第三章 流體輸送設(shè)備的控制(0)

1、2022-1-11第三章 流體輸送設(shè)備的控制3.1 概述流體輸送設(shè)備：流體輸送設(shè)備的控制： 液體 泵 氣體 風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)被控對(duì)象的特點(diǎn)： 在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中用于輸送流體和提高流體壓頭的機(jī)械設(shè)備。 為保證平穩(wěn)生產(chǎn)進(jìn)行的流量、壓力控制； 為保護(hù)輸送設(shè)備的安全而進(jìn)行的控制。 對(duì)象的時(shí)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(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)的位置不同，因此對(duì)象的時(shí)間常數(shù)很小。FCFTSP分餾塔 廣義對(duì)象的特性必須考慮測(cè)量環(huán)節(jié)和控制閥的特性，測(cè)量環(huán)節(jié)和控制閥的時(shí)間常數(shù)很小，因此廣義對(duì)象的時(shí)間常數(shù)較小，可控性較差。2022-1-12 因此進(jìn)行控制器參數(shù)整定時(shí)，應(yīng)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(cè)量信號(hào)伴有高頻噪聲 流量測(cè)量常采用節(jié)流裝置，流體通過(guò)節(jié)流裝置，喘動(dòng)加大，造成測(cè)量信號(hào)常常雜有高頻噪聲，影響控制品質(zhì)，因此應(yīng)對(duì)測(cè)量信號(hào)加以濾波。 廣義對(duì)象的靜態(tài)特性存在著非線性 通過(guò)選擇閥的特性，使廣義對(duì)象的靜特性近似為線性(原因是管道阻力變化影響對(duì)象的特性)。3.2 泵及壓縮機(jī)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(yīng)用較為普遍容積泵 1、離心泵 往復(fù)泵 旋轉(zhuǎn)泵 由葉輪、機(jī)殼組成，葉輪在電機(jī)帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)2022-1-13離心泵結(jié)構(gòu)往復(fù)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(shí)，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(yàn)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(kāi)度一定時(shí)，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(dāng)系統(tǒng)平衡時(shí)， 如圖中的C(平衡工作點(diǎn))點(diǎn)，即泵的特性曲線與管路特性曲線的交點(diǎn)。LHH 工作點(diǎn)應(yīng)滿足一定的工藝要求，通過(guò)改變閥的開(kāi)度(即 )改變工作點(diǎn)。Vh2022-1-16Q1nH2n3n4n2221QknkHQVhHQHLcfhphLhLpLfVHhhhh(1)直流節(jié)流法FCFTSPQH1c2c3c1LH2LH3LH離心泵工作點(diǎn)流量控制方案：通過(guò)控制器閥的開(kāi)度工作點(diǎn)CVh2022-1-17(2)改變泵的轉(zhuǎn)速nQH1c2c3cLH1n2n3n(3)通過(guò)旁路控制QHxrxr/FCFTSPrx2022-1-18 2、離心式壓縮機(jī) 優(yōu)點(diǎn)：

5、 壓縮機(jī)的潤(rùn)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(yùn)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(jì)性能較高 一臺(tái)大型離心式壓縮機(jī)通常有下列控制系統(tǒng)： 負(fù)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(jī)的固有特性，為使壓縮機(jī)安全運(yùn)行，必須采取相應(yīng)的控制。 注意： 旁路回流時(shí)，若多級(jí)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(shè)降壓消音裝置等措施； 調(diào)速時(shí)，要求氣輪機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍能夠滿足氣量調(diào)節(jié)的需要。缺點(diǎn)：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(yán)重?fù)p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(rèn)真設(shè)置相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 3.2.2 壓縮機(jī)的控制方案壓縮機(jī)的控制方案2022-1-19 壓縮機(jī)組的油路控制系統(tǒng) 如密封油、控制油、潤(rùn)滑油等通常也設(shè)立相應(yīng)的油壓、油溫聯(lián)鎖報(bào)警控制系統(tǒng)。 壓縮機(jī)主軸的軸向推力、軸向位移及振動(dòng)的指示與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)1、軸 2、軸封 3、工作輪 4、擴(kuò)壓器 5、蝸殼 6、工作輪葉片 7、擴(kuò)壓器葉片 單級(jí)離心式制冷壓縮機(jī)2022-1-1103.3 離心壓縮機(jī)的防喘振控制 1、特性曲線3.3.1 離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振 壓縮比：出口絕對(duì)壓力P2和入口絕對(duì)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(duì)于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排出量會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，同時(shí)機(jī)身也劇烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象叫離心式壓縮機(jī)的喘振。 由特性曲線發(fā)現(xiàn)，每一條曲線都對(duì)應(yīng)一個(gè)P2/P1值的最高點(diǎn)，在不同轉(zhuǎn)速下，把這些點(diǎn)連起來(lái)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(jī)的固有特性，事實(shí)上少數(shù)離心泵也可能喘振

8、，并較易說(shuō)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(gè)交點(diǎn)M和M1，M1：當(dāng)干擾發(fā)生Q泵的揚(yáng)程管路所需壓頭 Q 遠(yuǎn)離M 點(diǎn) 當(dāng)交點(diǎn)處管路特性的斜率大于泵特性的斜率時(shí)，是穩(wěn)定工作點(diǎn)；否則是不穩(wěn)定工作點(diǎn)。 實(shí)際上，圖中所示的裝置特性中，由于泵啟動(dòng)后的關(guān)閉揚(yáng)程H0小于管路的靜揚(yáng)程HM，管路中的流量建立不起來(lái)，根本無(wú)法工作。 理論上講都是工作點(diǎn)，但M1是穩(wěn)定工作點(diǎn)，M是不穩(wěn)定工作點(diǎn)。工作點(diǎn)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的判別：2022-1-112離心泵的實(shí)際運(yùn)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(gè)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(chǔ)存

9、和放出能量的地方。 對(duì)離心壓縮機(jī)，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(chǔ)能作用，故易發(fā)生不穩(wěn)跳動(dòng)的工況。2022-1-113 連接離心式壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線的最高點(diǎn)，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(fù)荷減小到一定程度最常見(jiàn)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(jī)進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，被壓縮氣體一般來(lái)自上一工序，上一工序的操作情況會(huì)影響分子量和溫度的變化，從而可能引起壓縮機(jī)的喘振。 鑒于目前的防喘振控制系統(tǒng)一般只對(duì)減小負(fù)荷而設(shè)，且分子量的變化無(wú)法進(jìn)行在線測(cè)量，故上述情況下，防喘振控制系統(tǒng)會(huì)“失靈”。對(duì)此需特加重視。 在同樣的吸入氣體流量QA下，當(dāng)溫度減低時(shí)，壓縮機(jī)易出現(xiàn)喘振。 影響壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮比。當(dāng)吸入壓力P1降低時(shí)，所需壓縮比增大，壓縮機(jī)易進(jìn)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(diǎn)的連線稱之

11、?？赏ㄟ^(guò) 理論推導(dǎo)獲得數(shù)學(xué)表達(dá)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(jī)允許工作的界限。安全操作線的表達(dá)式經(jīng)驗(yàn)公式 ：吸入氣體的絕對(duì)溫度1T ：吸入體積流量1Q ：吸入口、排出口的絕對(duì)壓力 21, PP ：為常數(shù)，由廠家給出,K 此經(jīng)驗(yàn)公式可針對(duì)不同的流量測(cè)量方法變?yōu)閷?shí)用公式。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(cè)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(duì)壓力P1和絕對(duì)溫度T1有一定的關(guān)系，可以依照不同的測(cè)量方法和儀表，將上式表達(dá)成更加適用的公式。代入氣體方程代入經(jīng)驗(yàn)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(jī)喘振主要是負(fù)荷減小引起的，而負(fù)荷的升降則是由工藝決定的，為使壓縮機(jī)不出現(xiàn)喘振，壓縮機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下的實(shí)際流量應(yīng)大于喘振極限所對(duì)應(yīng)的最小流量。根據(jù)這一思想，可采用循環(huán)流量法來(lái)設(shè)計(jì)壓縮機(jī)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(jī)始終保持大于某一定值流量，避免使工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。 如圖：PQ12PPQ1n2n3n 假設(shè) 為壓縮機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的喘振極限流量，只要滿足， 壓縮機(jī)就不會(huì)出現(xiàn)喘振。PQPQQ 打開(kāi)旁路閥，返回部分氣體 旁路閥關(guān)閉PQQPQQFCFTPQ氣關(guān)2022-1-118問(wèn)題：流量檢測(cè)點(diǎn)的位置，匯合點(diǎn)之前還是匯合點(diǎn)之后？ 旁路控制閥采用什么型式閥？為什么？特點(diǎn)：可靠性高、投資少、方案簡(jiǎn)單、適用于固定轉(zhuǎn)速場(chǎng)合； 不過(guò)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，能耗過(guò)大，負(fù)荷變動(dòng)經(jīng)常時(shí)不夠經(jīng)濟(jì)。 2、可變極限流量法 為了減小壓縮機(jī)的能量損耗，在壓縮機(jī)負(fù)荷波

14、動(dòng)的場(chǎng)合，可采用調(diào)轉(zhuǎn)速的辦法來(lái)保證壓縮機(jī)的負(fù)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(yīng)是在整個(gè)壓縮機(jī)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，工作點(diǎn)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(jī)吸入口壓力和出口壓力計(jì)算入口壓差，使其滿足上述條件。 據(jù)此，可設(shè)計(jì)出可變極限流量法防喘振控制系統(tǒng)：)(121PPmPP設(shè)測(cè),%Q1n2n3n0501000 . 10 . 20 . 312PP喘振區(qū)2022-1-119 旁路閥在壓縮機(jī)正常運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，測(cè)量始終大于設(shè)定值，因此必須注意防積分飽和； 在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)不能在壓縮機(jī)的入口處測(cè)量流量必須在出口

15、處測(cè)量，但壓縮機(jī)制造廠所提供的特性曲線規(guī)定的是入口測(cè)量，因此應(yīng)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(duì)壓力，而測(cè)量壓力為相對(duì)壓力，因此應(yīng)做相應(yīng)的變換。吸入PT101PT102 FC101PdT1011P2P12PP)(12PPm1P排出m例：催化裂化裝置上以蒸汽為動(dòng)力的輸送催化氣的氣壓機(jī)組防喘振控制方案 防喘振流量控制系統(tǒng)確保氣壓機(jī)安全運(yùn)行。注意： 氣壓機(jī)入口壓力控制系統(tǒng)用壓力控制器改變蒸汽透平的進(jìn)氣量來(lái)調(diào)節(jié)氣壓機(jī)轉(zhuǎn)速，使入口壓力保持恒定。由兩個(gè)控制系統(tǒng)組成：)(121PPmPP設(shè)測(cè)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(yùn)算單元的作用：U1: 將氣壓機(jī)出口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓1013. 0maPPU2: 將氣壓機(jī)入口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓再除U1的輸出，完成P2/P1運(yùn)算。U3: 對(duì)U2輸出信號(hào)作乘系數(shù)加偏置運(yùn)算，結(jié)果作為FC的設(shè)定值。U4: 將氣壓機(jī)入口表壓轉(zhuǎn)換成絕壓再除流量差壓信號(hào) P，完成 P/P1運(yùn)算，結(jié)果作為FC的測(cè)量值。，mPPmPP)(12112022-1-121 謝謝 謝！謝！2022-1-1223.4 壓縮機(jī)的串并聯(lián)運(yùn)行及其控制3.4.1 壓縮機(jī)的串聯(lián)運(yùn)行壓縮機(jī)的串聯(lián)運(yùn)行 一些生產(chǎn)過(guò)程中，采用一個(gè)離心式壓縮機(jī)壓頭不能滿足要求時(shí)，就需要兩臺(tái)或兩臺(tái)以上壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行，因此每臺(tái)壓縮機(jī)都應(yīng)防喘振，才能保證設(shè)備的

17、正常運(yùn)行。因一臺(tái)提供的壓頭不夠，故不能采用兩臺(tái)單獨(dú)的旁路回流量控制。 若每一臺(tái)都有自己的旁路,第二臺(tái)的吸入流量可能會(huì)很低,使防振控制不易實(shí)施。常采用第二臺(tái)出口到第一臺(tái)入口一個(gè)旁路返回，而每一臺(tái)有自己的防喘振控制器，兩臺(tái)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(tái)出現(xiàn)喘振就打開(kāi)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(jī)的并聯(lián)運(yùn)行壓縮機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行 下圖中，A、B機(jī)均設(shè)防喘振控制，各有自己的旁路管線，因此無(wú)論哪一臺(tái)壓縮機(jī)打開(kāi)旁路，均將影響壓縮機(jī)的吸入

18、條件及兩臺(tái)壓縮機(jī)的性能。 在生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)的流量(氣體量)不能滿足要求時(shí)，就需兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。 并聯(lián)運(yùn)行與單機(jī)運(yùn)行具有相似的控制問(wèn)題，由于每一臺(tái)壓縮機(jī)的變化都將影響其它臺(tái)的操作情況，因而控制問(wèn)題更為復(fù)雜。2022-1-124 為解決這一關(guān)聯(lián)問(wèn)題，需對(duì)負(fù)荷作合理分配，各有適當(dāng)回流量，而總輸出量為2Q QB2 。 離心式壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷分配 當(dāng)兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行在60%負(fù)荷情況下，將有兩個(gè)方面的問(wèn)題需要解決：兩臺(tái)壓縮機(jī)負(fù)荷的合理分配 A、B壓縮機(jī)在同轉(zhuǎn)速下稍有差異，B較A更易出現(xiàn)喘振。 當(dāng)總量減少時(shí)，B流量由Q QB1下降到到Q QB2時(shí)將出現(xiàn)喘振，但A卻仍處于安全運(yùn)行

19、狀態(tài)。當(dāng)B防喘振系統(tǒng)打開(kāi)旁路閥時(shí)，為達(dá)到負(fù)荷合理分配，需加快A的轉(zhuǎn)速，B也適當(dāng)加快，在增大流量的基礎(chǔ)上打開(kāi)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(jī)的負(fù)荷分配方案。 本方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行表明，在打開(kāi)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(jī)的串、并聯(lián)運(yùn)行方案實(shí)在工藝上單機(jī)無(wú)法滿足要求時(shí)提出的，串亮是為增壓，并聯(lián)是為擴(kuò)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(lái)復(fù)雜性。在最大效率下操作2022-1-126 方案成