流體輸送設備的控制

1、第 2 篇 過程控制工程石油、化工等生產(chǎn)過程，是由一系列基本單元操作的設備和裝置組成的生產(chǎn)線來完成的。單元操作主要有：流體輸送、傳熱、傳質(zhì)和化學反應等。本篇主要介紹各典型單元操作的控制：典型單元操作的背景、控制的需要、動靜態(tài)特性的分析、整體控制方案的確定。單元操作中的控制方案設置主要考慮的四個方面：物料平衡控制、能量平衡控制、質(zhì)量控制、約束條件控制。第10章 流體輸送設備的控制10.1 概述流體：輸送的物料流和能量流。流體分為液體、氣體。流體輸送設備：用于輸送流體和提高流體壓頭的機械設備。流體輸送設備分：泵（輸送液體和提高其壓頭的機械）、風機和壓縮機（輸送氣體并提高其壓力的機械）。對流體輸送設

2、備的控制主要保證物料平衡的流量和壓力控制。離心式壓縮機的防喘振控制是保護設備安全的約束控制。由于流體輸送設備的控制主要是保證物料平衡的流量控制，因此流量控制系統(tǒng)中的有關問題再作簡要敘述：1、流量控制對象的被控變量和操縱變量是同一物料的流量，因此控制通道的時間常數(shù)很小，基本上是放大倍數(shù)接近1的放大環(huán)節(jié)。所以廣義對象特性中測量變送及控制閥的慣性滯后不能忽略，各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)在數(shù)量級上相同且數(shù)值不大，組成的控制系統(tǒng)可控性較差、頻率較高。為此控制器的比例度必須放得大些，可引入積分作用消除余差?？刂崎y一般不安裝閥門定位器，以免造成振蕩。2、流量測量常用節(jié)流裝置，由于流體通過節(jié)流裝置時喘動加大，使被控變量

3、的信號常有脈動情況出現(xiàn)，并伴有高頻噪聲。所以應考慮對信號的濾波，在控制系統(tǒng)中也不能引入微分作用。工程上有時還在變送器與控制器之間接入反微分器（相當于慣性環(huán)節(jié)），以提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3、流量系統(tǒng)的廣義對象靜態(tài)特性的非線性問題。4、對于流量信號的測量精度要求，一般除直接作為經(jīng)濟核算外，無需過高，只要穩(wěn)定，變差小就行。10.2 泵和壓縮機的控制泵可分為離心泵和容積式泵兩大類。一、 離心泵的控制方案1、離心泵工作原理 離心泵主要由葉輪和機殼組成，葉輪在原動機帶動下作高速旋轉(zhuǎn)運動，離心泵的出口壓力由旋轉(zhuǎn)葉輪作用于液體而產(chǎn)生離心力，轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，壓頭也越高。2、離心泵特性由于離心泵的葉輪和機殼之

4、間存在空隙，泵的出口閥全閉，液體在泵體內(nèi)循環(huán)，泵的排量為零，壓頭最大；隨著出口閥的逐步開啟，排出量隨之增大，出口壓力將慢慢下降。泵的壓頭H，排量Q和轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關系:H=R1n2 R2Q2hvhfhLp1p2排出量Q 壓頭Hn1n2n3n4aaHL=hp+hL+hf +hv3、管路特性項阻力：1)管路兩端的靜壓差引起的壓頭hp；2)管路兩端的靜壓柱高度hL ；3)管路中的摩擦損失壓頭hf ；排出量Q 壓頭HLhvhfhLhpHHLC4)控制閥兩端節(jié)流損失壓頭hv 管路特性曲線當系統(tǒng)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)時，泵的壓頭H必然等于HL，這是建立平衡得條件。左圖中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點C，即是

5、泵的平衡工作點。排出量Q 壓頭HHL1C3C2C1HL2HL3工作點C的流量應符合工藝預定的要求，可以通過改變hv或其它手段來滿足這一要求，這是離心泵的壓力（流量）的控制方案的主要依據(jù)。4、離心泵的控制方案1）直接節(jié)流法FC注意：直接節(jié)流法的控制閥應安裝在泵的出口管道上，而不能裝在泵的吸入管道上。否則會出現(xiàn)“氣縛”及“氣蝕”現(xiàn)象?？刂崎y一般宜裝在檢測元件（如孔板）的下游，這樣將對保證測量精度有好處。直接節(jié)流法的優(yōu)點是簡單易行。但在小流量時總的機械效率較低。一般不宜用在流量低于正常排量的30%的場合。2）改變泵的轉(zhuǎn)速n改變泵轉(zhuǎn)速的方法有兩類：一類是調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速：以汽輪機為原動機時可調(diào)節(jié)蒸汽流

6、量或?qū)蛉~片的角度；若以電動機作原動機時，采用變頻調(diào)速等裝置。另一類是原動機與泵之間的聯(lián)軸調(diào)速結(jié)構(gòu)上改變轉(zhuǎn)速比來控制轉(zhuǎn)速。排出量Q 壓頭Hn1n2n3n4aa FC調(diào)轉(zhuǎn)速原動機采用這種方法，管道上無需裝控制閥，減少了阻力損耗，泵的機械效率得以提高。然而，調(diào)速裝置的設備費比較高，故這種方式多應用于大功率、重要的泵裝置上。3）改變旁路回流量FC采用這種控制方式，必然有一部分能量損耗在旁路管道和控制閥上，所以泵的機械效率也是比較低的。但它具有采用小口徑控制閥的優(yōu)點。二、容積式泵的控制方案容積式泵有兩類：一類是往復泵；另一類是直接位移旋轉(zhuǎn)泵。它們有共同的結(jié)構(gòu)特點：泵的運動部件與機殼之間的空隙很小，液體

7、不能在縫隙中流動，所以泵的排量大小與管路系統(tǒng)基本無關。往復泵流量只取決于單位時間內(nèi)的往復次數(shù)及沖程的大??；旋轉(zhuǎn)泵流量僅取決于轉(zhuǎn)速。由于這類泵的排量與管路阻力基本無關，故絕不可在出口處安裝控制閥來控制流量，一旦出口閥關死，將造成泵損、機毀的危險。容積式泵常用的控制方案：改變原動機的轉(zhuǎn)速；改變往復泵的沖程； 調(diào)節(jié)回流量。采用旁路調(diào)節(jié)來控制出口壓力，然后用直接節(jié)流閥控制其流量FCPC往復泵出口壓力和流量控制三、壓縮機的控制方案壓縮機與泵一樣，也有往復式與離心式之分。壓縮機的流量（壓力）控制方案與泵基本相似，即調(diào)速、旁路、節(jié)流等。往復式壓縮機主要用于流量小、壓縮比較高的場合，可采用吸入管節(jié)流的控制方案

8、。離心式壓縮機向著高壓、高速、大容量和高度自動化方向發(fā)展。與往復式壓縮機相比較，具有以下優(yōu)點：體積小，重量輕，流量大；運行效率高，易損件少，維修簡單；供氣均勻，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，氣量控制的變化范圍廣；壓縮機的潤滑油不會污染被輸送的氣體；有較好的經(jīng)濟性能。離心式壓縮機的缺點： 喘振； 軸向推力大等。大型離心式壓縮機需要設立的自控系統(tǒng)：氣量控制系統(tǒng)；防喘振控制系統(tǒng)；壓縮機油路控制系統(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)。10.3 離心式壓縮機的防喘振控制一、喘振現(xiàn)象及原因當負荷低于某一定值時，氣體的正常輸送遭到破壞，氣體的排出量時多時少，忽進忽出，發(fā)生強烈震蕩，并發(fā)出如同哮喘病人“

9、喘氣”的噪聲。這種現(xiàn)象就是離心式壓縮機的喘振，或稱“飛動”。MM1TP2/p1P2/p1 QQQM喘振是離心式壓縮機的固有特性，由特性曲線呈駝峰型而引起的；如圖離心式壓縮機工作點從穩(wěn)定工作點、內(nèi)部能量平衡來解釋：M1點是穩(wěn)定工作點： M點是不穩(wěn)定工作點：把不同轉(zhuǎn)速下特性曲線的極值點連接起來，所得曲線稱為喘振極限線。引起離心式壓縮機喘振的直接原因是負荷的下降，使工作流量Q1小于極限流量Q p 。排出量Q n1n2n3P2/p1Qp1Qp2Qp3喘振區(qū)工作區(qū)離心式壓縮機喘振極限線引起離心式壓縮機喘振得直接原因是負荷的下降，另外還有工藝上的原因：a）氣體的吸入狀態(tài)的變化；b）管網(wǎng)阻力的變化使管道特性

10、發(fā)生變化。T1、M1、p1P2/p1Q喘振線管路特性吸入狀態(tài)變化與喘振關系P2/p1Q喘振線管路特性管路阻力變化與喘振關系阻力 二、防喘振控制系統(tǒng)喘振控制系統(tǒng)設計思路： 在任何轉(zhuǎn)速條件下，通過壓縮機的實際流量都不小于喘振極限流量Qp。即當負荷減少時，采取部分回流的方法，保證Q>Qp。1、固定極限流量防喘振控制2、可變極限流量防喘振控制1、 固定極限流量防喘振控制2、固定極限流量防喘振控制方案壓縮機FC吸入循環(huán)排出P2/p1Qp喘振極限值Q具有實現(xiàn)簡單、使用儀表少、可靠性高的優(yōu)點。但當旁路閥打開，部分氣體回流，造成能量的浪費。適用于固定轉(zhuǎn)速的場合或負荷不經(jīng)常變化的生產(chǎn)裝置。2、可變極限流量

11、防喘振控制 它是在整個壓縮機負荷變化范圍內(nèi)，設置極限流量跟隨轉(zhuǎn)速而變的一種防喘振控制。安全操作線喘振極限線n1n2n3P2/p1喘振極限線于安全線Q2實現(xiàn)可變極限流量防喘振控制，關鍵是確定壓縮機喘振極限線方程。需解決兩個問題：安全操作線的數(shù)學方程的建立； 用儀表等技術工具實現(xiàn)上述數(shù)學方程的運算。安全操作線可用一個拋物線方程來近似，它由生產(chǎn)廠給出，常用的幾種形式：（10-3）（10-4）（10-5）下面以（10-3）所示的操作線，說明如何組成一個可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)。（10-3）經(jīng)推導得到：壓縮機FC吸入循環(huán)排出P1TP2TP1d × P2-aP1m(P2-aP1)可變極限流量防

12、喘振控制系統(tǒng)之一(10-10)也可改寫為：壓縮機FC吸入循環(huán)排出P1TP2TP1d ÷ P2-aP1P1/(P2-aP1)可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)之二r/bK2在防喘振控制系統(tǒng)中，當測量值大于給定值時，旁路閥始終關閉；而當測量值小于給定值時，則控制器去開啟控制閥到一定位置，故能防止喘振的出現(xiàn)，確保壓縮機的安全運行。在設計防喘振控制系統(tǒng)時，尚需注意以下問題： 防喘振控制器的防積分飽和；相對壓力與絕對壓力的轉(zhuǎn)換； 有時不能在入口處測量流量，而必須改出口處測量時，需要將喘振安全操作線方程進行改寫。3、應用實例下圖為某催化裂化裝置上輸送催化氣的離心式壓縮機的防喘振控制方案。這臺壓縮機是由蒸汽透平機來帶動的。圖中有兩套控制系統(tǒng)。FC吸入循環(huán)排出P1TP2TP1d × PC÷ ÷ 蒸汽三、壓縮機串并聯(lián)運行及防喘振串聯(lián)運行：提高壓縮機的出口壓頭；并聯(lián)運行：增大壓縮機的出口流量。 壓縮機串聯(lián)運行時，其防喘振控制對每臺而言，與單機運行是一樣的。但如果串聯(lián)運行的兩臺壓縮機只有一個旁路閥時，防喘振控制方案就需