第15、16章流体输送设备和传热设备控制2

P2/P1 ↓ Q↑ P2/P1↑
T点左恻，不稳定工作区
P2/P1 ↓
T点对应的流量——极限流量
Q↓ P2/P1↓
喘振区
教学进程
15.3.1 喘振现象及原因
不同的转速，离心泵的极限流量也不一样
p2/p1
喘振区
n3 n2 n1
Qp1 Qp2 Qp3 Q
产生喘振的直接原因是负荷的下降
教学进程
15.3.1 喘振现象及原因
教学进程
15.3.3压缩机串、并联运行及防喘振控制
通过一个LS ，不论哪个压缩机出现喘振，都可以把旁 路阀打开，以防止喘振。
LS
F1C
P1
∑
F2C
F1
A
P2
F2
∑
B
P3
图15.21 压缩机串联运行时防喘振控制方案
教学进程
15.3.3压缩机串、并联运行及防喘振控制
并联情况 工艺上尽量要求单机运行。
G(s)
K
e 2s
( 1s 1)( 2 s 1)
式16-12 带纯滞后的二阶惯性环节
教学进程
16.3 一般传热设备的控制
16.3.1 换热器的控制
两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量
① 控制载热体流量
用载热体流量控制介质出口温 度，最常用的方法
特点：简单易行
TC
但是，当G2已经很大， 而温差较小时，迟钝 控制
HL1 C1
HL2 C2 HL3
FC
H C3
Q (a)流量特性
(b)控制方案
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
“气缚”——hv使得入口压力下降，使液体部分汽化， 使泵的出口压力下降，排量降至零 “气蚀”——hv使得部分汽化的气体到达出口，受压缩重新 凝聚成液体，对泵内机件产生冲击 ●优点： 调节方便 ●缺点： 机械效率低（消耗在阀上）
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（1）固定极限流量
Q1>Qp，旁路阀关死
Q1<Qp，旁路阀打开，
部分出口气体返回到入
口，使Q1>Qp
此种方案中，Qp是固定
吸
值，正确选择Qp值是关
入
键.
选择最大转速下的Qp 作为FC的设定值，
压缩机 FC
排出 循环
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（2） 可变极限流量 设置极限流量随转速而变 关键：确定压缩机的喘振
结构： 主要结构图 P299 图16-20 燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统
教学进程
16.4.1 概述
主要控制系统 （1）汽包水位控制 保持水量与蒸汽量的物料平衡 （2）燃烧控制 保证燃烧的经济性和安全性
（3）蒸汽控制 控制过热蒸汽的温度
（4）水处理控制 防止或减少结垢
教学进程
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
极限线方程 几种常见的操作线方程
p2/p1
Q2
p2 a b Q12
p1
T1
p2 p1
a0
a1Q1
a2Q12
H 多变 Q12
p2 a b K 2 • p1
p1
r p1
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（2） 可变极限流量
出入口压力与入口流量的关系
不同形式的变换，组成防喘振控制系统。
p1
r bK 2
( p2
ap1 )
P2 +
p2-ap1
∑
×
p1
r/bk2
Δpl
r（p2-ap1）/bk2 FC
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（2） 可变极限流量
出入口压力与入口流量的关系
p1 r
不同形式的变换，组成防喘振控制系统。 p2 ap1 bK 2
p2 + ∑
p1 –
FC
r/bK2
往复泵：活塞式、柱塞式 旋转泵：齿轮式、螺杆式 排量的大小与管路的阻力无关， 只取决于泵的冲程及往复频率 不能采用节流方法控制
H
n1 n2 n3
压 头
排出量 Q
教学进程
15.2.2 容积式泵的控制方案
常见的控制方案： （1） 变频调速 （2） 旁路法
教学进程
15.2.3 压缩机的控制方案
气体增压及输送设备 离心式、往复式 离心式应用比较多
控制灵活，但出口压力波 动，若 直接进入压缩机，对压缩机有影响
TC
气氨
LC 液氮
教学进程
16.4 锅炉设备的控制
教学进程
16.4 锅炉设备的控制
16.4.1概述 作用： 锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来
源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响
分类： 锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质 （煤、油、气）、压力（高、中、低）
■ 性能 流量Q 140~1800m3/h 扬程H 9~125m 进口直径 150~600mm
教学进程
15.2 泵和压缩机的控制
15.2.1离心泵的控制 离心泵特性曲线
压头H
a
n4 n3 n2 n1
a
排出量Q 另外，管路系统的压力也对泵的特性有影响
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
管路阻力： （1）管路两端的静压差hp （2）管路两端的静液柱高度，即升扬高度hL （3）管路的摩擦损失hf （4）控制阀两端的节流损失hv
Δpl
p2-ap1
÷
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（2） 可变极限流量
出入口压力与入口流量的关系 不同形式的变换，组成防喘振控制系统。
p1
r bK 2
p2
p2 ×
r/bK2
Δp1
p2r/bK2 FC
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
（2） 可变极限流量 P280应用实例
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统
P1
∑ P2
FC
A
吸入
F1
LS
F2
B
排出
教学进程
第16章
传热设备的控制
16.1 16.2 16.3 16.4 16.5
概述 传热设备的特性 一般传热设备的控制 锅炉设备的控制 加热炉的控制
教学进程
16.1 概述
对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备 16.1.1传热设备的类型
传热方式： 传导、对流、辐射 物流接触关系： 直接接触式，间壁式、蓄热式 热量交换形式： 无相变的热量交换、有相变的热量交换
流体：液体或气体 液体传送——泵 气体传送——风机或压缩机
控制目标：流量、压力控制，安全保护控制
教学进程
15.2 泵和压缩机的控制
15.2.1离心泵的控制
离心泵的叶轮在电动机的带 动下做高速旋转运动，产生离心力。
泵速越高，离心力越大，出口压 头越高。 出口流量增大，出口压力降低。
离心泵特性公式：
H R1n2 R2Q2
汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证 水位过高——影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多， 使过热蒸汽温度下降 水位过低——可能全部汽化，产生危险 锅炉的汽包水位控制一般比较严格
教学进程
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
汽包水位的动态特性 影响因素多 主要讨论水流量、蒸汽流量—L 特性
① 给水流量W—L 阶跃响应H曲线 ，相当于积分加纯滞后环节 给水温度越低，纯滞后时间越大
W
t
H
H1
H
τττ
t
τ
教学进程
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
T10 T1i
1
T2i T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
(16-6)
教学进程
仿真分析（静态放大倍数）： T1i → T1o ： 式16-8
T2i → T1o ： 式16-9
T10 1
1
T1i
G1 c1 KF
1 2
1
G1c1 G2 c2
线性，小于1
另外，有些工艺原因也可以导致喘振 （1） 气体吸入状态的改变
喘振线
管路特性
p2/p1
T1 ， M1 ，p1
Q
教学进程
15.3.1 喘振现象及原因
（2） 管路阻力的变化
p2/p1
阻力
Q
教学进程
15.3.2 防喘振控制系统 控制喘振： 限制压缩机流量不小于极限流量Q1>Qp， 方法： 部分回流，既满足工艺要求，又使Q1 >Qp
另外，若工艺上不允许
对载热体节流时，不 能采用这种方案
载热体 G2
图16-8
工业 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ质 G1
教学进程
② 介质旁路控制 介质混合过程 控制及时（相当于前馈机理） 另外，还可以组成前馈——串级控制方案图
载热体
G2
TC
图16-9
工业 介质 G1
教学进程
16.3.2 蒸汽加热器的控制
蒸汽作为热载体，工业常用 ① 控制载热体流量
●场合： 常用，但排量小于正常排量的30%时要调整
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
（2）改变泵的转速 通过改变泵的转速改变工作点
目前主要通过变频器控制电机的转速
变频器近年发展比较快，功能、可靠性大大提高，价格下降。
此方法也可以取代控制阀，实现流量控制
HL H
FC 调转速
n3 n1n2
电动机
(a)流量特性 Q
管路总压力阻力 HL=hp+hL+hf+hv 系统稳定工作： H = HL 因此，可以通过hv或其他手段改变H压力（流量）
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
（1）直接节流法
改变直接节流阀的开度，改变平衡工作点的位置C
注意：控制阀一定要装在阀的出口位置，否则会出现 “气缚”和“气蚀”现象，对离心泵产生损坏。
(b)控制方案
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
●优点： 机械效率高，节能 ●缺点： 调速设备费用高
●场合： 多用于大功率的离 心泵
教学进程
15.2.1 离心泵的控制
（3）改变旁路回流
FC
●优点： 控制阀口径，调节方便
●缺点： 回路，能量消耗大
（未充分使用） ●场合： 有一定应用
教学进程
15.2.2 容积式泵的控制方案
15.3.1 喘振现象及原因 离心式压缩机的负荷低于一定的值后，气体的正常 输送被破坏，气量忽多忽少，发生强烈振荡——“气 喘”声音，严重破坏机器设备。
教学进程
15.3.1 喘振现象及原因
p2/pl
T M
p2/pl～Q M1
QM 喘振产生的原因：
Q 图15.8 离心式压缩机工作曲线
T点右恻，稳定工作区
过程控制工程
Process Control Engineering
第15章 流体输送设备的控制 第16章 传热设备的控制
第 11 课 北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀
第15章
流体输送设备的控制
15.1 概述 15.2 泵和压缩机的控制 15.3 离心式压缩机的防喘振控制
教学进程
15.1 概述
G1c1 KF
教学进程
16.2.2 动态特性分析
分布参数对象： （图16-6） 既是时间函数， 又是空间的函数 精确描述：偏微分方程
T1i→T1o ：
W1 s
G(s) K1e G1 K1es
式16-11 动态纯滞后环节
求解困难 经验公式近似描述：
T2i→T1o、 G1→T1o 、 G2→T1o
●优点： P273
●缺点： 需要保证运行的安全 性，如“喘振”、功率 大、转速快
教学进程
15.2.3 压缩机的控制方案
主要自控系统： （1）气量控制：与离心泵相似 （2）防喘振控制 （3）油路控制：油温、油压联锁安全 保护（电气控制） （4）轴推力、轴位移及连锁保护控制
教学进程
15.3 离心式压缩机的防喘振控制
蒸汽发生相变，可同时通过ΔT和传热面积控制，只 是要注意出口液体能够连续排出。
蒸汽G2
TC
G1
图16-12
凝液
教学进程
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体控制平稳， 缺点：滞后
蒸汽G2
TC
FC
G1 凝液
图16-15 前馈-反馈控制系统
T10
1
T2i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2 c2
线性
教学进程
仿真分析（静态放大倍数） （非线性）
T1o --G2 ：
T1o --G1 ：
T10 T1i T2i T1i
G1c1 1 KF
2 4
T10 T1i T2i T1i
G2c2 3 KF 1
图16-4
G2c2 KF
图16-5
教学进程
16.2 传热设备的特性
G2c2
T2i
G1c1 T10
G1c1 T1i
G2c2 T20 图16-2 逆流单程换热器
教学进程
16.2.1 静态特性分析
基于热量平衡方程和传热速率方程 用于系统扰动分析及静态控制设计依据
q=G1c1(T1o-T1i)= G2c2(T2i-T2o) q=KFΔT
结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 （一般传热设备）
特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等
教学进程
16.1.1传热设备的类型
液体1进口 花板 液体2出口
液体2入口
列管
液体1出口 （a） 列管式换热器
教学进程
16.1.1传热设备的类型 换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等
教学进程
16.1.2传热设备的控制要求 控制要求： （1） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收 主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
教学进程
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量 ① 控制载热体流量
优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响 缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液
T-L串级控制系统 图16-17 气氨
TC 图16-16
液氮
教学进程
16.3.3 冷凝冷却器的控制 ② 控制汽相流量