控制方案综合设计习题.docx
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控制方案综合设计习题.docx
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控制方案综合设计习题
1.考虑如题图1所示的系统,希望将质量分数为50%的NaOH溶液稀释为30%。
NaOH控制阀受其它控制器(未在图中展示)控制。
由于50%NaOH溶液的流量变化频繁,希望设计一个比值控制方案,通过控制稀释水的流量以达到稀释要求。
50%NaOH溶液的标称流量(即设计值)为100kghr。
假设选用的两个流量变送器为质量流量计,其输出信号与质量流量成线性比例关系。
50%NaOH溶液的变送器量程为0到200kghr,水的变送器量程为0到160kghr。
请详细描述其比值控制方案,并计算控制系统所涉及的比值系数。
题图1混合过程
2.考虑如题图2所示的制氢反应器。
同锅炉一样,该反应器需要通过燃料和空气进行燃烧才能提供反应所需要的能量(为简单起见,温度控制系统并未全部在图中画出)。
甲烷和水蒸气反应产生氢气,反应方程为
该反应发生在反应器的内部管道中,管道内填充着反应所需的催化剂。
为避免催化剂结焦,保证反应混合物中水蒸气富余十分重要。
如果碳沉积在催化剂表面,将会使催化剂中毒。
通过保证输入混合物中水蒸气富余,就可以避免此种现象。
然而,过多的水蒸气又会引起能量消耗过大。
工程部门估算,应当保证的最佳甲烷-水比为R1(质量比)。
请设计一套控制方案,可使实际比例维持在最佳比例;并且在生产过程中,无论产量增加或减少,都要保证反应混合物中水蒸气富余(即高于最佳比例)。
注意:
甲烷需求量由另外专门的信号控制。
此外,假设所采用的流量检测仪表均为质量流量计。
题图2制氢反应器
3.氯化反应用于对废水处理厂的最终排放物进行消毒处理。
环保部门要求废水中维持一定的氯含量剩余。
为了达到这个要求,通常在接触池的开始位置,测量废水中的游离氯离子的残余量,如题图3所示。
通常在过滤器的流出物中,加入次氯酸钠水溶液来控制接触池中游离氯离子的残余量。
废水厂有两个平行的过滤水流,它们将在氯接触池中混合。
根据池中的游离氯离子的残余量分别向两个水流中加入次氯酸钠。
a)设计一套控制方案,来控制接触池开始处的氯离子的残余量。
b)由于接触池中将会发生一系列的反应,氯离子真实残余量并不等于进入接触池的氯离子含量。
环保局对氯离子真实残余量很感兴趣。
因此,在接触池的出口处安装了第二台分析器。
请设计一套控制方案来控制流出物中的氯离子残余量。
这里,假设两路废水的组成基本相近。
此外,次氯酸钠水溶液泵采用变频器控制,通过改变控制信号u,可调节变频器M的工作频率,进而改变泵的转速,以达到控制总流量的目的。
另外,假设次氯酸钠水溶液两支路流量均可测可控,而两路废水的流量可测但不可控。
题图3污水氯接触池
4.考虑如题图4所示的混合池。
三种原料以一个确定的比例注入水箱之中形成一种混合液,供后续过程使用。
对于某一种配方,要求最终混合物包含50%质量分数的A、30%质量分数的B以及20%质量分数的C。
根据需求量的不同,后续过程将提供泵的转速控制信号。
试设计一个控制方案用以控制水箱液位,并且同时保证正确的配方要求。
题图4
5.燃料电池广泛运用于航空器中以产生电能。
燃料电池通过液态氢和氧的反应来提供电能,
请设计一个比值控制器,来保证液态氢和氧按照化学计量比例输送到燃料电池中(在太空中,氢和氧都非常的宝贵,因此我们要保证二者都不能过量)。
计算当产水量为0.5kg/hr时的氢和氧的设计流量,并且计算出氢和氧的流量比。
请简要画出一个可以通过控制液态氧来保持氢氧之间精确化学计量比的比值控制方案。
可以假设流量变送器的信号和质量流量成线性关系。
试给出流量变送器的合理量程,并计算变送器信号之间的比值。
6.考虑如题图6所示的裂解炉,它由两部分组成,但有一个共同的烟道。
在每一个部分中都在发生轻烃(碳氢化合物)和水蒸气的裂化反应。
该装置通过控制进入到每一部分的燃料来控制裂解产品的温度,通过控制安装在烟道上的排风扇的转速来控制炉内压力。
风扇可以引导燃气排出烟囱。
当炉内压力增加时,压力控制器就会增加风扇速度来降低压力。
a)设计一个比值控制方案,以使每一部分都能根据轻烃流量按比例控制水蒸气的流量。
操作员只需要设定轻烃的流量。
b)在过去几周的运行中,操作人员注意到压力控制器的输出总是100%。
这表明控制器PC57在尽最大可能来保证压力控制。
然而,这并不是理想状态。
这表明压力超出了可控范围。
因此,必须设计一种控制方案。
当该控制器的输出大于90%时,轻烃流量就需要减少来维持压力控制器输出稳定在90%。
当轻烃流量减少时,用来保持出口温度的燃料需求量也会减少,这样会降低烟道压力,使得压力控制器降低风扇速度。
当控制器的输出少于90%时,轻烃的输入流量就为操作人员的设定量。
由于左边锅炉的效率没有右边的高。
因此,减少轻烃流量的正确策略为首先将左侧的输入量减少到35%;如果还需要继续减少,再对右侧的输入进行减少,直到减少至35%(如果还需要继续减少,一个连锁系统将会关闭裂解炉)。
请设计一个控制方案,以保证压力控制器的输出低于90%。
题图6裂解反应器
7.考虑如题图7所示的过程,污泥被送入储液槽T3,然后通过污泥泵被注入到两个过滤器中。
该装置通过控制出口流量来控制储液槽液位,要求进入两个过滤器的流量必须符合以下比例,
图中显示的两个流量变送器和控制阀不可以从现有位置移动,也不可以添加其他仪器。
试设计一个控制方案,在可以保证流量比例的同时,控制储槽液位。
题图7
8.考虑如题图8所示的加热炉,它使用两种不同的燃料来控制工艺介质的炉出口温度,一种燃料是废气,另外一种燃料是燃油。
由于废气是免费的,所以要尽可能多地使用。
然而,环境保护条例规定废气的使用量不得超过燃烧油的1/4。
废气的热值为HVwg,燃油的热值为HVoil。
空气/废气的比值为Rwg,空气/燃油的比值为Roil。
a)设计一套完整的双交叉控制方案来控制工艺介质的炉出口温度。
b)假设废气的热值随着成分的变化会发生显著的变化。
在线测量废气的热值非常困难,然而,实验分析表明气体热值和密度之间存在明确的相关性。
假设已安装了一台密度计可以测量密度,因此可测量热值HVwg。
试完善上述控制方案以考虑热值HVwg的变化。
c)从安全角度考虑,必须设计出一种控制方案,当燃烧火焰熄灭时或废气和燃油停止供应时,要求空气阀全开。
假设有一个火焰检测器用于此设计,当有火焰的时候,其输出量为20mA;而当火焰熄灭的时候,其输出为4mA。
请在上述基础上进一步完善控制方案。
题图8
9.考虑如题图9所示的工艺过程,它用于分离混合进料的液相产品与气体,然后将气体进行压缩。
分离罐D-103提供了分离所需的停留时间。
希望的分离罐压力为0.1MPa(表压),其常用的操作变量为透平蒸汽量。
透平蒸汽量越大,涡轮机T-104的转速越快,联动压缩机C-105吸入的气体就越多。
压缩气体的一小部分作为循环气返回至分离罐,循环气返回阀的正常控制信号为90%。
为防止系统压力过高,若分离罐压力升到0.2MPa(表压),压力控制器PC21将打开放空阀,通过放空火柜排入大气。
遇到的工艺问题是,该压缩机C-105很老,为安全考虑,压缩机转速不能高于5600rpm,也不能低于3100rpm(压缩机转速可由ST61在线测量)。
试提出改进的控制方案,以满足上述限制,并将控制方案标注在过程流程图上。
题图9气液分离装置
10.某一油料过滤系统如题图10所示。
待过滤油料首先进入一总管,为安全起见,总管压力通过调节进油阀门得到有效控制。
总管中的油料随后被分配到四个过滤器。
类似于热交换器,过滤器也由外壳与内部导管组成,其中内部导管的上端面封闭,下端面开放;而外壳的上端面开放,下端面封闭。
内部导管管壁为过滤网,待过滤油料先进入壳程,其中液体经过滤网过滤后进入内部导管,再内部导管流出。
随着时间的推移,过滤网上将不断产生胶质。
为使油料中的液体通过,需要逐步提高壳程压力。
但如果压力提高过大,则过滤器墙壁就会崩塌。
因此,当达到某一临界值时,过滤器就需要被取下进行清理。
在正常情况下,3个过滤器就可以处理所有的油料。
a)设计一套控制系统,以维持通过系统的总油量不变。
b)完善补充上述控制系统,以满足:
(1)如果进入某一个过滤器的油料压力超过一个事先设定值,那么就开始减少进入此过滤器油量;
(2)一旦某一过滤器进料阀门达到10%的开度,联锁系统就会自动关闭此过滤器,等待清理。
与此同时,通过系统的总油量要保持不变。
题图10
11.题图11展示了一种经常在化工厂中使用的装置。
R101是一个产生高压气体的反应器,需要将气体输送至一个压力为0.35MPa的低压容器V102。
作为一种节能手段,经涡轮机T102后高压气体的压力得到下降,T102产生的功将用于驱动压缩机C102。
然而,通常情况下,T102产生的功不足以驱动C102。
为此,蒸汽涡轮机T103就和T102联在一起提供必要的功。
控制系统的任务是要保证R101中的压力以及离开压缩机气体的压力。
ST16是一个连接到涡轮轴的速度传感变送器,控制器SC16用于控制涡轮轴的转动速度。
R101的出口处,还有一条管线绕过T102而直接到达V102。
该管线仅在T102无法正常工作时使用,或者当其他紧急情况发生时,需要快速降低R102压力。
PC14的设定值是3.4MPa,PC15的设定值是3.5MPa。
当R101产生的气体快速增加时,就会导致反应器压力的急剧增加。
此时,PC14就会更加打开通向T102的阀门,以控制反应器压力。
这种情况下,通向T103的流量阀就会适当关闭以控制压缩气体的压力。
但是如果流量阀的开度小于10%,T103将会发生严重的机械磨损。
试设计一种控制方案,可以避免上述情况,并且可以控制压缩气体的压力。
题图11
12.考虑如题图12所示的涡轮机/压缩机过程。
涡轮机T30的动力源来自一种高压气体,而压缩机C30用于压缩一种制冷气体。
操作员手工设置高压气体控制阀开度,这对应于某一特定的压缩机速度。
这里还使用了一个延迟单元以避免高压气体阀门位置的突然变化。
在正常的操作情况下,阀门应当响应操作者的设定值。
但控制系统必须面对一些特殊的情况。
1)在正常的情况下,制冷气管道的气压应该为0.1MPa(表压)。
然而,在启动或者其他一些情况下,这些管道的压力有可能降低到0.05MPa以下。
在这种情况下,必须降低压缩机的速度,使得进入压缩机的气体减少,只有这样才能增加制冷气管道中的压强。
在制冷管道中的最低安全压力为0.05MPa。
2)由于机械设备原因,压缩机的速度不可以超过额定最高速率的95%,同时也不能低于最高速率的50%。
请设计一套控制方案以满足以上两个约束条件。
题图12
13.考虑如题图13所示的管式锅炉,该锅炉用于部分产生蒸汽。
液态水进入锅炉,以饱和液体和蒸汽的混合形式离开锅炉,然后进入一个分离器,用于分离饱和液体和蒸汽。
工艺工程师将该过程的效率定义为“被蒸发的部分(即饱和蒸汽量)占总进水量的百分比”,期望的效率为80%。
试设计一个控制方案,以使该效率维持在其期望值。
题图13
14.考虑如题图14所示的精馏塔底部,有两个物料流出,一个由用户控制以满足自身需求,另一个用以保持塔底液位。
在一些情况下,当液位下降到一定程度时,液位控制阀将全关;此时,液位将失去控制。
如果塔底液位下降到低于0.5m,这将很难保证有足够的流量通过再沸器为精馏塔提供上升蒸汽,这对精馏塔操作将是灾难性的。
假设液位变送器的量程为0~2m。
试设计一种控制方案,以避免上述情况的发生。
题图14
15.考虑如题图15所示的过程,该过程通过A和B的反应制造产品E。
反应器出料包括E和其他一些未反应物(主要成分为原料A),简称为液体C;然后采用分离器将E和C分开。
液体C被送入精馏塔T-104,并从底部反馈至反应器。
向反应器加入的物料B的量取决于A的量以及C反馈至反应器中的回流量。
对于新鲜进料A,要求物料B的量满足给定比例为R1=B/A;而对于回流进料C,要求物料B的量满足给定比例为R2=B/C。
假设所有的流量计均为质量流量计。
试设计一个控制方案,以控制进入反应器的总流量T,并满足上述比值要求。
题图15
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