第二节　安全控制系统设计分析

一、安全控制系统的设计思想

1.信息系统和控制系统

在危险化学品生产装置内，有物料流、能量流及信息流。现代危险化学品生产装置的特点是规模大、流程复杂、需要依赖自动控制系统来实现安全稳定运行。自动控制系统是对于物料流和能量流而形成有效的信息流，这是现代危险化学品生产装置的最明显特点。它能够按照人们的意愿来安全有效地管理、操纵装置。通常，与危险化学品生产装置有关的信息流如图2-3所示，而对于其中的一个单元装置来说，信息的结构层次与它们各自所选用的控制形式如图2-4所示。

危险化学品生产装置及其信息流是一个不可分的整体。如果不将信息按用途分别进行加工处理，就会给装置的安全运行、正常管理及操作人员等造成混乱。安全控制系统的核心就是将自动控制系统和运行信息按照安全运行的要求结合起来。

近年来，电子技术取得了突飞猛进的发展，其成果也迅速地应用在这些系统中。现在已经很难从硬件上划清信息管理系统和自动控制之间的界限，完全可以在同一套信息处理装置和控制中完成这两个方面的功能，即实现安全生产。

自动控制系统具有采集、处理装置里产生的各种与物料、能量的质和量有关的信息，并提供操作信息方面的全部功能，这些功能对于装置的控制操作来说是必不可少的，自动控制是对装置进行安全操作控制的系统。

信息管理系统是比自动控制系统层次更高的信息为目标的系统。

安全控制涉及的工艺及仪表设计在工艺设计的范围内进行，在确定工艺流程的后期，它参与确定哪些部分需要检测、操作端选设在什么地方才能更好地进行安全控制系统设计。如果只是在工艺流程最终确定，再在其中配设自控仪表，是不能完成高质量的设计的。这是因为过程的可控性在很大程度上取决于过程本身的稳定性和调节特性。当控制目标确定后，为了过程的稳定性，做到容易控制，首先要对工艺的危险性和事故模式进行系统全面的分析，建立安全运行的边界条件和控制条件，为安全控制提供准确信息。单纯依赖自动控制系统，即使设计了再多的控制方式，也不能得到良好的安全控制效果。因此，在工艺设计的后期，在制定控制目标时，一方面要考虑到通过自动控制系统所能实现的限度，另一方面要考虑通过改进工艺设计来实现安全生产。要把工艺流程方案和自动控制方案结合起来进行综合分析、评价和设计，同步地进行能量及信息流的确定。

近年来采用高速度、高可靠性的电子计算机，通过软件来实现控制功能。采用这样的系统，设计方式就有所不同，可以先概略地设计一个包括有信息管理系统在内的综合系统，然后再把信息处理、自动控制等功能分配给该系统的各工作区的设备。这与积木方式相对照，可称为分配方式。在这种方式中，其中有PID控制、串级控制、最优化控制、DCS系统等。在这里，重要的是在设计的过程中要反复尝试修改。只有这样，才能设计出整体安全性、整体经济性、塑性和扩充性好的安全控制系统。

安全自动控制系统的指标有以下几点：

①确保稳定平衡运行；

②提高设备效率和生产性能，减少装置的维修费用、减少故障等，并能延长设备的寿命；

③确保安全运行，防止环境污染，改善作业环境；

④收集安全技术、安全管理、安全运行信息。

2.分析过程模型

为了实现多变量最优化控制或实施作为多变量稳定性控制手段之一的前馈控制，就需要有一组数学公式来描述过程特性，这就是过程方程式或称数学模型，并根据该值进行高稳定性的给定点控制等。因此，过程计算机控制效果的好坏主要取决于过程的数学模型的正确程度。开发模型是一项极其重要但又极为困难的工作。当模型的精度不高时，还应准备配合使用其他的方法。另外，由于过程状态是随时间变化的，所以最好能在一定的周期内考虑对数学模型进行修正的手段。

数字计算机出现后，随着其可靠性的不断提高，创造了用数字式而不是模拟式进行计算控制方式的条件。在数字运算元件价格昂贵的时代，若干控制回路的控制方式是用分时处理方法来计算的，但随着其价格的下降，就可以在关键的地方采用一定数量的元件。不过用模拟式方法在作四则运算和PID运算时的精度有限，而数字式的方法在实用时的运算精度可以提高，从而使控制方程式的复杂性不再成为问题。而如果采用模拟式计算复杂的算式，则系统无论在设备的数量上和电路上都变得复杂，从而降低了硬件的性能。但若采用数字式的计算系统，则上述的可能性就减少了。因此，对于应该运用PID运算以外的控制方式的控制回路系统来说，采用数字式控制更有利。

在危险化学品生产装置中，绝大部分的控制系统的控制方式是采用PID运算的。所以，要根据经验，仔细地分析哪些是采用PID运算不能进行稳定控制的控制回路，设计出所需要的控制方程式。现代控制论是根据理论和结构来设计控制方程式的，它比依赖经验和直感的古典控制论具有更强有力的手段。

3.安全控制系统的基础设计

在设计过程中要反复进行试探和修改，而控制系统的基础设计是一个典型的例子。

（1）控制功能分析　为实现自动控制回路的设计功能，要把具有不同功能的基本设备进行组合，构成回路，再把许多回路汇集在一起，构成能够满足整体要求的功能系统。功能过度集中，不可避免地要导致软件系统的复杂化。近年来软件的开发费用与硬件占的比例越来越大，也促进了分散化工作的进展，这就需要研究所要求的功能的性质与数量，同时还要从硬件和软件这两个方面来考虑系统处理速度及可靠性划分功能，进行合理的分配。

（2）控制设备分析　必须认真调查研究装置或工厂，从整体上都要解决哪些控制和管理上的问题及怎样进行管理和控制。通过以上的功能分配形式进行大致的构思后，要在市场销售的标准产品的范围内对可用于实现各种有关功能的软件、硬件产品进行详细的调查，从中选出最经济的能满足现有的技术要求和供货周期的产品。在危险化学品生产装置中，虽然气动控制系统在布局上还在采用，但对于主要控制系统来说，无论是从产品的生命周期及技术优势上，还是从系统的灵活性上看，无疑电子式占主导的地位。其中的主力将是非模拟式的采用微处理器的数字式系统，但在目前能全部满足各种各样的装置在安全生产管理和自动控制上所需要的功能的市场销售产品还是比较少的，而通过特别订货制造的能满足其要求的系统虽可解决眼前的问题，但不利于长期的连续维护工作。另外，还要重视系统的可扩展性和在改造上的灵活性。特别是随着电子技术的发展，以及电子式自动控制系统的出现，弄清其中哪些功能是必须实现的，而哪些是可以商议的。这样就不必为采用气动仪表，还是采用模拟式电动仪表而费脑筋了。哪种系统只要最能符合要求，就可信心满满地采用它，切忌赶潮流，也不要盲目放弃自己的要求。

（3）集中化控制问题　与采用气动仪表相比，电动仪表已经解决了信号传输滞后以及大数据传输上的技术问题。这意味着以消除了控制室集中化的障碍。从危险化学品生产装置安全管理的形式上考虑，完全可以集中到最安全、最节省人力的程度。当确定了在控制室里进行管理和控制的单元后，就能确定出应在控制室里集中的功能群。当确定出应包含的功能群后，首先要把该自动控制系统总体要求的全部功能进行分配，确定出设备的配置。并根据设备的配置和维护要求，确定控制室的规模及平面布置。但在确定设备的平面方案时，要再次慎重地从实现装置的安全管理和安全控制这一目标着手进行研究。提高控制室的集中程度，虽可减少操作人员，但要掌握一定的度，必须保证有一定数量的操作人员，这样利于安全。过度的集中会使现场和控制室距离加大，有时反而不省人力。因此，不管检测控制系统的硬件技术多么进步，仍要从确保装置的安全这一角度出发，研究控制室的集中程度，从而确定出最合理、最理想、最切合实际的方案。

4.控制室和人机接口

（1）控制室　在危险化学品生产企业，由于集中管理程度的不断发展，很可能在一个工厂里设置一个综合控制室。但根据装置的类型、规模、运行管理方式及仪表设备的构成等，并不一定非得只设一个控制室，有时为了分散化或层次化而设置若干个控制室。在控制室里通常设有作为人机接口的仪表盘、操作台、打印机等，现在只是因为有控制电脑，有操作人员常驻，所以称为装置的运行管理中心（中控室），但也有的控制室不设固定操作人员。另外，除了人机接口的有关设备外，还要设置仪表设备室，尽管它与操作人员的监视、操作无直接关系。危险化学品企业控制室按照用途划分为以下几类。

①供集中监视、操作整个装置用的控制室　它通称为中央控制室。装置的信息集中化，常设有通信设施、防火监视设施与操作设备等。

②在装置内供监视、操作单元设备用的控制室　它是位于被操作的单元设备附近的控制室。它一方面用于和中央控制室的联络，另一方面用于操纵独立单元设备的运行。

③装置界区外的控制室　它主要用于管理原料的进厂、产品的出厂及储存设备的现有储量。通常这类控制室是和装置界区的控制室分开的。对于港口码头，操作人员只在装卸时进入控制室，平时无人。此外，也要把装置界区外的管理归到装置界区的中央控制室里面。

④其他控制室　与人机接口分离的控制单元、程控装置、运算器类、信号变换器类、输入输出装置、分电盘、不间断电源（UPS）等虽然也可和人机接口放在同一房间内，但大多数是放在毗邻的房间里。在分散型控制装置中，通常把控制单元和输入输出装置分散地安装在各装置里的运行单元的控制室内，用数据传输电缆直接构成一个统一的系统。为此，在装置内要设置几个独立控制室。另外，因信号电缆多，需要有足够的空间处理它们。所以作为控制室的一部分的电缆处理间要足够大，以便电缆的施工与维修。它大多设在邻近控制室的房间里或控制室的底层，平时操作人员不进入。

控制室应尽可能设置在装置内非危险场所里（非防爆区），空气中应无有害气体，属于最安全的地方。据有关规范的规定：用于可燃气体制造设施的控制室的安全位置应距离设备15m以上。控制室和装置的相对位置应要求能从控制室观察装置（面向装置）。但从安全角度上看，在面向装置的墙上最好不设窗户。对于一般连续过程来说，控制室的位置还要考虑到信号电缆的线路和长度，大多选择能兼顾的地方，但也有的控制室就不太考虑与装置间的关联。总之，控制室的设置首先要考虑其安全性，选择在无机械振动、电气干扰及噪声影响的地方。

为提高仪表的可靠性，控制室应能防尘并防止有害气体侵入，也要防止危险气体和雨水顺着地沟、电缆槽和电缆管等进入控制室。如果靠近振动源，必须考虑防振措施；还要根据不同的地区考虑防震结构。目前，在危险化学品生产企业中空调已普遍使用，但空气中含有有毒有害气体时，采用单纯的调节湿度的方式是不行的，还须注意通入清洁的空气。当控制室处于危险场所时，应做成全封闭结构，并要往室内送入清洁的空气，使室内的气压始终处于室外的气压，构成内压防爆式。室内照明要结合人机接口来确定其规模和配置。

（2）人机接口　在设计用于集中管理危险化学品生产装置上的必要信息，供操作人员管理的仪表盘、操作台、指示仪、操作器等人机接口时，一定要考虑到装置的安全性、管理水平、可靠性、人员素质和自动化程度等。从人机学的观点来构思设备的同时，还要考虑与装置的形象相配。随着分散型控制装置的CRT等的技术进步，还要考虑采用新开发的人机接口。从人机角度上看，主要信息的监视要能一目了然，同时还要容易发现问题，以利于操作。人机接口所采用的设备除了安装在仪表盘和操作台上的调节器、指示仪、记录仪等接收信号的仪表，手操器、按钮开关之类的手动自动操作器以及报警指示仪、CRT等之外，还有打印机、硬盘拷贝机、声响发信装置等。

报警、检测装置大多要根据报警的重要程度、紧急程度、异常条件的性质等灵活选用。其典型的显示方式有模拟盘显示方式及光盘注字显示方式两种。采用CRT控制台时，亦可在CRT上显示报警。对于较轻的异常事件可以使用电子计算机部分功能和数据打印机来处理并自动选择显示的监视设备。对那些不要求实时显示的，则大多采用多点扫描巡检方式。

紧急动作回路的检测输出端除压力仪表和液位计外，是和报警回路一样，与通常仪表的检测输出端是共用的，但要另外设报警设定器。对于液位计和特别重要的仪表监测点要采用独立的检测输出端。在因仪表的误动作造成很大影响的地方，要并设3台检测输出端来组成多数表决回路。紧急动作回路的接点要根据工艺特点加以分析，大多在正常运行时是断开的。

5.动力源

危险化学品生产装置仪表的动力源是保证控制系下沉的基本条件。无论是气动仪表，还是电动仪表，执行机构用的动力大多仍为气动式，虽然有些工厂在每个装置上都配设了仪表空气源，但大部分工厂都是从工厂的总体上统筹设立的。

（1）仪表用液压源　液压式和气动式执行机构的差别在于它几乎没有集中的液压源设备，而是每个执行机构都有各自独立的液压源，但也可把几个邻近的统设为一个液压源。由于液压设备的厂家大多把液压源作为设备的附属品，所以很少把液压源单列出来作设计，这是要注意的问题。

（2）仪表用电源　电动仪表系统的电源占有非常重要的位置。它负有使仪表正常工作，能向操作人员传递装置运行状态的使命。设计仪表电源时应考虑的重要条件是有容量、有停电应急措施、有电源的稳定性和品质。总的电源容量可通过设计各仪表设备的耗电量来计算，但在设计电源设备总容量时应在上述值的基础上考虑加快冲击电流等过流特性的影响因素。

另外，要按长时间停电和瞬时停电来分别考虑停电应急措施。对于长时间停电来说，首先要确定当整个装置停电时，是否要确保仪表电源以使装置安全停车。如果需要，就要根据运行的要求来确定什么仪表及至少需要多长时间。一般来说，重要的设备大多需要30～60min。瞬时停电对不同类型的设备，如仪表、电子计算机、继电回路等的影响是不同的，因此要分别对待，掌握好各自的允许瞬时停电时间。电源的稳定性体现在电压和频率的稳定性上，要按该电源上所连接的仪表设备要求的最小允许值来确定它们的规格。值得注意的是，像电子计算机的磁盘一样的转动设备通常对频率的稳定性要求很严格，对电压稳定性通常要求为10%。电源品质研究的是交流电的波形以及在交流电的波形上叠加的噪声。一般波形畸变在5%以下不会出什么问题，但要对稳定电源设备能否满足要求这点加以确定。在数字式系统中，叠加噪声尤其是脉冲噪声是产生误动作的原因，要特别加以注意。电源设备如表2-5所示的各种形式。

注：×表示不适合。

①区分交流电和直流电　确定主要仪表、继电回路、电磁阀等负载是全采用交流电或直流电之中的一种电源供电，还是根据负载的种类，有的采用交流，有的采用直流供电，以及电压等级是一种还是两种以上。在采用直流供电时，虽然很容易组成以蓄电池为后备的简单的系统，但由于电压等级低，所以，要充分注意因电流而产生的电压降。

②电源系统的设计　交流和直流系统、不间断供电系统、一般性系统等类型的电源，都要考虑负荷的类型、重要程度以及与装置单元的对应关系等，以决定怎样分支。这时，为了保证某个下位支路的短路故障不影响其他支路，就要考虑断路器、熔断器的合理匹配。另外，还要考虑当电源设备发生故障时采用什么措施，要根据装置的要求，对电源设备的冗余、市电的旁路备用的有无做出选择。在采用有备用供电系统时，还要分析切换到备用电源时的瞬断时间对负荷的影响。

二、检测、变送系统

1.流量计

流量计分为用来测量瞬时流量的流量计和用来测量累积流量的流量计。前者通常用于控制，而后者则用于计量、销售等。

（1）差压式流量计　孔板式的差压流量计机构简单，价格便宜，标准规格完备，只要经过计算便可设计，不需要实际流量标定。由于差压变送器可靠性高，可以连续地、方便地改变流量测量范围即变更差压等优点，所以应用最广泛。这类流量计的缺点是刻度为方根特性，而且压力损失大，按标准规定安装时的精度为1%～2%。对于小流量和低雷诺数可以用各种流量喷嘴进行测量，还可采用在标准中没作规定的整体孔板（即内藏孔板）来测量小流量。当要求压力损失小或流体为浆液时可采用文丘里管，但其价格较高。见图2-5。

差压式流量计要求在节流装置的上、下游都有直管段，这在标准中已做了规定，但根据生产现场装置的情况有所不同。一般在上游为管径的10～50倍，在下游则为5倍左右。

（2）转子流量计（也称面积式流量计）　在小流量、低雷诺数的情况下采用差压式流量计难以测量时，可采用转子流量计。它是常采用的廉价的现场指示仪表，若采用蒸汽夹套等特殊结构，它还可用于可凝固性流体和浆液。其精度为1%～2%，上、下游不需要直管段。

（3）电磁流量计　它可用于导电性流体。由于可采用高耐腐蚀的结构，所以适用于测量酸等腐蚀性流体，还可测量浆液流体。无压力损失，测量流量范围宽，但要考虑接地问题。精度为0.5%～1.5%，上游侧要求有5～10倍管径的直管段。如图2-6所示。

①测量原理　电磁流量计的基本原理是法拉第电磁感应定律，即导体在磁场中做切割磁力线运动时，在导体两端会产生感应电动势，产生的感应电动势的大小与导体在磁场中的有效长度成正比，与导体垂直于磁场方向的运动速度成正比，其方向可由“弗莱明右手定则”判定。

导电流体在磁场中流动时，做切割磁力线运动，因此在管道两边的电极上产生感应电动势，其大小为Ex（单位为V），与系数K、磁感应强度B（单位为T）、管道内径D（单位为m）和液体的平均流速V（单位为m/s）成正比，可用数学表达式表示为Ex=KBDV。

而体积流量QV等于导电流体流速V与管道截面积（πD2）/4的乘积，可用数学表达式表示为QV=（πD2）V/4，把Ex=KBDV代入该式得QV=πDEx/（4KB），因此体积流量与感应电动势成正比，在K、B、D一定时，测出Ex的大小，便可计算出QV的大小。见图2-7。

②工作原理　根据以上的测量原理，在电磁流量计的测量管上下装有激磁线圈，用以产生磁场，在测量管轴线与磁力线相垂直的管壁内装有一对检测电极，用以检测产生的感应电动势的大小。得到感应电动势之后，便可以通过计算得出体积流量，并将该结果传送到转换器，再经放大、变换滤波等处理过程，将瞬时流量和累计流量显示于显示屏上。见图2-8。

③工作前提　以上所述电磁流量计原理都是在以下假定条件的前提下实现的，但这些条件未免有些理想化，因此电磁流量计的测量结果会存在微小的误差。其假定条件如下：

a.磁场线圈产生的是均匀分布的恒定磁场；

b.导电流体的流速是均匀的；

c.导电流体是非磁性的；

d.导电流体的电导率均匀，并且各向同性。

（4）漩涡流量计　当在管道中垂直插入棒状物时，在其下游就产生漩涡，漩涡的数目与流速成正比。因此，通过测出的漩涡数量就可以测出流量。漩涡流量计的测量范围宽，结构简单，压力损失小。但要求在上、下游有和孔板相同的直管段。可用于气体和液体，但由于黏性高的液体中漩涡产生困难，因此不通用。另外，当棒状漩涡发生器上附着被测流体时，会因为漩涡发生器的形状发生变化而产生误差，精度为1%～2%。

（5）超声波流量计　它是利用多普勒效应的原理制成的。在管道的某个距离之间，超声波的到达时间因流速不同而不同。另外，超声波会因流体中含有气泡和固状物而发生反射。超声波流量计虽然价格昂贵，但有在配管外部不接触流体便可测量的特点。其流量测量范围宽，无压力损失，但要求有和孔板一样的前后直管段。一般用于液体，但也有可用来测量浆液和气体的超声波流量计品种。它在大管径上应用是合算的。精度为1%～2%。上游侧的直管段为管径的10倍以上，下游侧为管径的5倍。

（6）容积式流量计　它的特点是精度高（为0.2%～0.5%），但像水表等廉价品的精度低（约4%）。对用于大流量的大口径流量计由于转子转动而产生流体的脉动和振动，产生噪声，所以要考虑低噪声型流量计。通常流量计的前后不要求直管段，不过要设过滤器。

（7）涡轮流量计　它的精度为0.2%～0.5%，比容积式流量计更适合用来测量大流量低黏度的液体。它还可制成测量高压流体的品种。这种流量计在检测器上设有累积值指示，利用电气原理来处理脉冲信号。要求有和孔板一样的前后直管段，通常要设过滤器。见图2-9。

2.温度计

温度是表示过程本身状态的重要参数。即使流量、压力不发生变化，在各工艺设备的前后，温度也要改变。由于它是对工艺的热平衡、运行状态进行监视的重点，并能廉价地进行远距离测量，所以，温度的测量点数在危险化学品生产过程中要比其他参数多。

（1）热电偶和热电阻　远距离测量温度最常用的是热电偶和热电阻。由于都属于电量测量的检测原理，所以不要变送器，可以直接通过配线将检测端接到控制室。热电偶的配线要根据热电偶的种类采用相应的补偿导线。为了避免热电阻温度设计因配线而产生误差，通常采用三线制配线。

（2）双金属温度计和压力式（温包）温度计　虽然它们的温度范围不宽，但由于便宜而广泛用于生产现场。压力式温度计的指示表可与检测部分分离设置。见图2-10。

（3）保护管　上述各种温度计的检测元件几乎都不能直接地插入流体里，而要采用保护管。保护管要能耐工艺流体的腐蚀，并且有一定的机械强度，其材质还不得给检测元件带来不良影响。R分度号的热电偶采用瓷管保护，其他分度号的则采用金属（多是不锈钢）保护管，当保护管的固有振动频率与因流体流动而产生的受迫振动的频率接近时，会产生共振而损坏保护管，所以应予以重视。

（4）辐射式温度计及其他　辐射式温度计是利用热辐射的原理进行测量的，它具有不需与被检测物体接触就能进行测量的特点，而用来测量高温物体和移动物体的温度。但由于是非接触测量，所以会因辐射率的设定而造成误差，测量时要注意这一点。在测量加热炉等的表面温度时，要采用铠装型热电偶。其前端做成座形或刀形，安装时要充分考虑防止热膨胀和火焰辐射的影响。如图2-11所示。

3.压力表

（1）压力表　压力通常为表压，测量微压（cmH2O～mH2O，1mmH2O=9.80665Pa，下同）时采用膜片式，大于此压力时采用波纹管或波登管。对于腐蚀性液体和凝固性、高黏度、浆液流体等可采用隔膜式。见图2-12。

（2）差压计　它用来测量压差。多用于差压式和液面计的差压测量。差压计多为膜片式，在生产现场也采用波纹管式和压强式。和压力测量一样，对于腐蚀性流体可用隔膜式。见图2-13。

1—过程接头（压力到入口）；2—膜盒传感器；3—精密弹簧；4—活塞顶杆；5—动触点；6—触点；7—设定点调整轴

（3）真空表　采用波纹管式或波登管式，现场指示可采用压强计。测量从真空到正压的叫做真空-大气压表。真空表见图2-14。

（4）绝压表　绝压表用来测量绝对压力，是把差压计的负压侧做成绝对真空而制成的。

4.液面计

（1）压力式或差压式　这是通过测量敞口容量的下部压力或是测量密闭容器的上下差压的方法来测量液位的。对于腐蚀性流体和凝固性、高黏性、浆液等流体，要根据流体的性质，选用在液相部用法兰直接连接，或同时在液相部、气相部采用膜片密封型的液面计。

（2）吹气式　它属于压力式或差压式，通过吹气根据其背压来测量液位。它能有效地用于腐蚀性液体、浆液状流体等。

（3）位移式　它通过测出加在浮子上的浮力来测量液位。通常用于测量量程在1.5m以下，不能使用差压式液面计的场合，以及本身带有气动调节器，用作现场液面调节器。一般采用外浮筒式，但对于凝固性流体等则可采用内浮筒式。见图2-15。

（4）罐用液面计　它用来测量储罐等测量范围大的液面。通过钢带等在储罐的外面把浮子液面上的浮子上下的位移取出，进行指示、变送。其中伺服式的精度高，可用于流体的控制。

（5）玻璃式液位计　它用作现场指示。当玻璃碎裂也不会发生危险时，可采用结构简单、价格低廉的玻璃管式液面计。通常采用力学性能强的反射式或透光式玻璃板液面计。还有可用于凝固性流体的蒸汽夹套式，用于0℃以下流体的防霜式和耐高温、高压的品种。对玻璃有腐蚀性的流体可采用云母衬里的玻璃板液面计。见图2-16。

1—针形阀；2，11—螺母；3，10—垫片；4—护板；5—标尺；6—接紧螺杆；7—夹头；8—保护套；9，13—螺钉；12—玻璃管；14—套管

（6）其他　放射线式液面计可从容器的外部进行测量。可在采用通常的方法不能测量的高压、腐蚀性的流体等场合下使用，但价格昂贵，具有统计误差，并受法令的限制。超声波液面计也可不接触液体进行测量。用来测量液面位于某个固定点的上方或下方的位式液面计可采用浮子式或电极式。

5.分析仪

分析仪由采样部分、测量部分、数据处理部分三个方面组成。

①采样部分负责取出试样、除尘、脱湿、调节压力和温度等预处理工作，然后把试样入测量部分，分析仪的问题大部分产生在采样部分，在统计时务必充分注意。

②测量部分是进行测量的。测量物质物理性质的方法很多，也有采用滴定等化学方法的。测量分连续式和间歇式。对于间歇式可通过采用程序控制来实现测量的自动化。如PGC（工艺用气相色谱仪）等。

③如果测量部分所测出的值能直接表示分析值时，可以不要数据处理部分；当测量值不经处理就不能表示分析值时，要先对测量值进行数据处理，使它变成分析值，如氧化锆分析仪等。近来已运用微处理器进行数据处理，以便直接显示分析值。

分析仪的最大通病是可靠性差。它和温度计、压力表等工业仪表不同，维护起来很棘手，而且易发生故障。因此，把分析仪用于控制回路时，要充分分析其可靠性，并采取相应的安全措施，使其确保安全生产。

三、接地仪表

1.仪表盘的设计与接收仪表

从检测器和变送器送来的信号由安装在控制室里的接收仪表接收，用作指示、记录、调节、报警等。接收仪表的选型与仪表盘的设计密切相关。

2.指示仪

指示仪有专用指示仪和多点指示仪。专用指示仪一般监视1～2个点；多点指示仪通过切换开关进行选点指示，它大多用于温度指示。点数越多越经济，还可节省盘面空间。

指示仪还可分为模拟式和数字式两种，专用指示仪几乎全是模拟式的。粗略地看一下指示仪就可直接进行判断，而且通常操作人员已把大多数指示仪的指示值作为特性曲线来进行判断，这是很有利的。液面指示仪可采用色带指示仪。数字式指示仪虽可直接读取数值，但因价格贵，常用作多点温度指示和储罐液面指示。

3.记录仪

（1）模拟量记录仪　模拟量记录仪最适用于把经常性的变化以曲线的形式给出的场合。它有单笔记录仪，2～4点的多点记录仪，大、中型记录仪中还有6～12点打点记录仪。记录纸上的记录可以作为运行记录，它能预报设备的异常。

对于危险化学品生产这个连续性过程来说，正常时是在一定的条件下连续运行的，记录出的几乎是一条直线，意义不大。这时可采用趋势记录仪，在装置开停车时，在插塞盘上任选监测点来记录过程参数的变化。还可以把记录仪安装在台车上或采用便携式的，这样就可以大大减少记录仪的数量，既节省了盘面空间，又很经济。

（2）数字式记录仪　它把检测的结果打印出来，可以和容积式流量计组合，把计算结果自动打印或报表。

4.调节器

（1）模拟式调节器　有和指示仪或记录仪相结合的指示调节器，调节记录仪和仅有调节功能的分立式调节器，还有指示的是工艺装置值与设定值之间的偏差而不是指示工艺变量的偏差指示调节器。调节记录仪和指示调节器及多点记录仪虽然功能不同，但都有节省盘面空间、减少仪表种类的特点。在不常变更设定值时，最好采用现场型调节器（即基地式调节器）。

（2）数字式调节器　它有用来接收容积式流量计等发出的脉冲信号，预设一个定量的批量调节器和用来控制多种流体混合比例的比值调节器等。

（3）分散型控制系统　分散型控制系统是由分散处理器、单回路数字调节器8、16、32个回路等的集散控制系统组成。单回路数字调节器原为一体的指示、操作部分和控制部分分离开来的。分散型系统以及单回路调节器中控制部分分离型调节器的显示、操作部分有的是用CRT和键盘组成操作台，也有的和模拟量调节器的形式相同。

5.程序控制设备

遇到与程控设备有关的设计时，大致都可采用以下五种通用方法，也有把它们组合起来使用的。

（1）凸轮式　这是在一根旋转轴上配置许多凸轮，利用凸轮的动作使接点开、合。动作程序主要按时间基准进行，多用于比较单一的程序控制上，如在危险化学品企业水处理的程序控制，就是使用凸轮式程控设备的。

（2）继电器和定时器方式　逻辑电路采用继电器或半导体逻辑元件，按确定的程序设计回路。由于继电器的方式简单，所以用得较多。采用半导体逻辑元件时要注意，不要因外部噪声而引起误动作。

（3）可变程序式　它用插针（针板形式）等使矩阵回路短路来组成任意的程序，程序变更容易。由于可组成程序的大小取决于矩阵的大小，所以不适应于较复杂的系统。

（4）可编程控制器　它采用了微处理器的使用方便的专用控制器。它由运算单元、记忆单元和输入输出单元等部分组成，由于程序可写入记忆单元（即储存器）内，所以变更容易。规模从小到大都有。

（5）采用电子计算机　若采用电子计算机，只要改变软件便可实现任意的程序，再复杂的程序控制也不成问题。但由于电子计算机价格高，在不是非常复杂的程序控制上使用是不经济的。

6.紧急安全设备

当危险化学品企业的各单元发生异常情况时紧急安全设备能够自动进行紧急动作，以保证工厂的各单元免受危险。从功能上看，它虽和程序控制的设备相同，但二者的目的不同，程序控制设备用于工厂正常运行时的自动化，而紧急动作设备则用于工厂出现异常时的运行自动化。

紧急动作设备对可靠性有特殊要求。由于它极少动作，所以问题不在于动作时的设备的老化和故障，而在于不动作设备的老化与故障。因此，它所选的部件必须保证处于长期不动作状态下仍然有很高的可靠性。

紧急动作设备的故障分为应动作时却不动作和不应动作反而动作两种故障。一般来说，前者故障的性质严重，所以大多数设计都是按当紧急动作设备本身发生异常时也马上进行紧急动作来考虑的。但是，由于工厂对生产要求紧迫，并因紧急动作设备上的故障而造成紧急停车则是个大问题。因此，要求兼顾这两种故障进行可靠性高的设计。

四、调节阀

1.调节阀的作用

调节阀的作用是当气源之类的压力源丧失时，从工艺的安全性上考虑，确定调节阀是处于开启状态还是关闭状态。通常，系统的进料、产品的输送、加热炉的燃料供给以及塔、槽等液面调节所用的调节阀在这时都要处于关闭状态，而作为塔压力调节阀则应处于开启状态。在做出决定时还要从工艺的整体安全性上进行考虑。

在自动控制系统中，调节阀是其常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。

2 调节阀的组成

调节阀由执行机构和调节机构组成，接受调节器或计算机的控制信号，用来改变被控介质的流量，使被调参数维持在所要求的范围内，从而达到过程控制的自动化。

（1）执行机构　执行机构按照驱动形式分为气动、电动和液动3种。气动执行机构具有结构简单、动作可靠、性能稳定、价格低廉、维护方便、防火防爆等优点，在许多控制系统中获得了广泛的应用。电动执行机构虽然不利于防火防爆，但其驱动电源方便可取，且信号传输速度快，便于远距离传输，体积小，动作可靠，维修方便，价格便宜。液动执行器的推力最大，调节精度高，动作速度快，运行平稳，但由于设备体积大，工艺复杂，所以目前使用不多。

执行机构不论是何种类型，其输出力都是用于克服负荷的有效力（主要是指不平衡力和不平衡力矩、摩擦力、密封力及重力等有关力的作用）。因此，为了使调节阀正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力，保证高度密封和阀门的开启。对执行机构输出力确定后。应根据工艺使用环境要求，选择相应的执行机构。例如，对于现场有防爆要求的，应选用气动执行机构，且接线盒为防爆型。如果没有防爆要求，则气动或电动执行机构都可选用，但从节能方面考虑，应尽量选用电动执行机构。对于要求调节精度高、动作速度快和运行平稳的工况，应选用液动执行机构。

综合各类执行器的特点，自动控制系统普遍采用电动执行机构。如结构简单、体积小的ZAZ直行程类及ZAJ角行程类，3610L（R）型电子式及SKD型多转电动执行机构等。各类执行机构尽管在结构上不完全相同，但基本结构都包括放大器、可逆电机、减速装置、推力机构、机械限位组件、弹性联轴器和位置反馈等部件。见图2-17。

电动执行机构一般需要与伺服放大器配套，接受调节器的信号，该信号经过伺服放大器放大后转换为三位继电信号，控制可逆电机正转或反转，带动调节机构，使阀门开启或关闭。

（2）调节机构　调节阀门是调节阀的调节机构，它根据控制信号的要求而改变阀门开度的大小来调节流量，是一个局部阻力可以变化的节流元件。调节阀门主要由上下阀盖、阀体、阀瓣、阀座、填料及压板等部件组成。在自动控制系统中，阀门主要的调节介质为水和蒸汽等。在压力比较低，使用情况单一的情况下，常用的调节阀有直通调节阀、三通调节阀和蝶阀等。

直通阀有直通单座阀和双座阀之分。单座阀结构简单，价格低廉，关闭时泄漏量小，但由于阀座前后存在的压差对阀瓣产生的不平衡力较大，所以适用于低压差的场合，例如，供水管或回水管中。双座阀有两个阀瓣阀座，在其关闭状态时，两个阀瓣的受力可部分抵消，阀瓣所受的不平衡力小，但是由于热胀冷缩效应，其同时关闭性较差，造价也较高，只适用于阀前后压差较高但密闭要求不高的场合，例如，供水或回水之间的压差旁通阀。

三通阀有三个出入口与管道相连，总进水量较恒定，适用于定水量系统中，并要求有固定的安装方向，不宜反装，不适于温差较大场合。三通调节阀有合流阀与分流阀之分。合流阀是将来自两个入口的流体混合至一个出口。分流阀则是将一个入口的流体分别由两个口送出。

蝶阀结构较简单，由阀体、蝶板轴及轴封等部分组成，其行程为0°～90°。蝶阀有两位式控制和比例控制两种方式。蝶阀的特点是阻力损失小、体积小、质量轻、安装方便，并且开启阀门和关闭阀门的允许压差较大，但其调节性能和关阀密闭性能较差，通常用于压差较大但调节性能要求不高的场所。除用作两通阀外，还可以用两个蝶阀组合，完成三通阀的功能。在自动控制系统中，开/关型电动蝶阀常用于冷水和热水系统中，作为水路的连通和关断控制。

3.性能

（1）工作原理　根据流体力学可知，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩流体，调节阀的流量可表示为：

　　（2-1）

式中　Q——调节阀某一开度的流量，mm3/s；

p1——调节阀进口压力，MPa；

p2——调节阀出口压力，MPa；

A——节流截面积，mm2；

ξ——调节阀阻力系数；

ρ——流体密度，kg/mm3。

由式（2-1）可知，当A一定，Δp=p1-p2也恒定时，通过阀的流量Q随阻力系数ξ变化，即阻力系数ξ愈大，流量愈小。而阻力系数ξ则与阀的结构和开度有关。所以调节器输出信号控制阀门的开或关，可改变阀的阻力系数，从而改变被调介质的流量。

（2）流量特性　调节阀的流量特性是指被调介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的关系。其数学表达式为：

　　（2-2）

式中　Qmax——调节阀全开时流量，mm3/s；

L——调节阀某一开度的行程，mm；

Lmax——调节阀全开时行程，mm。

调节阀的流量特性包括理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性是指在调节阀进出口压差固定不变情况下的流量特性，有直线、等百分比、抛物线及快开4种特性。

①流量特性性质特点　直线调节阀的相对流量与相对开度呈直线关系，即单位相对行程变化引起的相对流量变化是一个常数。

a.小开度时，流量变化大，而大开度时流量变化小；

b.小负荷时，调节性能过于灵敏而产生振荡，大负荷时调节迟缓而不及时。

②适应能力较差　等百分比单位相对行程的变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比。

a.单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的；

b.在全行程范围内工作都较平稳，尤其在大开度时，放大倍数也大。工作更为灵敏有效。

③应用广泛，适应性强　抛物线特性介于直线特性和等百分比特性之间，使用上常以等百分比特性代之。

a.特性介于直线特性与等百分比特性之间；

b.调节性能较理想，但阀瓣加工较困难。

④快开在阀行程较小时，流量就有比较大的增加，很快达到最大。

a.在小开度时流量已很大，随着行程的增大，流量很快达到最大；

b.一般用于双位调节和程序控制。

在实际系统中，阀门两侧的压力降并不是恒定的，使其发生变化的原因主要有两个方面。一方面，由于泵的特性，当系统流量减小时由泵产生的系统压力增加。另一方面，当流量减小时，盘管上的阻力也减小，导致较大的泵压加于阀门。因此调节阀进出口的压差通常是变化的，在这种情况下，调节阀相对流量与相对开度之间的关系，称为工作流量特性。具体可分为串联管道时的工作流量特性和并联管道时的工作流量特性。

（3）串联管道时的工作流量特性　调节阀与管道串联时，因调节阀开度的变化会引起流量的变化，由流体力学理论可知，管道的阻力损失与流量成平方关系。调节阀一旦动作，流量则改变，系统阻力也相应改变，因此调节阀压降也相应变化。串联管道时的工作流量特性与压降分配比有关。阀上压降越小，调节阀全开流量相应减小，使理想的直线特性畸变为快开特性，理想的等百分比特性畸变为直线特性。在实际使用中，当调节阀选得过大或生产处于非满负荷状态时，调节阀则工作在小开度，有时为了使调节阀有一定的开度，而将阀门开度调小以增加管道阻力，使流过调节阀的流量降低，实际上就是使压降分配比值下降，使流量特性畸变，恶化了调节质量。

（4）并联管道时的工作流量特性　调节阀与管道并联时，一般由阀支路和旁通管支路组成，调节阀安装在阀支路管路上。调节阀在并联管道上，在系统阻力一定时，调节阀全开流量与总管最大流量之比随着并联管道的旁路阀逐步打开而减少。此时，尽管调节阀本身的流量特性无变化，但系统的可调范围大大缩小，调节阀在工作过程中所能控制的流量变化范围也大大减小，甚至起不到调节作用。要使调节阀有较好的调节性能，一般旁路流量最多不超过总流量的20%。

4.调节阀的选择

（1）流量特性选择　流量特性的选择方法有两种，一种是通过数学计算的分析法，另一种是在实际工程中总结的经验法。由于分析法既复杂又费时，所以一般工程上都采用经验法。具体来说，应该从调节质量、工况条件、负荷及特性几个方面考虑。

①根据自动调节系统的调节质量　根据自动控制原理中的特性补偿原理，为了使系统保持良好的调节质量，希望开环总放大系数与各环节放大系数之积保持常数。应该适当选择阀的特性，以阀的放大系数变化来补偿对象放大系数的变化，从而使系统的总放大系数保持不变。

②根据管道系统压降变化情况　调节阀的压降比S定义为该调节阀可控制的最大流量所对应阀门进出口差压Δp1m和系统差压Δp之比，其数学表达式为：

　　（2-3）

调节阀流量特性与压降比S有密切的关系。

③根据负荷变化　直线阀在小开度时流量变化大，调节过于灵敏，易振荡。在大开度时，调节作用又显得微弱，造成调节不及时，不灵敏。因此在压降比S较小，负荷变化大的场合不宜采用直线阀。等百分比阀在接近关闭时工作缓和平稳，而接近全开状态时，放大系数大，工作灵敏有效，因此它适用于负荷变化幅度大的场合。快开特性阀在行程较小时，流量就较大，随着行程的增大，流量很快达到最大，它一般用于双位调节和程序控制的场合。

④根据调节对象的特性　一般有自平衡能力的调节对象都可选择等百分比流量特性的调节阀，不具有自平衡能力的调节对象则选择直线流量特性的调节阀。

（2）口径选择　调节阀口径是根据工艺要求的流通能力确定的，要根据提供的工艺条件计算出调节阀的流通能力，再依据其流通能力选择调节阀的口径。流通能力是指当调节阀全开，阀两端压差为 9.81×104Pa，流体的密度为 1g/cm3时，每小时流经调节阀的流量值，该值以m3/h或kg/h为单位。调节阀的流通能力是合理选择阀门及阀门口径的一个重要参数，通过对调节阀流通能力的计算，对比厂家提供的技术参数确定阀门口径的大小。对于自动控制系统来说，水是流经调节阀的常见的介质之一，所以以水为例介绍调节阀的流通能力C，其数学表达式为：

　　（2-4）

实际工程中，阀门口径是分级的，C值通常也不是连续值（公式计算的C值是连续的）。不同厂商的同类型产品有不同的C值与口径对应表。在计算出期望的C值后，就可以查阅生产商的相应产品数据表来决定所需的阀门口径。选取阀门口径的原则应尽可能接近或大于计算结果，不应小于计算结果。

（3）选用注意事项

①调节阀直接按照接管管径选取是不合理的。阀门的调节品质与接管流速或管径没有关系，阀门的调节品质仅与水的阻力及流量有关。亦即一旦系统设备确定之后，理论上适合该系统的阀门只有一种理想的口径，而不会出现多种选择。

②调节阀口径不能过小。选择的阀门口径过小，一方面会增加系统的阻力，甚至会出现阀门口径 100%开启时，系统仍无法达到设定的容量要求，导致严重后果。另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量，加重泵的负荷，阀门易受损害，对阀门的寿命影响很大。

③调节阀口径不能过大。选择的阀门口径过大，不仅增加工程成本，而且还会引起阀门经常运行在低百分比范围内，引起调节精度降低，使控制性能变差，而且易使系统受冲击和振荡。

④为了保证系统控制品质，最好的方法是在系统允许的范围内选择能获得较大压力降的阀门口径，使阀门在运转过程中压力降的变化值尽可能小。阀门全开状态下的压力降占全泵压百分比越高，则阀门压力降相对变化值越小，阀门的安装特性就越接近其内在特性。

⑤控制系统中调节阀应尽可能工作于恒定的压力降条件下，因为阀门是否匹配盘管依赖于它的内在特性和流量因子，而这些阀门参数取决于恒定的阀门压力降。

5.结语

设计调节阀时，要求对调节阀的组成、分类和特性有一个清楚的认识，并在此基础上掌握正确的选择方法。而且，对于一个实际系统配置调节阀时，还需要对整个管系环路进行详尽的分析，综合考虑各种因素。只有这样，才能正确地选择调节阀，保证调节系统的控制质量。危险化学品企业大多是实现了自动化的生产装置，都是通过调节阀来进行运转操作的。因此，除了装置上阀门的开闭及设备的启动外，可以说装置的运转大部分是通过操作调节器来进行的。虽然在这个阶段要通过水运可以检查仪表动作，但也有仪表在水运阶段不投入，而是在试运行时才投入的。此外，仪表在投入的初期容易出现故障，所以要查出故障点以便维修、修理。在仪表试运转时要注意以下几点。

①装置试运转开始时和水运时的情况一样，有可能由于操作条件与仪表的设计条件不一致而产生误差；

②装置运转初期的流量与正常运转时的流量相差很大。所以，有时仪表处于刻度范围的低值区运转，使仪表的误差增大；

③当装置本身运转不正常时，由于工艺变量正处于异常值，所以在仪表上也会出现异常值。因此要具有区分装置本身和仪表异常的能力。