第三章 流體輸送設備的控制(0)

1、2022-1-11第三章 流體輸送設備的控制3.1 概述流體輸送設備：流體輸送設備的控制： 液體 泵 氣體 風機、壓縮機被控對象的特點： 在石油化工生產(chǎn)過程中用于輸送流體和提高流體壓頭的機械設備。 為保證平穩(wěn)生產(chǎn)進行的流量、壓力控制； 為保護輸送設備的安全而進行的控制。 對象的時間常數(shù)小、可控性較差 如流量控制，受控變量和操縱變量常常是同一物料。只是檢測點和控制點的位置不同，因此對象的時間常數(shù)很小。FCFTSP分餾塔 廣義對象的特性必須考慮測量環(huán)節(jié)和控制閥的特性，測量環(huán)節(jié)和控制閥的時間常數(shù)很小，因此廣義對象的時間常數(shù)較小，可控性較差。2022-1-12 因此進行控制器參數(shù)整定時，應取較大的比例

2、度，為消除余差引入積分作用。泵的種類 主要可分為兩大類： 測量信號伴有高頻噪聲 流量測量常采用節(jié)流裝置，流體通過節(jié)流裝置，喘動加大，造成測量信號常常雜有高頻噪聲，影響控制品質(zhì)，因此應對測量信號加以濾波。 廣義對象的靜態(tài)特性存在著非線性 通過選擇閥的特性，使廣義對象的靜特性近似為線性(原因是管道阻力變化影響對象的特性)。3.2 泵及壓縮機的控制3.2.1 泵和管路系統(tǒng)的特性泵和管路系統(tǒng)的特性離心泵應用較為普遍容積泵 1、離心泵 往復泵 旋轉(zhuǎn)泵 由葉輪、機殼組成，葉輪在電機帶動下高速旋轉(zhuǎn)2022-1-13離心泵結(jié)構(gòu)往復泵旋轉(zhuǎn)泵2022-1-14壓頭轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)葉輪作用在液體上的離心力離心力壓頭 葉輪與

3、殼體之間有空隙，關(guān)閉泵的出口閥時，排量為零，壓頭最高，泵所做的功 熱。泵的特性：壓頭 與排量及轉(zhuǎn)速 之間的關(guān)系Hn經(jīng)驗公式：nHQHQ1nH2n3n4n 泵與管路聯(lián)接在一起，它的排量與壓頭的關(guān)系既與泵的特性有關(guān)，也與管路特性有關(guān)。2221QknkH21,kk比例系數(shù)管路特性：指的是管路系統(tǒng)中的流體流量與管路系統(tǒng)阻力之間的關(guān)系如圖所示管路系統(tǒng)阻力包括：Lh2p1p 管路兩端靜壓差引起的壓頭 流體提升一定高度所需壓頭)()(12grpphp 克服管路摩擦損失所需壓頭h hf fLh2022-1-15 控制閥兩端的節(jié)流壓頭h hv v，閥的開度一定時，與流量的平方成反比。VfLpLhhhhH 和 流

4、量的關(guān)系稱為管路特性LHQQVhHQHLcfhphLhQH 當系統(tǒng)平衡時， 如圖中的C(平衡工作點)點，即泵的特性曲線與管路特性曲線的交點。LHH 工作點應滿足一定的工藝要求，通過改變閥的開度(即 )改變工作點。Vh2022-1-16Q1nH2n3n4n2221QknkHQVhHQHLcfhphLhLpLfVHhhhh(1)直流節(jié)流法FCFTSPQH1c2c3c1LH2LH3LH離心泵工作點流量控制方案：通過控制器閥的開度工作點CVh2022-1-17(2)改變泵的轉(zhuǎn)速nQH1c2c3cLH1n2n3n(3)通過旁路控制QHxrxr/FCFTSPrx2022-1-18 2、離心式壓縮機 優(yōu)點：

5、 壓縮機的潤滑油等不污染被輸送的氣體 調(diào)節(jié)性能好，調(diào)節(jié)氣量的變化范圍廣 運行效率高、維修方便，元器件不易損壞 流量大，體積小，重量輕，經(jīng)濟性能較高 一臺大型離心式壓縮機通常有下列控制系統(tǒng)： 負荷控制系統(tǒng)，即氣量或出口壓力控制 直接節(jié)流法、旁路回流法、調(diào)速法 防喘振控制： 喘振是離心式壓縮機的固有特性，為使壓縮機安全運行，必須采取相應的控制。 注意： 旁路回流時，若多級壓縮，不宜從末段出口至第一段入口直接 旁路，宜采用分段旁路，或增設降壓消音裝置等措施； 調(diào)速時，要求氣輪機的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍能夠滿足氣量調(diào)節(jié)的需要。缺點：喘振、軸向推力大固有的、難以消除。常有可能因微小的偏差而造成嚴重損失，而且事故的

6、出現(xiàn)往往迅速猛烈，單靠人工處理措手不及。必須認真設置相應的控制系統(tǒng)。 3.2.2 壓縮機的控制方案壓縮機的控制方案2022-1-19 壓縮機組的油路控制系統(tǒng) 如密封油、控制油、潤滑油等通常也設立相應的油壓、油溫聯(lián)鎖報警控制系統(tǒng)。 壓縮機主軸的軸向推力、軸向位移及振動的指示與聯(lián)鎖保護系統(tǒng)1、軸 2、軸封 3、工作輪 4、擴壓器 5、蝸殼 6、工作輪葉片 7、擴壓器葉片 單級離心式制冷壓縮機2022-1-1103.3 離心壓縮機的防喘振控制 1、特性曲線3.3.1 離心式壓縮機的特性曲線及喘振離心式壓縮機的特性曲線及喘振 壓縮比：出口絕對壓力P2和入口絕對壓力P1之比P2/P1 特性曲線：壓縮比和

7、入口體積流量的關(guān)系曲線P P2 2/ /P P1 1Q Q； 效率和流量關(guān)系曲線 Q Q； 功率和流量之間關(guān)系曲線NQNQ。 對于控制系統(tǒng)設計而言，主要只用到壓縮比和入口體積流量的關(guān)系。 2、喘振 當負荷降低到一定程度時，氣體的排出量會出現(xiàn)強烈振蕩，同時機身也劇烈振動，這種現(xiàn)象叫離心式壓縮機的喘振。 由特性曲線發(fā)現(xiàn)，每一條曲線都對應一個P2/P1值的最高點，在不同轉(zhuǎn)速下，把這些點連起來就得到一條曲線 喘振極限曲線。 曲線左側(cè) 不穩(wěn)定區(qū)，喘振區(qū)。,%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū)2022-1-111 喘振是離心式壓縮機的固有特性，事實上少數(shù)離心泵也可能喘振

8、，并較易說明喘振原理。 少數(shù)離心泵其HQ性能曲線呈駝峰型，其與管路特性可能有兩個交點M和M1，M1：當干擾發(fā)生Q泵的揚程管路所需壓頭 Q 遠離M 點 當交點處管路特性的斜率大于泵特性的斜率時，是穩(wěn)定工作點；否則是不穩(wěn)定工作點。 實際上，圖中所示的裝置特性中，由于泵啟動后的關(guān)閉揚程H0小于管路的靜揚程HM，管路中的流量建立不起來，根本無法工作。 理論上講都是工作點，但M1是穩(wěn)定工作點，M是不穩(wěn)定工作點。工作點穩(wěn)定與不穩(wěn)定的判別：2022-1-112離心泵的實際運行中，可能發(fā)生的不穩(wěn)定情況如圖：離心泵工作中產(chǎn)生不穩(wěn)定工況需要兩個條件：泵的HQ特性曲線呈駝峰狀；管路裝置中要有能自由升降的液面或能儲存

9、和放出能量的地方。 對離心壓縮機，其性能曲線大多呈駝峰型，且輸送的介質(zhì)是可壓縮的氣體，只要串聯(lián)管路容積較大，就能起到儲能作用，故易發(fā)生不穩(wěn)跳動的工況。2022-1-113 連接離心式壓縮機不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線的最高點，即可得到喘振極限線，其左側(cè)部分稱喘振區(qū)。3.3.2 引起喘振的原因負荷減小到一定程度最常見原因；被壓縮氣體的吸入狀態(tài)：如分子量、溫度、壓力等的變化。 吸入氣體的分子量變化：同樣的吸入氣體流量QA下，分子量增大，壓縮機進入喘振區(qū)。,%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū) 喘振情況與管網(wǎng)特性有關(guān)： 管網(wǎng)容量越大，喘振的振幅越大，而頻率越低；管網(wǎng)容量越

10、小，則相反。2022-1-114 吸入氣體溫度的變化： 吸入氣體壓力的變化： 實際生產(chǎn)過程中，被壓縮氣體一般來自上一工序，上一工序的操作情況會影響分子量和溫度的變化，從而可能引起壓縮機的喘振。 鑒于目前的防喘振控制系統(tǒng)一般只對減小負荷而設，且分子量的變化無法進行在線測量，故上述情況下，防喘振控制系統(tǒng)會“失靈”。對此需特加重視。 在同樣的吸入氣體流量QA下，當溫度減低時，壓縮機易出現(xiàn)喘振。 影響壓縮機的實際壓縮比。當吸入壓力P1降低時，所需壓縮比增大，壓縮機易進入喘振區(qū)。3.3.3 3.3.3 喘振的極限方程及安全操作線喘振的極限方程及安全操作線喘振極限線：在不同轉(zhuǎn)速下，特性曲線最高點的連線稱之

11、?？赏ㄟ^ 理論推導獲得數(shù)學表達式。,%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū)2022-1-115 工程上，為了安全，將極限線右旋一角度，得安全線，作 為壓縮機允許工作的界限。安全操作線的表達式經(jīng)驗公式 ：吸入氣體的絕對溫度1T ：吸入體積流量1Q ：吸入口、排出口的絕對壓力 21, PP ：為常數(shù)，由廠家給出,K 此經(jīng)驗公式可針對不同的流量測量方法變?yōu)閷嵱霉?。安全操作線： 可用一拋物線方程近似：12112TQKPP,%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū)2022-1-116用差壓法測流量111PQ 入口處氣體密度常數(shù)氣體壓縮系

12、數(shù)111zRTMP2211121PQzRTMP 2222211111111PPPzRTKzRPMPTMP K221KzRmM 令： 由于上式中的吸入口氣體的體積流量Q1、絕對壓力P1和絕對溫度T1有一定的關(guān)系，可以依照不同的測量方法和儀表，將上式表達成更加適用的公式。代入氣體方程代入經(jīng)驗公式：)(121PPmP2022-1-117 3.3.4 防喘振控制系統(tǒng)防喘振控制系統(tǒng) 由上述分析可知，壓縮機喘振主要是負荷減小引起的，而負荷的升降則是由工藝決定的，為使壓縮機不出現(xiàn)喘振，壓縮機在任何轉(zhuǎn)速下的實際流量應大于喘振極限所對應的最小流量。根據(jù)這一思想，可采用循環(huán)流量法來設計壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)。有兩

13、類： 固定極限流量法和可變極限流量法 1、固定極限流量法 采用部分循環(huán)法，使壓縮機始終保持大于某一定值流量，避免使工作點進入喘振區(qū)。 如圖：PQ12PPQ1n2n3n 假設 為壓縮機達到最高轉(zhuǎn)速所對應的喘振極限流量，只要滿足， 壓縮機就不會出現(xiàn)喘振。PQPQQ 打開旁路閥，返回部分氣體 旁路閥關(guān)閉PQQPQQFCFTPQ氣關(guān)2022-1-118問題：流量檢測點的位置，匯合點之前還是匯合點之后？ 旁路控制閥采用什么型式閥？為什么？特點：可靠性高、投資少、方案簡單、適用于固定轉(zhuǎn)速場合； 不過轉(zhuǎn)速較低時，能耗過大，負荷變動經(jīng)常時不夠經(jīng)濟。 2、可變極限流量法 為了減小壓縮機的能量損耗，在壓縮機負荷波

14、動的場合，可采用調(diào)轉(zhuǎn)速的辦法來保證壓縮機的負荷滿足工藝要求，但在不同的轉(zhuǎn)速下，其極限流量不同，因此合理的方案應是在整個壓縮機負荷變化范圍內(nèi)，工作點沿如圖所示的安全線變化，即保證1212TQKPP)(121PPmP 或方案如下： 根據(jù)壓縮機吸入口壓力和出口壓力計算入口壓差，使其滿足上述條件。 據(jù)此，可設計出可變極限流量法防喘振控制系統(tǒng)：)(121PPmPP設測,%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū)2022-1-119 旁路閥在壓縮機正常運行的整個過程中，測量始終大于設定值，因此必須注意防積分飽和； 在實際的生產(chǎn)過程中，有時不能在壓縮機的入口處測量流量必須在出口

15、處測量，但壓縮機制造廠所提供的特性曲線規(guī)定的是入口測量，因此應將喘振安全操作線方程改寫成出口流量； 喘振安全操作線方程式中出入口壓力為絕對壓力，而測量壓力為相對壓力，因此應做相應的變換。吸入PT101PT102 FC101PdT1011P2P12PP)(12PPm1P排出m例：催化裂化裝置上以蒸汽為動力的輸送催化氣的氣壓機組防喘振控制方案 防喘振流量控制系統(tǒng)確保氣壓機安全運行。注意： 氣壓機入口壓力控制系統(tǒng)用壓力控制器改變蒸汽透平的進氣量來調(diào)節(jié)氣壓機轉(zhuǎn)速，使入口壓力保持恒定。由兩個控制系統(tǒng)組成：)(121PPmPP設測2022-1-120為使控制有效，要求入口氣溫穩(wěn)定。所用防喘振安全操作線方程

16、：運算單元的作用：U1: 將氣壓機出口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓1013. 0maPPU2: 將氣壓機入口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓再除U1的輸出，完成P2/P1運算。U3: 對U2輸出信號作乘系數(shù)加偏置運算，結(jié)果作為FC的設定值。U4: 將氣壓機入口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓再除流量差壓信號 P，完成 P/P1運算，結(jié)果作為FC的測量值。，mPPmPP)(12112022-1-121 謝謝 謝！謝！2022-1-1223.4 壓縮機的串并聯(lián)運行及其控制3.4.1 壓縮機的串聯(lián)運行壓縮機的串聯(lián)運行 一些生產(chǎn)過程中，采用一個離心式壓縮機壓頭不能滿足要求時，就需要兩臺或兩臺以上壓縮機串聯(lián)運行，因此每臺壓縮機都應防喘振，才能保證設備的

17、正常運行。因一臺提供的壓頭不夠，故不能采用兩臺單獨的旁路回流量控制。 若每一臺都有自己的旁路,第二臺的吸入流量可能會很低,使防振控制不易實施。常采用第二臺出口到第一臺入口一個旁路返回，而每一臺有自己的防喘振控制器，兩臺控制器的輸出經(jīng)低LS輸出去控制旁路閥。LS的作用是只要有一臺出現(xiàn)喘振就打開旁路閥，以防喘振發(fā)生。入吸PT101PT102 LSFC1011P2P排出FT101FT102PT103 3PFC10212112TQKPP2022-1-1233.4.2 壓縮機的并聯(lián)運行壓縮機的并聯(lián)運行 下圖中，A、B機均設防喘振控制，各有自己的旁路管線，因此無論哪一臺壓縮機打開旁路，均將影響壓縮機的吸入

18、條件及兩臺壓縮機的性能。 在生產(chǎn)過程中，當一臺壓縮機的流量(氣體量)不能滿足要求時，就需兩臺或兩臺以上的壓縮機并聯(lián)運行。 并聯(lián)運行與單機運行具有相似的控制問題，由于每一臺壓縮機的變化都將影響其它臺的操作情況，因而控制問題更為復雜。2022-1-124 為解決這一關(guān)聯(lián)問題，需對負荷作合理分配，各有適當回流量，而總輸出量為2Q QB2 。 離心式壓縮機并聯(lián)運行時的負荷分配 當兩臺壓縮機運行在60%負荷情況下，將有兩個方面的問題需要解決：兩臺壓縮機負荷的合理分配 A、B壓縮機在同轉(zhuǎn)速下稍有差異，B較A更易出現(xiàn)喘振。 當總量減少時，B流量由Q QB1下降到到Q QB2時將出現(xiàn)喘振，但A卻仍處于安全運行

19、狀態(tài)。當B防喘振系統(tǒng)打開旁路閥時，為達到負荷合理分配，需加快A的轉(zhuǎn)速，B也適當加快，在增大流量的基礎上打開旁路閥，并保持出口壓力P P2穩(wěn)定。A增加到 Q QA2+0.3(Q QB2-Q QA2); B增加到 Q QB2+0.7(Q QB2-Q QA2)看圖：2022-1-125控制方案如圖：圖中表示B機的負荷分配方案。 本方案現(xiàn)場實際調(diào)試和運行表明，在打開旁路有氣體回流、影響吸入壓力不大的情況下是行之有效的。 離心式壓縮機的串、并聯(lián)運行方案實在工藝上單機無法滿足要求時提出的，串亮是為增壓，并聯(lián)是為擴大輸出氣量。從效率角度看都不是推薦的使用方法，并給防喘振控制系統(tǒng)帶來復雜性。在最大效率下操作2022-1-126 方案成