工藝控制演示 - 離心泵

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(shè)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(xué)反應(yīng)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(dòng)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(shè)置主要考慮的四個(gè)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(shè)備的控制 10.1 概述 10.2 泵和壓縮機(jī)的控制 10.3 離心式壓縮機(jī)的防喘振控制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(shè)備：用于輸送流體和提高流體壓頭的機(jī)械設(shè)備。流體輸送設(shè)備分

2、：泵（輸送液體和提高其壓頭的機(jī)械）、風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)（輸送氣體并提高其壓力的機(jī)械）。 對流體輸送設(shè)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(jī)的防喘振控制是保護(hù)設(shè)備安全的約束控制。 由于流體輸送設(shè)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(guān)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(shí)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(shí)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。控制閥一般不

3、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(shí)喘動(dòng)加大，使被控變量的信號常有脈動(dòng)情況出現(xiàn)，并伴有高頻噪聲。所以應(yīng)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(shí)還在變送器與控制器之間接入反微分器（相當(dāng)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(jì)核算外，無需過高，只要穩(wěn)定，變差小就行。10.2 泵和壓縮機(jī)的控制一、 離心泵的控制方案泵可分為離心泵和容積式泵兩大類1、離心泵工作原理 離心泵主要由葉輪和機(jī)殼組成，葉輪在原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，離心泵的出口壓力由旋轉(zhuǎn)葉輪

4、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(jī)殼之間存在空隙，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(guān)系:H=R1n2 R2Q2排出量Q 壓頭Hn1n2n3n4aa3、管路特性hvhfhLp1p2HL=hp+hL+hf +hvgpphp124項(xiàng)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 ；4)控制閥兩端節(jié)流損失壓頭hv ；管路特性曲線 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，泵的壓頭H必然

5、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(diǎn)C，即是泵的平衡工作點(diǎn)。 工作點(diǎn)C的流量應(yīng)符合工藝預(yù)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)。排出量Q 壓頭HLhvhfhLhpHHLC4、離心泵的控制方案1）直接節(jié)流法排出量Q 壓頭HHL1C3C2C1HL2HL3FC注意：直接節(jié)流法的控制閥應(yīng)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(huì)出現(xiàn)“氣縛”及“氣蝕”現(xiàn)象。 控制閥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(diǎn)是簡單易行。但在小流量時(shí)總的機(jī)械效率較低。一般不宜用在流量

6、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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：以汽輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)時(shí)可調(diào)節(jié)蒸汽流量或?qū)蛉~片的角度；若以電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī)時(shí)，采用變頻調(diào)速等裝置。另一類是原動(dòng)機(jī)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。2）改變泵的轉(zhuǎn)速n排出量Q 壓頭Hn1n2n3n4HLFC調(diào)轉(zhuǎn)速原動(dòng)機(jī) 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(jī)械效率得以提高。然而，調(diào)速裝置的設(shè)備費(fèi)比較高，故這種方式多應(yīng)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(jī)械效率也是比較低的。但它具有采用小口徑控制閥

7、的優(yōu)點(diǎn)。二、容積式泵的控制方案 容積式泵有兩類：一類是往復(fù)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(diǎn)：泵的運(yùn)動(dòng)部件與機(jī)殼之間的空隙很小，液體不能在縫隙中流動(dòng)，所以泵的排量大小與管路系統(tǒng)基本無關(guān)。 往復(fù)泵流量只取決于單位時(shí)間內(nèi)的往復(fù)次數(shù)及沖程的大小； 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(guān)，故絕不可在出口處安裝控制閥來控制流量，一旦出口閥關(guān)死，將造成泵損、機(jī)毀的危險(xiǎn)，容積式泵常用的控制方案：改變原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；改變往復(fù)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(fù)泵出口壓力和流量控制三、壓縮機(jī)的控制方案 壓縮機(jī)與泵一樣，也

8、有往復(fù)式與離心式之分。 壓縮機(jī)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(fù)式壓縮機(jī)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。 離心式壓縮機(jī)向著高壓、高速、大容量和高度自動(dòng)化方向發(fā)展。與往復(fù)式壓縮機(jī)相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：離心式壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 體積小，重量輕，流量大； 運(yùn)行效率高，易損件少，維修簡單； 供氣均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，氣量控制的變化范圍廣； 壓縮機(jī)的潤滑油不會(huì)污染被輸送的氣體； 有較好的經(jīng)濟(jì)性能。離心式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)： 喘振； 軸向推力大等。大型離心式壓縮機(jī)需要設(shè)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(jī)油路控制系統(tǒng)； 壓縮機(jī)主軸的軸向推力、軸向位

9、移及振動(dòng)的指示與聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。10.3 離心式壓縮機(jī)的防喘振控制 當(dāng)負(fù)荷低于某一定值時(shí)，氣體的正常輸送遭到破壞，氣體的排出量時(shí)多時(shí)少，忽進(jìn)忽出，發(fā)生強(qiáng)烈震蕩，并發(fā)出如同哮喘病人“喘氣”的噪聲。這種現(xiàn)象就是離心式壓縮機(jī)的喘振，或稱“飛動(dòng)”。 喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，由特性曲線呈駝峰型而引起的；如圖一、喘振現(xiàn)象及原因MM1TP2/p1P2/p1 QQQM離心式壓縮機(jī)工作點(diǎn)M1點(diǎn)是穩(wěn)定工作點(diǎn)：M點(diǎn)是不穩(wěn)定工作點(diǎn)：從穩(wěn)定工作點(diǎn)、內(nèi)部能量平衡來解釋排出量Q n1n2n3P2/p1Qp1Qp2Qp3喘振區(qū)工作區(qū)離心式壓縮機(jī)喘振極限線 把不同轉(zhuǎn)速下特性曲線的極值點(diǎn)連接起來，所得曲線稱為喘振極限線。 引

10、起離心式壓縮機(jī)喘振的直接原因是負(fù)荷的下降，使工作流量Q1小于極限流量Q p 。T1、M1、p1P2/p1Q喘振線管路特性吸入狀態(tài)變化與喘振關(guān)系 引起離心式壓縮機(jī)喘振得直接原因是負(fù)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發(fā)生變化。P2/p1Q喘振線管路特性管路阻力變化與喘振關(guān)系阻力 二、防喘振控制系統(tǒng) 喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路： 在任何轉(zhuǎn)速條件下，通過壓縮機(jī)的實(shí)際流量都不小于喘振極限流量Qp。即當(dāng)負(fù)荷減少時(shí)，采取部分回流的方法，保證QQp。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固定極限流量防喘振控制方案FC吸入循環(huán)

11、排出P2/p1Qp喘振極限值Q 具有實(shí)現(xiàn)簡單、使用儀表少、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)旁路閥打開，部分氣體回流，造成能量的浪費(fèi)。適用于固定轉(zhuǎn)速的場合或負(fù)荷不經(jīng)常變化的生產(chǎn)裝置。2、可變極限流量防喘振控制 它是在整個(gè)壓縮機(jī)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，設(shè)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(shí)現(xiàn)可變極限流量防喘振控制，關(guān)鍵是確定壓縮機(jī)喘振極限線方程。需解決兩個(gè)問題：安全操作線的數(shù)學(xué)方程的建立； 用儀表等技術(shù)工具實(shí)現(xiàn)上述數(shù)學(xué)方程的運(yùn)算。 安全操作線可用一個(gè)拋物線方程來近似，它由生產(chǎn)廠給出，常用的幾種形式：212121101212112QHQaQaapp

12、TQbapp多變（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(gè)可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)。121221appmappbKrp（10-3）經(jīng)推導(dǎo)得到：（10-10）可變極限流量防喘振控制系統(tǒng)之一FC吸入循環(huán)排出P1TP2TP1d P2-aP1m(P2-aP1)mbKrappp2121(10-10)也可改寫為：（10-11）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(dāng)測量值大于給定值時(shí)，旁路閥始終關(guān)閉；而當(dāng)測量值小于給定值時(shí)，則控制器去開啟控制閥到一定位置，故能防止喘振

13、的出現(xiàn)，確保壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。在設(shè)計(jì)防喘振控制系統(tǒng)時(shí)，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(shí)不能在入口處測量流量，而必須改出口處測量時(shí)，需要將喘振安全操作線方程進(jìn)行改寫。3、應(yīng)用實(shí)例 下圖為某催化裂化裝置上輸送催化氣的離心式壓縮機(jī)的防喘振控制方案。這臺壓縮機(jī)是由蒸汽透平機(jī)來帶動(dòng)的。圖中有兩套控制系統(tǒng)。FC吸入循環(huán)排出P1TP2TP1d PC 蒸汽2bKr2bKra11pp122ppbKr三、壓縮機(jī)串并聯(lián)運(yùn)行及防喘振 串聯(lián)運(yùn)行：提高壓縮機(jī)的出口壓頭； 并聯(lián)運(yùn)行：增大壓縮機(jī)的出口流量。壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其防喘振控制對每臺而言，與單機(jī)運(yùn)行是一樣的。但如果串聯(lián)運(yùn)行的兩臺壓縮機(jī)只有一個(gè)旁路閥時(shí)，防喘振控制方案就需另