过程控制与自动化仪表典型过程控制系统设计课件

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1、 第第1010章章 典型生产过程控制典型生产过程控制 与工程设计与工程设计过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 本章要点本章要点1 1）了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的控制方案；控制方案；2 2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；3 3）了解精馏塔的控制任务了解精馏塔的控制任务, , 熟悉各变量之间的熟悉各变量之间的关系；关系；4 4）掌握精馏过程控制系统的设计方法；掌握精馏过程控制系统的设计方法；5 5）了解工程设计的基本要求与基本内容；了解工程设计的基本要求与基本内容；6 6）了解项目报告、施工图的设计

2、方法以及抗干了解项目报告、施工图的设计方法以及抗干扰问题的解决方案。扰问题的解决方案。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.1典型生产过程控制典型生产过程控制10.1.110.1.110.1.110.1.1电厂锅炉的过程控制电厂锅炉的过程控制电厂锅炉的过程控制电厂锅炉的过程控制一、火力发电厂的生产流程一、火力发电厂的生产流程一、火力发电厂的生产流程一、火力发电厂的生产流程火力发电厂外观火力发电厂外观 在火力发电厂，最基本的工艺在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。运转，进而带动发电机发电。 汽轮发电机组汽轮发电

3、机组 锅炉控制是火力发电生产过程自锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。纯度）的蒸汽。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。）二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。）二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。）二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。） 重点以重点以锅炉汽包水位控锅炉汽包水位控制制、过热蒸汽温度控制过热蒸汽温度控制、锅锅炉燃烧控制炉燃烧控制

4、为例讨论它们的为例讨论它们的控制方案。控制方案。1 1汽轮机高压缸；汽轮机高压缸；2 2汽轮机中、低压汽轮机中、低压缸；缸；3 3汽包；汽包；4 4炉膛；炉膛；5 5烟道；烟道；6 6发电机；发电机；7 7冷凝冷凝器；器；8 8补充水；补充水；9 9凝结水泵；凝结水泵；1010循环水泵；循环水泵；1111低低压加热器；压加热器；1212除除氧器；氧器；1313给水泵；给水泵；1414高压加热器；高压加热器；1515给水调节机构；给水调节机构；1616省媒器；省媒器；1717过热器；过热器；1818减温减温器；器；1919汽机高压调汽门；汽机高压调汽门；2020再热器；再热器；2121再热器减再

5、热器减温器；温器；2222汽机中压调汽门；汽机中压调汽门；2323媒粉仓；媒粉仓；2424燃燃料量控制机构；料量控制机构；2525喷燃器；喷燃器；2626送风机；送风机；2727空空气预热器；气预热器；2828调风门；调风门；2929水冷壁管；水冷壁管；3030引风引风机；机；3131烟道挡板烟道挡板。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.1.1.1 10.1.1.1 10.1.1.1 10.1.1.1 汽包水位控制汽包水位控制汽包水位控制汽包水位控制1.1.汽包水位控制的重要性汽包水位控制的重要性 将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围

6、内，是锅炉运行的主要指标主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件必要条件。 2.2.汽包水位汽包水位的的控制方案控制方案 一种可行的控制方案是一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈反馈串级控制系统。的三冲量前馈反馈串级控制系统。 采用这种控制方案的理由分析如下：采用这种控制方案的理由分析如下： （1）单冲量水位控制方案）单冲量水位控制方案 以以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构

7、成的单回路控制系构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差（水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。虚假水位问题。）。）。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计（2）双冲量水位控制方案）双冲量水位控制方案 如果根据蒸汽流量的变化来校正如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位虚假水位的误动作，就能使调节阀动的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流将蒸汽流量作为前馈

8、信号量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。，就构成了双冲量控制系统。 图图101 双冲量控制系统流程图及方框图双冲量控制系统流程图及方框图过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计显而易见显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。成三冲量串级控制系统。 （3） 三冲量串级控制方案三冲量串级控制方案 该控制系统由主、副两个调节器和三该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（个冲

9、量（汽包水位、蒸汽流量、给水汽包水位、蒸汽流量、给水流量流量）构成。其中，主调节器为水位）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。蒸汽流量为前馈信号。图图10102 2 汽包水位三冲量串级控制系统流程图汽包水位三冲量串级控制系统流程图三冲量前馈反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.1.1.210.1.1.210.1.1.210.1.1.2过热蒸汽温度控制过热蒸汽温度控制过热蒸汽温

10、度控制过热蒸汽温度控制1控制要求与过程特性控制要求与过程特性 过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在55的范围内。的范围内。 过热蒸汽温度控制系统的过热蒸汽温度控制系统的控制任务控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内。是使过热器出口温度维持在允许范围内。 影响过热蒸汽温度的影响过热蒸汽温度的外界因外界因素素很多，例如蒸汽流量、减温很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。各种阶跃干扰对蒸汽的温度。各种阶跃干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应

11、曲线过热蒸汽温度的阶跃响应曲线如左图所示。如左图所示。 图图10103 3 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线 由左图可知，在各种阶跃干由左图可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有扰作用下，其动态特性都有时时延延和和惯性惯性，只是时延和惯性的，只是时延和惯性的大小不同而已。大小不同而已。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2控制变量的选择与控制方案的确定控制变量的选择与控制方案的确定 由于由于蒸汽流量蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量； 若采用若采用烟气烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅

12、炉的结构复杂，给设计制侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；造带来困难，也不宜作为控制变量； 若采用若采用减温水流量减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；在工艺上，锅在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。 针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要针对上述存在的问题，如果设计简

13、单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。 一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计图图104 过热蒸汽温度串级控制过热蒸汽温度串级控制该控制系统是将减温器后的汽温信号该控制系统是将减温器后的汽温信号烟道气）而偏离给定值时，主汽温信烟道气）而偏离给定值时，主汽温信 经测量、变送反馈至主调节器，经测量、变送反馈至主调节器， 器随之动作，控制调节阀器随之动作，控制调节阀, ,从而使主汽从而使主汽作为

14、副被控参数构成副回路，当减作为副被控参数构成副回路，当减温水自身出现波动时温水自身出现波动时， 比主汽温比主汽温 能提前感受到它的影响，并使副调节能提前感受到它的影响，并使副调节器及时动作，使减温水的干扰能够及器及时动作，使减温水的干扰能够及时动作，使减温水的干扰能够及时得时动作，使减温水的干扰能够及时得到克服。当主汽温因受其它干扰到克服。当主汽温因受其它干扰( (如如号号 使主调节器发出控制指令改变副调节使主调节器发出控制指令改变副调节温控制在允许的范围之内，使控制质温控制在允许的范围之内，使控制质量得到保证。量得到保证。为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈为进一

15、步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈反馈串级控制系统。反馈串级控制系统。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.1.1.3 10.1.1.3 10.1.1.3 10.1.1.3 锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制1锅炉燃烧过程的控制任务锅炉燃烧过程的控制任务 锅炉燃烧过程的锅炉燃烧过程的控制任务控制任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要，是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：同时还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：使锅炉出口蒸使锅炉出口蒸汽压力保持

16、稳定；汽压力保持稳定；保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；使炉膛使炉膛负压保持恒定；负压保持恒定；确保燃烧过程的安全性等。确保燃烧过程的安全性等。 有三个可供选择的调节量，即有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量燃料量、送风量和引风量。 该控制系统的该控制系统的设计原则设计原则是：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和是：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料量和送风量成引风量应同时协调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料量和送风量成一定比例、还要使炉膛负压保持一定的效果；当生产负荷相

17、对稳定时，应保一定比例、还要使炉膛负压保持一定的效果；当生产负荷相对稳定时，应保持燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅速消除外界干扰对它们各自持燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅速消除外界干扰对它们各自的影响的影响 。 此外，为确保设备与人身安全，对因燃料的流速过快而导致烧嘴背压过此外，为确保设备与人身安全，对因燃料的流速过快而导致烧嘴背压过高产生的高产生的 “ “脱火脱火”现象、或因烧嘴背压过低产生的现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火回火”现象，都应设现象，都应设计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生 。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系

18、统设计2蒸汽压力控制方案蒸汽压力控制方案 影响蒸汽压力的外界因素主要是影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的变化蒸汽负荷的变化与与燃料量的波动燃料量的波动。 当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用调节燃料量调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案；以控制蒸汽压力的简单控制方案； 而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用燃料燃料量量/ /空气量空气量对蒸汽压力的串级对蒸汽压力的串级/ /比值控制方案。比值控制方案。 图图10105 5所示

19、为燃烧过程的两种基本控制方案。所示为燃烧过程的两种基本控制方案。 在串级在串级/ /比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主动量，它与空气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使燃料量与空主动量，它与空气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使燃料量与空气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计图图10105 5 燃烧过程基本控制方案燃烧过程基本控制方案 图图10105 a5 a）所示的基本控制方案所示的基本控制方案是将蒸汽压力调节器是将蒸汽压力调节器

20、PCPC作为串级作为串级控制的主调节器，其输出同时作控制的主调节器，其输出同时作为燃料流量调节器和空气流量调为燃料流量调节器和空气流量调节器节器FCFC的设定值，燃料流量调节的设定值，燃料流量调节器和空气流量调节器则构成各自器和空气流量调节器则构成各自的副回路用以迅速克服它们自身的副回路用以迅速克服它们自身的干扰。的干扰。 图图10105 b5 b）所示的基本控制方案是将所示的基本控制方案是将蒸汽压力与燃料流量构成串级控制，蒸汽压力与燃料流量构成串级控制，而送风量则随燃料量变化而变化，从而送风量则随燃料量变化而变化，从而构成比值控制，这样可以确保燃料而构成比值控制，这样可以确保燃料量与送风量的

21、比例，但该控制方案的量与送风量的比例，但该控制方案的缺点是，当负荷发生变化时，送风量缺点是，当负荷发生变化时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化，导的变化必然落后于燃料量的变化，导致燃烧不充分。致燃烧不充分。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计图图10106 6所示的燃烧过程的改进型控制方案。所示的燃烧过程的改进型控制方案。 该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器 LS LS先减少燃料先减少燃料量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选择器量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选

22、择器 HS HS先先加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。 图图10106 6 燃烧过程的改进型控制方案燃烧过程的改进型控制方案 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计3燃烧过程的最优化控制方案燃烧过程的最优化控制方案 假如理论上所需的空气量用假如理论上所需的空气量用 表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气 往往要大于往往要大于 ,存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，对于液体燃料，最优过剩

23、空气量约为一个最优值，对于液体燃料，最优过剩空气量约为1010左右。液体燃料的过剩左右。液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图如图空气量与能量损失的关系图如图10107 7所示。所示。 量量图图10107 7 液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计过剩空气量常用过剩空气率过剩空气量常用过剩空气率 来表示来表示， 为实际空气量和理论空气量之比，为实际空气量和理论空气量之比， 一般情况下，一般情况下， 。由此可知，由此可知， 是衡量经济燃烧的一种是衡量经济燃烧的一种直接指标直接指标。但由于。但由于 很难直接测量，因而

24、可用很难直接测量，因而可用 与烟气中含氧量 存在的近似关系，计算出 的最优值，即 例如，当例如，当 的最优值为的最优值为1.081.081.151.15时，可得时，可得 的最优值为的最优值为1.6%1.6%2.9%2.9%。因此，烟气中的含氧量因此，烟气中的含氧量 可作为一种衡量经济燃烧的可作为一种衡量经济燃烧的间接指标间接指标。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计在该控制系统中，只在该控制系统中，只要把含氧量成分控制要把含氧量成分控制器的给定值按正常负器的给定值按正常负荷下烟气含氧量的最荷下烟气含氧量的最优值设定，即可使过优值设定，即可使过剩空气量稳定在最优剩空气量稳定在最优值，从而

25、保证锅炉燃值，从而保证锅炉燃烧最经济，热效率最烧最经济，热效率最高。高。 根据以上分析可知，只要在图根据以上分析可知，只要在图10106 6的控制方案上对进风量用烟气含氧量加的控制方案上对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成如图以校正，就可构成如图10108 8所示的烟气含氧量的闭环控制系统。所示的烟气含氧量的闭环控制系统。 图图10108 8 烟气含氧量的闭环控制系统烟气含氧量的闭环控制系统 要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值还需随之变化，这就需要对图还需随之变化，这就需要对图10108 8的闭

26、环控制系统进一步加以改进。的闭环控制系统进一步加以改进。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时可用图可用图10109 9所示的折线来近似。所示的折线来近似。 由图由图10109 9可知，可知，当负荷下当负荷下降时，烟降时，烟气中最优气中最优含氧量增含氧量增大，也即大，也即意味着过意味着过剩空气量剩空气量增大，反增大，反之亦然之亦然。 图图10109 9 蒸汽流量与最优含氧量近似关系蒸汽流量与最优含氧量近似关系 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 在图在图1

27、0108 8所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量进行修正，构成如图进行修正，构成如图10101010所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。 图图10101010 最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统 在该系统中，当蒸汽流量变化时，其变化的信号经函数发生器改变含氧量成分调节器的设定值，然后再由含氧量成分调节器校正过剩空气量，使锅炉燃烧过程在不同负荷下，始终处于最佳过剩空气量的状态。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计4炉膛负压控制与安全保护控制方案炉膛

28、负压控制与安全保护控制方案 图图10101111所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护控制系统。由图可知，所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护控制系统。由图可知，该控制系统又由三个子系统构成。该控制系统又由三个子系统构成。 （1 1）炉膛负压控）炉膛负压控制：一般可通过制：一般可通过控制引风量来实控制引风量来实现。现。 （2 2）防）防“脱火脱火”控制：通常可控制：通常可以采用自动选择以采用自动选择性控制方案。性控制方案。 （3）防）防“回火回火”控制：是一个连控制：是一个连锁保护控制系统。锁保护控制系统。 图图10101111 炉膛负压控制与安全保护控制系统炉膛负压控制与安全保护控制系统 过程

29、控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.1.210.1.210.1.210.1.2精馏塔的过程控制精馏塔的过程控制精馏塔的过程控制精馏塔的过程控制 精馏过程的精馏过程的目的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规定的纯度。分离以达到规定的纯度。 10.1.2.1 10.1.2.1 10.1.2.1 10.1.2.1 精馏塔的控制目标及变量分析精馏塔的控制目标及变量分析精馏塔的控制目标及变量分析精馏塔的控制目标及变量分析 1控制目标控制目标 精馏塔的控制目标通常表现在精馏塔的控制目标通常表现在产品质量产品质量、产品产量产品产

30、量及及能量消耗能量消耗三个方面。三个方面。 （1 1）产品质量产品质量 精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，产精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，产品质量必须符合规定的要求。品质量必须符合规定的要求。 （2 2）产品产量与经济效益产品产量与经济效益 任何产品都要求在确保质量的前提下，任何产品都要求在确保质量的前提下，尽可能提高产品的产量和降低成本、最大限度地提高经济效益尽可能提高产品的产量和降低成本、最大限度地提高经济效益 。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 2变量分析变量分析 图图101012 12 精馏塔的进、出料流程图精馏塔的进、出料流程图 （1 1）不可控干扰

31、：进料流）不可控干扰：进料流量及进料成分的变化是精馏量及进料成分的变化是精馏过程中的主要干扰量。其它过程中的主要干扰量。其它干扰如进料温度、进料热焓干扰如进料温度、进料热焓等，可以通过各自的控制系等，可以通过各自的控制系统使它们保持相对稳定。统使它们保持相对稳定。 （2 2）被控量与控制量：在）被控量与控制量：在精馏塔控制中，控制变量与精馏塔控制中，控制变量与被控变量之间的配对关系共被控变量之间的配对关系共有有2424种选择。种选择。 （3 3）变量配对原则：在变）变量配对原则：在变量配对时首先要解决产品成量配对时首先要解决产品成分的变量配对问题。分的变量配对问题。 过程控制与自动化仪表_典型

32、过程控制系统设计10.1.2.210.1.2.210.1.2.210.1.2.2精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案精馏塔的控制方案 1一端产品质量控制一端产品质量控制 所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或塔底产品要达到规定的纯度，所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或塔底产品要达到规定的纯度，而对另一端的产品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔顶产品成分控而对另一端的产品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔顶产品成分控制和塔底产品成分控制两种制和塔底产品成分控制两种 （1）塔顶产品成分控制）塔顶产品成分控制 例如，在对甲醇进行分离的精馏塔中，其进料为甲醇、甲醛和水例如，在对甲醇

33、进行分离的精馏塔中，其进料为甲醇、甲醛和水的混合液，工艺要求把甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一的混合液，工艺要求把甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表10101 1所示。所示。 水的成分甲醛成分=0.0032=0.986 =0.046甲醇成分387.517.5400流量/kg/s塔底馏出物塔顶馏出物进 料参数工况成分过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 根据变量配对的要求，通常采用的根据变量配对的要求，通常采用的控制方案控制方案是：用塔顶产品流量控制塔顶是：用塔顶产品流量控制塔顶产

34、品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的产品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图10101313所示所示 选用塔顶产选用塔顶产品流量作为品流量作为控制量。在控制量。在图图10101313中，中，调节器的输调节器的输出均通过电出均通过电气转换后气转换后变成气压信变成气压信号，经气动号，经气动阀门定位器阀门定位器进行功率放进行功率放大，进而推大，进而推动气动薄膜动气动薄膜调节阀调节阀。 图图10101313 塔顶产品成分控制方案塔顶产品成分控制方案 过程控制与自动化仪表

35、_典型过程控制系统设计（2）塔底产品成分控制）塔底产品成分控制由图可知，由图可知，用塔底产品用塔底产品流量控制塔流量控制塔底产品成分，底产品成分，以保证控制以保证控制质量；对塔质量；对塔顶产品只进顶产品只进行流量控制；行流量控制；用回流量控用回流量控制回流罐液制回流罐液位，用蒸汽位，用蒸汽量控制塔底量控制塔底液位，使精液位，使精馏操作能正馏操作能正常进行。常进行。 图图10101414 塔底产品成分控制方案塔底产品成分控制方案 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2两端产品质量均需控制两端产品质量均需控制 当塔顶及塔底产品分别需要满足一定质量指标时，则需要对塔的两端产当塔顶及塔底产品分别

36、需要满足一定质量指标时，则需要对塔的两端产品质量同时进行控制。品质量同时进行控制。在该控制方案在该控制方案中，用回流量中，用回流量控制塔顶产品控制塔顶产品成分，用塔底成分，用塔底流量控制塔底流量控制塔底产品成分，其产品成分，其目的是保证两目的是保证两端产品的控制端产品的控制质量；用塔顶质量；用塔顶流量控制回流流量控制回流罐液位，用蒸罐液位，用蒸汽流量控制再汽流量控制再沸器液位，使沸器液位，使精馏操作能正精馏操作能正常进行。常进行。 图图10101515 两端产品质量控制方案两端产品质量控制方案 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计当改变回流量时，当改变回流量时，不仅影响塔顶产品不仅影响塔

37、顶产品组分的变化，同时组分的变化，同时也引起塔底产品组也引起塔底产品组分的变化；同理，分的变化；同理，当控制塔底的加热当控制塔底的加热用蒸汽流量时，也用蒸汽流量时，也将引起塔内温度的将引起塔内温度的变化，从而不但使变化，从而不但使塔底产品组分产生塔底产品组分产生变化，同时也将影变化，同时也将影响到塔顶产品组分响到塔顶产品组分的变化。可见，这的变化。可见，这是一个是一个2222的多变的多变量耦合系统量耦合系统 图图10101616 精馏塔两端产品成分控制框图精馏塔两端产品成分控制框图 显然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制方案如图显然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制方案如图10

38、101717所示。所示。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 该控制方案的该控制方案的设计思想设计思想是：为使回流量的变化只影响塔顶组分而不影响塔是：为使回流量的变化只影响塔顶组分而不影响塔底组分，设计了解耦装置底组分，设计了解耦装置 ，使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同样，使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同样，为使蒸汽量的变化只影响塔底组分而不影响塔顶组分，设计了另一个解耦装置为使蒸汽量的变化只影响塔底组分而不影响塔顶组分，设计了另一个解耦装置 ，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，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。 图图101017

39、17 两端产品质量的解耦控制方案两端产品质量的解耦控制方案 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 关于解耦装置数学模型关于解耦装置数学模型 、 的取得，可根据不的取得，可根据不变性原理的前馈补偿法进行设计变性原理的前馈补偿法进行设计 图图10101818 前馈补偿法解耦控制系统框图前馈补偿法解耦控制系统框图 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.2 过程控制系统的工程化设计过程控制系统的工程化设计 10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 工程化设计的目的和主要内容工程化设计的目的和主要内容工程化设计的目的和主要内容工程化设计的目的和主要内容 1目的目的 过程控制

40、系统的工程化设计既是生产过程自动化项目建设中的一项极过程控制系统的工程化设计既是生产过程自动化项目建设中的一项极其重要的环节，也是自动化类专业的学生强化工程实际观念、运用过程其重要的环节，也是自动化类专业的学生强化工程实际观念、运用过程控制工程的知识进行全面综合训练的重要实践过程。控制工程的知识进行全面综合训练的重要实践过程。 过程控制系统的工程化设计要求设计者既要掌握大量的专业知识，还过程控制系统的工程化设计要求设计者既要掌握大量的专业知识，还要懂得设计工作的程序。要懂得设计工作的程序。 过程控制系统的工程化设计，不管具体过程和控制方案如何，其基本的过程控制系统的工程化设计，不管具体过程和控

41、制方案如何，其基本的设计程序和方法则是相似的。设计程序和方法则是相似的。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2主要内容主要内容 在熟悉工艺流程、确定控制方案的基础上，完成工艺流程图和控制流在熟悉工艺流程、确定控制方案的基础上，完成工艺流程图和控制流程图的绘制；程图的绘制； 在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制；在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制； 完成控制室的设计及其相关条件的设计；完成控制室的设计及其相关条件的设计； 完成信号连锁系统的设计；完成信号连锁系统的设计； 完成仪表供电、供气系统图及管线平面图的绘制以及控制室与完成仪表供电、供气系统图及管线平面图的绘制以及

42、控制室与现场之间水、电、气（汽）的管线布置图的绘制；现场之间水、电、气（汽）的管线布置图的绘制； 完成与过程控制有关的其它设备、材料的选用情况统计及安装材完成与过程控制有关的其它设备、材料的选用情况统计及安装材料表的编制；料表的编制； 完成抗干扰和安全设施的设计；完成抗干扰和安全设施的设计； 完成设计文件的目录编写等。完成设计文件的目录编写等。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.2.2 10.2.2 工程化设计的具体步骤工程化设计的具体步骤工程化设计的具体步骤工程化设计的具体步骤 在确定了过程控制系统工程化设计的主要内容以后，可分两步进行工在确定了过程控制系统工程化设计的主要内容

43、以后，可分两步进行工程化设计，即程化设计，即立项报告设计立项报告设计和和施工图的设计施工图的设计。 10.2.2.1 10.2.2.1 立项报告的设计立项报告的设计立项报告的设计立项报告的设计 1设计前的准备工作设计前的准备工作 （1）调查研究调查研究 （2）规划目标规划目标 （3）收集资料收集资料 为了使设计的立项报告科学合理、切实可行，能够比较顺利地被审批为了使设计的立项报告科学合理、切实可行，能够比较顺利地被审批通过，必须认真做好设计前的准备工作。通过，必须认真做好设计前的准备工作。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2立项报告的设计立项报告的设计1 1）系统控制方案的论证与确定

44、；系统控制方案的论证与确定； 2 2） 说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据；说明采用了哪种技术标准与技术规范作为设计的依据；3 3）说明设计的分工范围说明设计的分工范围 ；4 4）说明所设计的控制系统在同行业中的自动化水平以及新工艺、新技术说明所设计的控制系统在同行业中的自动化水平以及新工艺、新技术的采用情况等的采用情况等 ; ;5 5）提供仪表设备汇总表、材料清单以及主要的供货厂家、供货时间与提供仪表设备汇总表、材料清单以及主要的供货厂家、供货时间与相应的价格，并和概算专业人员共同做出经费预算及使用情况的说明相应的价格，并和概算专业人员共同做出经费预算及使用情况的说明; ; 6

45、6）提出参加该项工作的有关人员和完成该项工作所需时间以及存在的提出参加该项工作的有关人员和完成该项工作所需时间以及存在的问题及解决的办法等；问题及解决的办法等； 7 7）预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济效益预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济效益. . 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.2.2.2 10.2.2.2 施工图的设计施工图的设计施工图的设计施工图的设计 当立项报告设计的审批文件下达后，即可进行施工图的设计。施工图是当立项报告设计的审批文件下达后，即可进行施工图的设计。施工图是进行施工用的技术文件与图纸资料，必须从施工的角度解决设计中的细节进行施

46、工用的技术文件与图纸资料，必须从施工的角度解决设计中的细节部分。部分。 现以常规仪表控制系统和集散控制系统（现以常规仪表控制系统和集散控制系统（DCSDCS）为例，简要介绍施工图的）为例，简要介绍施工图的设计内容。设计内容。 1常规仪表控制系统施工图的设计常规仪表控制系统施工图的设计 （1） 图纸目录图纸目录; （2） 说明书说明书; （3） 设备汇总表设备汇总表; （4） 设备装置数据表设备装置数据表; （5） 材料表材料表 ;（6） 连接关系表连接关系表; （7） 测量管路和绝热、伴热方式表测量管路和绝热、伴热方式表; （8） 铭牌注字表铭牌注字表; （9） 信号原理图信号原理图; （10

47、）平面布置图平面布置图; （11） 接线（管）图接线（管）图; （12）空视图空视图 ;（13） 安装图安装图; （14）工艺管道和仪表流程图工艺管道和仪表流程图; （15） 接地系统图接地系统图; （16）任选图的设计任选图的设计;（略）。（略）。过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2集散控制系统（集散控制系统（DCS）施工图的设计）施工图的设计集散控制系统（集散控制系统（DCSDCS）施工图的设计内容主要有：）施工图的设计内容主要有： （1） 文件目录文件目录; （2）集散控制系统技术规格说明书集散控制系统技术规格说明书; （3） 集散控制系统集散控制系统I/O表表; （4）连锁系统

48、逻辑图连锁系统逻辑图; （5） 仪表回路图仪表回路图; （6）控制室布置图控制室布置图; （7） 端子配线图端子配线图; （8）电缆布置图电缆布置图; （9） 仪表接地系统图仪表接地系统图; （10）集散控制系统监控数据表集散控制系统监控数据表; （11）集散控制系统配置图集散控制系统配置图; （12）端子（安全栅）柜布置图端子（安全栅）柜布置图; （13）机房设计机房设计; （14）集散控制系统组态文件的设计集散控制系统组态文件的设计; 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.2.3 10.2.3 10.2.3 10.2.3 控制系统的抗干扰和接地设计控制系统的抗干扰和接地设计控制系

49、统的抗干扰和接地设计控制系统的抗干扰和接地设计 仪表及控制系统的干扰是普遍存在的，若不对仪表或系统存在的干扰采仪表及控制系统的干扰是普遍存在的，若不对仪表或系统存在的干扰采取措施加以消除，轻者会影响仪表或系统的精度，重者使其无法工作，甚取措施加以消除，轻者会影响仪表或系统的精度，重者使其无法工作，甚至会造成安全事故。所以，分析干扰的来源，采取相应的消除措施，也是至会造成安全事故。所以，分析干扰的来源，采取相应的消除措施，也是工程化设计的一项重要内容工程化设计的一项重要内容。 10.2.3.1 10.2.3.1 10.2.3.1 10.2.3.1 干扰的来源干扰的来源干扰的来源干扰的来源 仪表及

50、控制系统的干扰主要来自以下几个方面：仪表及控制系统的干扰主要来自以下几个方面：1电磁辐射干扰电磁辐射干扰;（1）电源引入线传输干扰电源引入线传输干扰; （2）信号引入线传输干扰信号引入线传输干扰; 3接地系统的干扰接地系统的干扰; 4系统内部干扰系统内部干扰.2引入线传输干扰引入线传输干扰; 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计10.2.3.2 10.2.3.2 10.2.3.2 10.2.3.2 抗干扰措施抗干扰措施抗干扰措施抗干扰措施针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施：针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施： 1隔离隔离;4避雷保护避雷保护; 10.2.3.310.2.3.3

51、10.2.3.310.2.3.3 接地系统及其设计接地系统及其设计接地系统及其设计接地系统及其设计在上述种种抗干扰措施中，有相当部分是和接地系统有关的。在上述种种抗干扰措施中，有相当部分是和接地系统有关的。 1接地系统的作用及类型接地系统的作用及类型 接地系统的主要作用是保护人身与设备的安全和抑制干扰。不良的接地接地系统的主要作用是保护人身与设备的安全和抑制干扰。不良的接地系统，轻者使仪表或系统不能正常工作，重者则会造成严重后果。系统，轻者使仪表或系统不能正常工作，重者则会造成严重后果。 2屏蔽屏蔽 ;3滤波滤波 ;过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 接地系统的类型主要分为两类，即接地

52、系统的类型主要分为两类，即保护性接地保护性接地和和工作接地工作接地。工作接地中。工作接地中又可分为又可分为屏蔽接地屏蔽接地、本质安全接地本质安全接地和和信号回路接地信号回路接地。 （1）保护性接地保护性接地 （2）工作接地工作接地 保护性接地是指将电气设备、用电仪表中不应带电的金属部分与接地体之保护性接地是指将电气设备、用电仪表中不应带电的金属部分与接地体之间进行良好的金属连接，以保证这些金属部分在任何时候都处于零电位。间进行良好的金属连接，以保证这些金属部分在任何时候都处于零电位。 正确的工作接地可抑制干扰，提高仪表的测量精度，保证仪表系统能正正确的工作接地可抑制干扰，提高仪表的测量精度，保

53、证仪表系统能正常可靠地工作。工作接地中又可分为信号回路接地、屏蔽性接地和本质安常可靠地工作。工作接地中又可分为信号回路接地、屏蔽性接地和本质安全接地。全接地。 1 1） 信号回路接地是指由仪表本身结构所形成的接地和为抑制干扰而设信号回路接地是指由仪表本身结构所形成的接地和为抑制干扰而设置的接地。置的接地。 2 2） 屏蔽性接地是指对电缆的屏蔽层、排扰线、仪表外壳、未作保护屏蔽性接地是指对电缆的屏蔽层、排扰线、仪表外壳、未作保护接地的金属导线（管）、汇线槽以及强雷击区室外架空敷设的多芯电接地的金属导线（管）、汇线槽以及强雷击区室外架空敷设的多芯电缆的备用芯线等所作的接地处理；缆的备用芯线等所作的

54、接地处理； 3 3） 本质安全接地是指本质安全仪表系统为了抑制干扰和具有本质本质安全接地是指本质安全仪表系统为了抑制干扰和具有本质安全性而采取的接地措施安全性而采取的接地措施 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计2接地系统的设计接地系统的设计 接地系统的设计内容主要有以下几个方面：接地系统的设计内容主要有以下几个方面：（1）接地系统图的绘制接地系统图的绘制 图图101019 19 接地系统示例图接地系统示例图 1 1仪表，仪表，2 2表盘，表盘，3 3接地支线，接地支线，4 4接地汇流盘，接地汇流盘，5 5接地分干线，接地分干线，6 6公用连接板，公用连接板，7 7接地总干线，接地总干线

55、，8 8接地体接地体由图可知，它一般由接地线（包括接地支线、接地分干线、接地总干线）、接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计（2）接地连接方式的确定接地连接方式的确定 接地连接方式主要根据接地系统的类型分为接地连接方式主要根据接地系统的类型分为保护性接地方式保护性接地方式、工作接工作接地方式地方式和和特殊要求接地方式特殊要求接地方式。 （3）接地体、接地线和接地电阻的选择接地体、接地线和接地电阻的选择 埋入地中并和大地接触的金属导体称为埋入地中并和大地接触的金属导体称为接地体接地体；用电仪表和电子设备；用电仪表和电子设备的接地部分与接地体连接的

56、金属导体称为的接地部分与接地体连接的金属导体称为接地线接地线；接地体对地电阻和接；接地体对地电阻和接地线电阻的总和称为地线电阻的总和称为接地电阻接地电阻。上述数值的选择是接地系统设计的重要。上述数值的选择是接地系统设计的重要内容之一。内容之一。 接地电阻值选择的方法接地电阻值选择的方法是是：保护性接地电阻值一般为保护性接地电阻值一般为44，最大不超过，最大不超过1010。当设置有高灵敏度接地自动报警装置（如漏电开关）时，接地电阻值。当设置有高灵敏度接地自动报警装置（如漏电开关）时，接地电阻值可略大于可略大于1010。常用电子设备的保护性接地电阻值应小于。常用电子设备的保护性接地电阻值应小于44

57、。工作接地工作接地电阻值需根据设备制造厂的要求以及环境条件确定。若制造厂无明确要求，电阻值需根据设备制造厂的要求以及环境条件确定。若制造厂无明确要求，设计者可按具体情况决定，一般为设计者可按具体情况决定，一般为1 144。若控制系统与电力系统共用接地。若控制系统与电力系统共用接地体，则可采用与电气系统相同的接地电阻值。体，则可采用与电气系统相同的接地电阻值。 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计 接地线的选择方法接地线的选择方法是：是：接地线应使用多股铜芯绝缘电线或电缆。接地线应使用多股铜芯绝缘电线或电缆。工工作接地的接地线应接到接地端子或接地汇流排。接地汇流排宜采用作接地的接地线应接到

58、接地端子或接地汇流排。接地汇流排宜采用256256的铜条，并设置绝缘支架支撑。的铜条，并设置绝缘支架支撑。 为了满足系统为了满足系统接地电阻的要求接地电阻的要求，可将多个接地体用干线连接成接地网。，可将多个接地体用干线连接成接地网。接地体和干线一般用钢材，其规格可按表接地体和干线一般用钢材，其规格可按表10101 1选用。当接地电阻要求较选用。当接地电阻要求较高时，可选用铜材。对安装在腐蚀性较强场所的接地体和干线，应采取防高时，可选用铜材。对安装在腐蚀性较强场所的接地体和干线，应采取防腐措施或加大截面积。腐措施或加大截面积。 名称 扁钢 圆钢 角钢 钢管 规格/ mm表表10101 1 接地体和接地网干线所用钢材规格表接地体和接地网干线所用钢材规格表 过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计本章结束，谢谢！本章结束，谢谢！过程控制与自动化仪表_典型过程控制系统设计