于提高控制精度。第15頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.3.3 精餾塔的溫差控制及雙溫差控制在產品純度要求很高，塔頂、塔底產品的沸點差別又不大、塔內壓力存在波動時，常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產品質量指標的間接參數(shù)，以提高控制質量，滿足工藝要求。在選擇溫差信號時，如果塔頂（塔底）

10、采出量為主要產品，可將一個檢測點放在塔頂或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并將對應的塔板稱為參照板；另一個檢測點放在靈敏板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩測點的溫度差T作為被控參數(shù)。第16頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三溫差控制雖可以克服由于塔內壓力波動對塔頂或塔底產品質量的影響，但是還存在一個問題，就是當負荷變化時，上升蒸汽流量發(fā)生變化，引起塔板間的壓降變化。隨著負荷增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，溫差和組分之間的對應關系就要變化。在這種情況下，可以采用如圖10.5所示的雙溫差控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對高純度精餾產品的質量控制。下面分析雙溫差控制系統(tǒng)的

11、工作原理。第17頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三圖10.5 精餾塔雙溫差控制系統(tǒng)流示意圖第18頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三在進料組分基本穩(wěn)定的情況下，負荷變化引起的塔內上升蒸汽流量變化會使塔板之間的壓降變化，而靈敏板與參照板之間壓降變化又會引起參照板溫度與靈敏板溫度之間溫差變化。如果控制系統(tǒng)能夠使兩個參照板與兩個靈敏板之間的溫差相等，就能夠消除負荷擾動的影響，達到質量控制的目的，這就是雙溫差控制的依據(jù)。雙溫差控制也稱溫差差值控制。雙溫差控制就是分別在精餾段和提餾段上選擇溫差信號，然后將兩個溫差信號相減作為調節(jié)器測量信號。第19頁，共56頁

12、，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.1.3.4 塔頂與塔底兩端產品質量控制圖10.6所示為塔頂和塔底產品質量控制方案。以塔底溫度作為塔底產品間接質量指標，以塔頂溫度作為塔頂產品間接質量指標。通過回流量控制塔頂溫度；以塔底再沸器加熱蒸汽量控制塔底溫度，保證產品成分。第20頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三輔助控制回路實現(xiàn)對塔底液位、回流罐液位、進料流量等輔助參數(shù)和擾動因素的控制；當控制精度要求較高或加熱蒸汽壓力、回流罐壓力與液位波動較大時，可以流量為副參數(shù)構成串級控制系統(tǒng)，以提高控制品質。當改變塔頂回流量時，會影響塔頂產品組分和塔底產品組分的變化。同理，當

13、控制塔底的加熱蒸汽流量時，將引起塔內溫度的變化，不但使塔底產品組分產生變化，同時也將影響到塔頂產品的組分，顯然，兩個控制系統(tǒng)之間存在著密切的關聯(lián)。第21頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三當控制系統(tǒng)間關聯(lián)不嚴重時，可以通過調節(jié)器參數(shù)整定，使兩個回路間的工作頻率相差大一些，減弱兩個回路的關聯(lián)。在控制系統(tǒng)間密切關聯(lián)，必須設計解耦環(huán)節(jié)對兩個控制系統(tǒng)進行解耦。設計如圖10.7所示的兩端產品成分解耦控制方案。第22頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三這個方案的設計思想是：回流量的變化只影響塔頂組分，回流量對塔底組分的影響可通過解耦環(huán)節(jié)N21(s)，使蒸汽閥門及

14、時動作予以補償；同樣，蒸汽量的變化只影響塔底組分，而它對塔頂組分的影響通過另一個解耦環(huán)節(jié)N12(s)，使回流閥預先動作，予以補償，從而實現(xiàn)了兩端產品質量的解耦控制。10.1.3.5 按產品成分或物性的精餾塔直接控制利用成分分析儀表，直接檢測產品成分作為被控參數(shù)，用回流量（或再沸器加熱量）作為控制變量，組成成分控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)按產品成分的直接控制。第23頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2 工業(yè)鍋爐自動控制系統(tǒng)鍋爐是發(fā)電、煉油、化工等工業(yè)部門的重要能源、熱源動力設備。按所用燃料分類，有燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐，還有利用殘渣、殘油、釋放氣等為燃料的鍋爐。按所提供蒸

15、汽壓力不同，又可分為常壓鍋爐、低壓鍋爐、中壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界壓力鍋爐、超臨界壓力鍋爐等類型。雖然不同類型的鍋爐的燃料種類和工藝條件各不相同，但蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和蒸汽處理系統(tǒng)的工作原理是基本相同的。第24頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三圖10.8 鍋爐工藝流程圖鍋爐系統(tǒng)主要的被控參數(shù)有: 汽包水位、過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、燃空配比；主要的控制變量有: 鍋爐給水、燃料量、減溫水流量、送風量。這些被控參數(shù)和控制變量之間相互影響的關系相當復雜。第25頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三鍋爐的控制可劃分為下面幾個控制子系統(tǒng)：汽包

16、水位控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)使鍋爐給水量與鍋爐的蒸發(fā)量相適應，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)將過熱器出口蒸汽溫度控制在在所要求的范圍之內，并保證管壁溫度不超過允許的溫度上限。燃燒控制系統(tǒng)使燃料燃燒產生的熱量適應鍋爐負荷的需要；使燃料量與空氣量之間滿足一定比例，以保證經濟燃燒；使引風量與送風量相適應，以保持爐膛負壓穩(wěn)定。第26頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三水位控制的任務是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相適應，維持汽包中水位在工藝規(guī)定的范圍內。汽包水位控制也稱鍋爐給水控制。第27頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2.1.1 汽包水

17、位控制系統(tǒng)的被控參數(shù)與控制變量選擇汽包水位控制系統(tǒng)可直接選擇汽包水位作為被控參數(shù)。影響汽包水位變化的因素有給水量變化、蒸氣流量變化、燃料量變化、汽包壓力變化等。汽包壓力變化通過汽包壓力升高時的“自凝結”和壓力降低時的“自蒸發(fā)”過程影響水位。燃料量的變化要經過燃燒系統(tǒng)變成熱量后，才能為水吸收，繼而影響汽化量并改變水位。因此燃料量也不能作為汽包水位的控制變量。只有鍋爐給水量可作為汽包水位的控制變量。第28頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2.1.2 汽包水位動態(tài)特性1.蒸氣流量對汽包水位的影響在其它條件不變的情況下，蒸氣流量突然增加，會使汽包的物料平衡發(fā)生變化，汽包瞬

18、時流出水量大于流入量，汽包存水量減少。圖10.10中的H1(t)表示將汽包當作非自衡單容對象看待時，汽包水位對蒸汽流量的階躍響應曲線。第29頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三汽包內部的水、汽變化過程，壓力下降而非水量增加（水量實際上在減少）導致汽包水位上升的現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。由于汽包壓力下降，導致汽包液位上升對應的虛假水位階躍響應曲線如圖10.10中的H2(t)所示。在蒸汽流量增加（D）時，水位變化的實際階躍響應曲線應如圖10.10中的H(t)所示。由于虛假水位現(xiàn)象，在開始階段水位先上升下降。蒸汽流量D突然增加時，實際水位的變化H(t) 為H1(t)與H2(t)

19、的疊加，即第30頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三H(t)H1(t)十H2(t) （10.1）用傳遞函數(shù)來描述可以表示 （10.2）式中，f為蒸汽流量作用下，階躍響應曲線的斜率（工程上也稱飛升速度）；K2、T2分別為只考慮水面下汽泡體積變化所引起的水位變化H2(t)的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。虛假水位變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關。對于這種假水位現(xiàn)象，在設計方案時必須特別注意第31頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三2給水流量對水位的影響在給水流量增加時，水位階躍響應曲線如圖10.11中H(t)所示。如果把汽泡水位對給水的響應看作無自衡單容過程，汽

20、包水位的階躍響應曲線如圖10.11中H1(t)所示。水中汽泡總體積減小導致水位變化的階躍響應曲線如圖10.11中H2(t)所示。實際水位變化H (t)是H1(t)與H2(t)的疊加，即圖10.11 汽包水位響應曲線第32頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三H(t)H1(t)十H2(t) （10.3）用傳遞函數(shù)來描述可以表示為用一階模型近似時，可表示為：式中，0為給水流量作用下，階躍響應曲線的斜率；為純滯后時間。給水溫度越低，純滯后時間越大。一般約在15100 s之間。第33頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2.1.3 汽包水位控制系統(tǒng) 幾種基

21、本結構1單沖量汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可以可構成圖構成圖10.12的單回路水位控制系統(tǒng)，工程上也稱為單沖量控制系統(tǒng)，圖10.13為單沖量控制系統(tǒng)框圖。設定值汽包水位干擾f 控制器 變送器調節(jié)閥汽包水位+e實測值第34頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三2雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位的主要干擾是蒸汽流量變化。利用蒸汽流量變化信號對給水量進行補償控制這種思路設計的雙沖量液位控制系統(tǒng)。調節(jié)閥蒸汽流量變送器蒸汽流量汽包水位汽包水位變送器調節(jié)器設定值第35頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三圖10.14中的加法器將調節(jié)器的輸出

22、信號和蒸汽流量變送器的信號求和以后，控制給水調節(jié)閥的開度，調整給水量。加法器的具體運算功能如下：U =u+c1u1+c0 （10.5）中，式中，u為調節(jié)器的輸出值，u1為蒸汽流量變送器輸出的蒸汽流量值；c0為初始偏置，c1為加法器的系數(shù)；U為加法器輸出值第36頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三3. 三沖量汽包水位控制系統(tǒng)在雙沖量水位控制系統(tǒng)的基礎上，將給水流量信號作為副參數(shù)，構成如圖10.16所示的三沖量水位控制系統(tǒng)，對應的控制系統(tǒng)框圖如圖10.17所示。汽包水位是主參數(shù)，也稱主沖量。給水流量為副參數(shù)，蒸汽流量是前饋補償?shù)闹饕獢_動，給水流量與蒸汽流量也稱為輔助沖量，從圖

23、10.17可以看出，這是一個前饋饋串級復合控制系統(tǒng)第37頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三圖10.17 三沖量液位控制系統(tǒng)框圖單級三沖量水位控制系統(tǒng)只有一臺調節(jié)器和一臺加法器。加法器可接在調節(jié)器之前，如圖10.18（a）所示，也可接在調節(jié)器之后，如圖10.18（b）所示（二圖中的加法器正負號是采用氣關式調節(jié)閥及正作用調節(jié)器的情況）。第38頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三給水流量蒸汽流量蒸汽流量給水流量汽包水位汽包水位第39頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2.2 鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)鍋爐出口的過熱蒸氣氣溫度是蒸氣重

24、要的質量指標，直接關系到設備的安全和系統(tǒng)的生產效率。鍋爐水氣系統(tǒng)流程示意圖如圖10.19所示。蒸氣溫度控制系統(tǒng)可直接選擇過熱蒸氣溫度作為被控參數(shù)。影響熱蒸氣出口溫度的擾動因素主要有蒸氣流量因素D、煙氣熱量QH、減溫水流量QW第40頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三選擇減溫水流量QW作為蒸氣溫度控制系統(tǒng)的控制變量。減溫水出現(xiàn)階躍擾動（QW)時，過熱蒸氣氣溫度的響應曲線如圖10.20（b）所示，其傳遞函數(shù)可用一階慣性加滯后的形式近似：第41頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三當減溫水出現(xiàn)階躍擾動時，過熱器入口溫度2的響應曲線如圖10.20（c）所示，如

25、果用一階慣性加滯后近似其傳遞函數(shù)：用能較快地反映擾動和調節(jié)作用的過熱器入口溫度2作為副（控）參數(shù)，構成如圖10.21所示的串級控制系統(tǒng)，則控制品質可大為改善，串級控制系統(tǒng)框圖見圖10.22所示。第42頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三主調節(jié)器調節(jié)閥減溫器過熱器主變送器副變送器副調節(jié)器 過熱蒸氣溫度副變量給定Qw第43頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三雙信號蒸汽溫度控制系統(tǒng)如圖10.23所示，其系統(tǒng)框圖如圖10.24所示。調節(jié)閥減溫器過熱器變送器變送器調節(jié)器 過熱蒸氣溫度給定Qw微分器器第44頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期

26、三10.2.3 鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)燃燒過程的自動控制系統(tǒng)要完成以下任務：保持鍋爐輸出蒸汽壓力穩(wěn)定調節(jié)送風量F與燃料量M的比例，保證燃燒的經濟性保持鍋爐爐膛負壓穩(wěn)定鍋爐燃燒過程控制三個調節(jié)系統(tǒng)的被控參數(shù)：鍋爐蒸汽壓力PM、過剩空氣系數(shù)、爐膛負壓Pf分別對應三個控制變量：燃料量M、送風量F、排煙量Y，燃燒控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出控制系統(tǒng)。第45頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三10.2.3.1 蒸氣壓力PM的動態(tài)特性與燃料控制系統(tǒng)當鍋爐燃料熱量（燃料量或燃料發(fā)熱量）增加時，爐膛熱量增加，汽包壓力增大，使蒸氣流量D增加，進而使蒸氣壓力PM增大，最后達到新的平衡。在燃料熱量擾動u的作用下，蒸氣流量D和蒸氣壓力PM的階躍響應如圖10.25（a）、（b）所示。第46頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三從圖10.25（b）可以看出，在其它條件不變時，蒸氣壓力變化反映了鍋爐燃料熱量的變化。反過來，通過改變燃料熱量就可以控制蒸氣壓力PM。從蒸氣壓力的響應曲線可以看出，其動態(tài)特性近似為單容過程。第47頁，共56頁，2022年，5月20日，18點37分，星期三為了保持燃燒的經濟性，常采用在兩個單回路控制系統(tǒng)的基礎上增加選擇控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)燃燒過程交叉限幅協(xié)調控制方案，控制系統(tǒng)框圖