第三章流体输送设备的控制(0)
流体输送设备的控制
流体输送设备的控制引言流体输送设备在工业生产中起到了至关重要的作用。
控制流体输送设备的运行状态和流量是确保工艺流程正常运行的关键之一。
本文将介绍流体输送设备的控制方法和技术。
控制目标流体输送设备的控制目标包括： - 维持流体输送设备的稳定运行状态； - 控制流体输送设备的流量和压力； - 调节流体输送设备的启停和速度。
控制方法1. 开关控制开关控制是最基本的一种流体输送设备控制方法。
通过控制设备的启停，可以实现对流体输送设备的控制。
开关控制的优点是简单易实现，成本低廉。
然而，开关控制不能对流体输送设备的流量和压力进行精确控制，只能实现设备的基本启停。
2. 调速控制调速控制是流体输送设备的常见控制方法。
通过控制设备的转速，可以调节流体输送设备的流量。
调速控制可以实现对流体输送设备的精准控制，能够满足不同工艺流程对流量的要求。
常见的调速控制方法包括变频调速和电阻调速。
3. 压力控制压力控制是控制流体输送设备的另一种重要方法。
通过控制设备的压力，可以调节流体输送设备的流量。
压力控制可以实现对流体输送设备的精准控制，能够满足不同工艺流程对压力的要求。
常见的压力控制方法包括调节泵的出口压力、调节调压阀的开启度等。
4. 自动控制自动控制是现代流体输送设备的常见控制方式。
通过采用传感器和执行器，可以实现对流体输送设备的自动化控制。
自动控制可以根据设定的参数和条件，自动调节设备的运行状态和参数。
常见的自动控制方法包括PID控制、模糊控制、神经网络控制等。
控制系统流体输送设备的控制系统通常包括传感器、执行器、控制器和人机界面。
传感器用于采集设备的工作状态和参数，例如流量、压力、温度等；执行器用于控制设备的启停、转速、压力等；控制器用于对传感器和执行器进行数据处理和控制算法；人机界面用于操作和监控整个控制系统。
常见的控制系统架构包括单回路控制、双回路控制和分布式控制。
单回路控制适用于简单的流体输送设备控制，只需要一个控制回路即可；双回路控制适用于复杂的流体输送设备控制，通过两个控制回路实现对设备的精确控制；分布式控制适用于大型流体输送设备控制，通过多个控制节点实现对设备的协同控制。
典型化工单元的控制案例—流体输送设备的控制(工业仪表自动化)
01
01 当干扰作用使被控变量（流量）发生变化偏离给定值时，控制 器发出控制信号，阀门动作，控制结果使流量回到给定值。
图1 改变泵出口阻力调流量
01
在一定转速下，离心泵的排出量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系。 A称为泵的流量特性曲线。 1，2，3称为管路特性曲线。
控制阀一般应该安装在泵的出口管线 上，而不应该安装在泵的吸入管线上。
的离心式鼓风机，可在其出口直接用控制阀控制流量。 由于管径较大，执行器可采用蝶阀。 其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量。因
为气体的可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。
图1 分程控制方案
图2 分程阀的特性
01
对于压缩比很高的多段压缩机， 从出口直接旁路回到入口是不适宜 的。这样控制阀前后压差太大，功 率损耗太大。
该方案简单可行，应用最广泛，但是总的机
械效率较低，对于大功率的泵，损耗的功率
就相当大，因此是不经济的。
图2 泵的流量特性曲线与管路特性曲线
02
图3 改变泵的转速调流量
02
该方案不经济，因为旁路阀消耗一部分高压液体能量，使 总的机械效率降低，故很少采用。
图4 改变旁路阀调流量
思考题
1、如何进行离心泵的流量控制？
可以在中间某段安装控制阀， 使其回到入口端，用一只控制阀可 满足一定工作范围的需要。
图3 控制压缩机旁路方案
02
思考题
1、压缩机的控制方案有哪几种，各有什么特点？
流体输送设备的控制培训课程
流体输送设备的控制培训课程课程简介本控制培训课程旨在帮助学员了解流体输送设备的基本原理、控制方法和常见故障排除技巧。
通过本课程的学习，学员将能够熟悉流体输送设备的工作原理，掌握流体输送设备的控制技术，提升在实际工作中的应用能力和技术水平。
课程大纲第一章：流体输送设备概述• 1.1 流体输送设备的定义和分类• 1.2 流体输送设备的应用领域• 1.3 流体输送设备的基本原理第二章：流体输送设备的控制技术• 2.1 控制系统的基本组成• 2.2 流体输送设备的控制方法• 2.3 流体输送设备的控制器及其功能• 2.4 流体输送设备的控制策略第三章：流体输送设备的常见故障排除• 3.1 故障诊断的基本原理• 3.2 常见故障的排查方法• 3.3 故障排除的注意事项课程详情第一章：流体输送设备概述本章将介绍流体输送设备的定义、分类、应用领域和基本原理。
学员将了解不同种类的流体输送设备以及其工作原理。
同时，学员还将学习流体输送设备在工业生产中的应用场景。
第二章：流体输送设备的控制技术本章将深入讲解流体输送设备的控制技术。
学员将学习控制系统的基本组成，并了解流体输送设备的控制方法，包括调速控制、流量控制等。
此外，课程还将介绍流体输送设备的控制器及其功能，以及常用的控制策略。
第三章：流体输送设备的常见故障排除本章将着重介绍流体输送设备的常见故障排除方法。
学员将学习故障诊断的基本原理和常用的排查方法。
此外，课程还会提醒学员在故障排除过程中需要注意的事项，以避免进一步损害设备或造成安全事故。
培训方式本课程采用在线视频教学的方式进行培训。
学员可以根据自己的时间安排自主学习。
课程视频将提供实际案例分析和操作演示，帮助学员更好地理解和掌握相关知识和技能。
培训目标通过本课程的学习，学员将能够达到以下目标： 1. 掌握流体输送设备的基本原理和工作方式。
2. 理解流体输送设备的控制技术，包括调速控制和流量控制等。
3. 熟悉流体输送设备的控制器和常用的控制策略。
流体输送控制
2014-1-17
6
4.2.1、离心泵的基本控制
一、离心泵的特性
离心泵的压头、排量、和转速之间的 函数关系，称为泵的特性。
H K1n 2 K 2Q 2
HL n3
H为泵的压头，即泵前后的
流体静压差； n 为离心泵转速； Q为泵的排出量。 HL为泵的最大输出功率线， 即在给定的转速下，H*Q在 该压头下达到最大。
4 流体输送设备的控制
4.1 概述
在石油、化工生产过程中，因工艺的需要， 常需要将流体由低处送至高处，由低压设 备送到高压设备，为了达到这些目的，必 须对流体做功，以提高流体的能量，完成 输送任务。 流体输送控制系统的控制目标是保持被控 流量保持恒定（定值控制）或跟随另一个 流体流量变化（比值控制） 保证流体输送设备的安全运行
2 1
力 Q1为压缩机吸入口气 体的体积流量,即压力为 P1 ，温度为T1条件下的气 体体积流量。K，a由压缩 机生产厂给出。
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过程控制 青海大学
32
4.3.2、防喘振操作线方程
3.0
极限
喘振
P2 /P1
安
全
操
n3 n2
P2 Q K a P T1 1
Q1为压缩机吸入口气体的 体积流量,即压力为P1 ， 温度为T1条件下的气体体 积流量。K，a由压缩机生
工作点的变化过程：QM →QN →QO →QP →QN →QO →...
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过程控制 青海大学
30
4.3.2、防喘振操作线方程
实际喘振线是过原点的一根抛物线
P2：出口压力 P1进口压
P2 Q K a P T1 1
P2 ab 表示工作在稳定区 1 P 1 P2 表示工作在非稳定 ab （喘振）区 1 P 1 Q12 Q12
流体输送设备的控制
流体输送设备的控制在化工生产中，各种物料大多数是在连续流动状态下，或是进行传热，或是进行传质和化学反应等过程。
为使物料便于输送、控制，多数物料是以气态或液态方式在管道内流动。
倘若是固态物料，有时也进行流态化。
流体的输送，是一个动量传递过程，流体在管道内流动，从泵或压缩机等输送设备获得能量，以克服流动阻力。
泵是液体的输送设备，压缩机则是气体的输送设备。
流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。
在连续性化工生产过程中，除了某些特殊情况，如泵的启停、压缩机的程序控制和信号联锁外，对流体输送设备的控制，多数是属于流量或压力的控制，如定值控制、比值控制及以流量作为副变量的串级控制等。
此外，还有为保护输送设备不致损坏的一些保护性控制方案，如离心式压缩机的“防喘振”控制方案。
一、离心系的控制方案离心泵是最常见的液体输送设备。
它的压头是由旋转翼轮作用于液体的离心力而产生的。
转速越高，则离心力越大，压头也越高。
离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。
流量控制在化工厂中是常见的，例如进入化学反应器的原料量需要维持恒定、精馏塔的进料量或回流量需要维持恒等1．1离心泵的工作原理及主要部件离心泵是一种最常用的液体输送设备，离心泵是依靠离心泵翼轮旋转所产生的离心力，来提高液体的压力（俗称压头）。
转速越高，离心力越大，流体出口压力越高。
离心泵类型很多用于输送不同类型的液体有清水泵、热油泵、耐腐蚀泵等。
为达到不同的流量、压头范围在泵的构造上有单吸和双吸的，有单级和双级的；若按泵轴的位置则还可以分为立式和卧式的等等。
1．离心泵的基本结构（如图1-1所示）图1-1 离心泵结构示意图1.泵体2.叶轮3.密封轴4.轴套5.泵盖6.泵轴7.托架8.联泵器9.轴承10.轴封装置11.吸入口12.蜗形泵壳13.叶片14.吸入管15.底阀16.滤网17.调节阀18.排出管离心泵的基本构造是由六部分组成的分别是叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。
过程控制教程-PPT4.流体输送设备控制
4 流体输送设备控制
二、容积式泵的控制 2。容积式泵的工作特性： 容积泵分类： 往复泵：活塞式往复泵，柱塞式往复泵等 直接位移旋转式容积泵：齿轮泵，螺杆泵，转子泵等 特性：泵的排出量是脉冲式的，与管路系统无关 往复泵特性：与转速、冲程大小及活塞截面积等有关 旋转泵特性：与转速及空腔大小等有关 容积式泵的控制：不能单独用泵出口的节流控制 调节原动机转速或往复泵冲程： 旁路控制：与离心泵旁路控制相同 旁路控制压力：出口节流控制流量，系统有关联 采用双阀（一气开一气关）或三通控制阀，既旁路又节流
4 流体输送设备控制
附：真空泵的控制 真空泵的类型： 分类： 往复式真空泵，液环真空泵和喷射真空泵 真空泵的控制： 吸入支路控制： 要求真空泵有较大的真空度裕度，能量消耗大 调节速度快，所用控制阀口径小 吸入管阻力控制： 控制阀口径大，灵敏度低，不常用 调节喷射真空泵的蒸汽量 喷射蒸汽压力与真空度有一一对应关系，但不成线性关系 双重控制：
4 流体输送设备控制
流体输送设备：输送流体或提高流体压力的机械设备 泵（液体）；风机和压缩机（输送气体、提高压力) 流体输送控制系统的控制目标是保持被控流量保持恒定 （定值控制）或跟随另一个流体流量变化（比值控制）
4 流体输送设备控制
第一节 泵和压缩机的基本控制 1.离心泵的控制 离心泵工作特性： 离心泵靠一个或几个叶轮旋转产生的离心力来输送液体，液体在离心力力的作用下获得 动能，转化为静压能部分动能则转化为热能而损失。 理想离心泵特性： u2 cot β 2
4 流体输送设备控制
二、离心压缩机的防喘振控制系统的设计 1。固定极限流量防喘振控制：吸入流量Q>Qp,不开旁路阀 策略：最大转速和最高温度下的喘振流量作为固定极限流量Qp 与一般旁路控制的区别：
流体输送设备的控制简介
智能控制还可以 实现对流体输送 设备的远程监控 和诊断，提高设 备的维护和管理 水平。
控制装置
传感器：用于检测流体的压力、温度、流量等参数 控制器：根据传感器采集的数据，控制流体输送设备的运行状态 执行器：根据控制器的指令，调节流体输送设备的运行参数 显示器：显示流体输送设备的运行状态和参数，方便操作人员监控和控制
更加智能和自动化
智能化：通过人工智能技术实现设备自主决策和优化控制
自动化：减少人工干预，提高生产效率和稳定性
远程监控：实现远程监控和控制，提高设备管理效率
集成化：将多种控制功能集成到一个系统中，提高系统集成度 和可靠性
节能环保：采用节能技术和环保材料，降低能耗和污染排放
安全性：提高设备安全性，降低事故风险和损失
执行机构
电动执行器：通过电动机驱动，实现阀门的开关和调节 气动执行器：通过压缩空气驱动，实现阀门的开关和调节 液压执行器：通过液压油驱动，实现阀门的开关和调节 手动执行器：通过手动操作，实现阀门的开关和调节
压力传感器：测量流体压 力
检测元件
流量传感器：测量流体流 量
温度传感器：测量流体温 度
液位传感器：测量流体液 位
设计方法： 采用模块 化设计， 便于维护 和更换
设计材料： 选择经济 实用的材 料，如不 锈钢、铝 合金等
设计结构： 采用紧凑 型设计， 减少占地 面积和安 装费用
设计控制： 采用自动 化控制， 减少人工 操作和维 护成本
设计安全： 考虑设备 的安全性 能，减少 事故和维 修费用
易于维护和升级
模块化设计：便于更换和升级单个模块 标准化接口：便于连接和更换不同设备 易于诊断和修复：提供故障诊断和修复指南 易于升级：支持软件和硬件升级，提高设备性能和功流体输送设备控制的重要性
流体输送设备控制
应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器 之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；
静态非线性
应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的 静态特性接近线性。
离心泵的特性
H
HL n3
n1 n2
Q
H K1n2 K2Q2
H为泵的压头，即泵前后的 流体静压差； n 为离心泵转速； Q为泵的排出量。
HL为泵的最大输出功率线， 即在给定的转速下，H*Q在 该压头下达到最大。
二、管路的连接
管路的连接包括管子与管子、管子与各 种管件、阀门及设备接口等处的连接。 目前比较普遍采用的有：承插式连接、 螺纹连接、法兰连接及焊接。
1．承插式连接
铸铁管、耐酸陶瓷管、水泥管常用承插 式连接。管子的一头扩大成钟形，使一 根管子的平头可以插入。环隙内通常先 填塞麻丝或石棉绳，然后塞入水泥、沥 青等胶合剂。它的优点是安装方便，允 许两管中心线有较大的偏差，缺点是难 于拆除，高压时不可靠。
采用变频调速法的流量控制
FC 调转速
调节原理：采用变频 调速器通过改变泵的 转速，以控制管道流 量。 特 点：节能，调节 平稳，但投资较大。
采用旁路法的流量控制
FC
x
r
PC
x
r
特点：机械效率低，但适合于某些不能采用直接节 流法的容积式泵。
容积式泵的流量控制
FC
原动机
往复泵
出口
PC 入口
特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路 法或调速法或上述控制方案。
离心式压缩机的特性曲线
P2 /P1
3.0
n3
2.0 喘振区
n2 n1
1.0
50
100
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HL3
通2过020控/10/制18 器 阀的开度 hV 工作点C
Q
6
(2)改变泵的转速n
(3)通过旁路控制
SP FC
FT
x
r
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HL
H
c1
c3 c2
n1
n3 n2
Q
xr
H
r/x
Q
7
3.2.2 压缩机的控制方案 2、离心式压缩机 优点：① 压缩机的润滑油等不污染被输送的气体
② 调节性能好，调节气量的变化范围广 ③ 运行效率高、维修方便，元器件不易损坏 ④ 流量大，体积小，重量轻，经济性能较高 缺点：喘振、轴向推力大——固有的、难以消除。常有可能因微小
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1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳 6、工作轮叶片 7、扩压器叶片
单级离心式制冷压缩机
9
3.3 离心压缩机的防喘振控制
3.3.1 离心式压缩机的特性曲线及喘振
1、特性曲线
压缩比：出口绝对压力P2和入口绝对压力P1之比P2/P1
特性曲线：压缩比和入口体积流量的关系曲线P2/P1—Q； 效率和流量关系曲线—Q； 功率和流量之间关系曲线N—Q。
对于控制系统设计而言，主要只用到压缩比和入口体积流量的关系。
2、喘振 当负荷降低到一定程度时，气体的排出
3.0
量会出现强烈振荡，同时机身也剧烈振动，
P2 P1
喘振 区
n3
这种现象叫离心式压缩机的喘振。
2.0
n2
由特性曲线发现，每一条曲线都对应一个 P2/P1值的最高点，在不同转速下，把这些点连
n1
起来就得到一条曲线
M1：当干扰发生Q泵的扬程<管路 所需压头 Q 回M1点 M ：当干扰发生Q泵的扬程>管路 所需压头 Q 远离M 点
工作点稳定与不稳定的判别： 当交点处
管路特性的斜率大于泵特性的斜率时，是稳定工作点；否则是不
稳定工作点。
实际上，图中所示的装置特性中，由于泵启动后的关闭扬程
H0小于管路的静扬程HM，管路中的流量建立不起来，根本无法工 作。
的偏差而造成严重损失，而且事故的出现往往迅速猛烈，单靠人工
处理措手不及。必须认真设置相应的控制系统。
一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统：
① 负荷控制系统，即气量或出口压力控制
直接节流法、旁路回流法、调速法
注意：
旁路回流时，若多级压缩，不宜从末段出口至第一段入口直接
旁路，宜采用分段旁路，或增设降压消音装置等措施；
喘振极限曲线。
1.0 0
50 100
曲线左侧 不稳定区，喘振区。
Q,%
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喘振是离心式压缩机的固有特性，事实上少数离心泵也可能 喘振，并较易说明喘振原理。
少数离心泵其H—Q性能曲线呈驼 峰型，其与管路特性可能有两个交点M 和M1，理论上讲都是工作点，但M1是稳 定工作点，M是不稳定工作点。
③ 广义对象的静态特性存在着非线性 通过选择阀的特性，使广义对象的静特性近似为线性(原因是管道 阻力变化影响对象的特性)。
3.2 泵及压缩机的控制
3.2.1 泵和管路系统的特性
{ { 泵的种类 主要可分为两大类：
离心泵——应用较为普遍 往复泵
容积泵 旋转泵
1、离心泵 由叶轮、机壳组成，叶轮在电机带动下高速旋转
同一物料。只是检测点和控制点的位置不同，
馏 塔
因此对象的时间常数很小。
广义对象的特性必须考虑测量环节和控制阀
的特性，测量环节和控制阀的时间常数很小，因
此广义对象的时间常数较小，可控性较差。
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1
因此进行控制器参数整定时，应取较大的比例度，为消除余差引 入积分作用。
② 测量信号伴有高频噪声 流量测量常采用节流装置，流体通过节流装置，喘动加大，造成 测量信号常常杂有高频噪声，影响控制品质，因此应对测量信号加以 滤波。
第三章 流体输送设备的控制
3.1 概述
流体输送设备： 在石油化工生产过程中用于输送流体和提高流体压头的机械设备。
液体 泵
气体 风机、压缩机
流体输送设备的控制： 为保证平稳生产进行的流量、压力控制；
为保护输送设备的安全而进行的控制。
被控对象的特点：
① 对象的时间常数小、可控性较差
分
如流量控制，受控变量和操纵变量常常是 FT FC SP
n1 n4n3n2
Q
p2
hL p1
4
④控制阀两端的节流压头hv，阀的开度
一定时，与流量的平方成反比。
H L hp hL hf hV
H
HL 和 Q 流量的关系称为管路特性
当系统平衡时，H H L 如图中的C(平衡
工作点)点，即泵的特性曲线与管路特性曲线 的交点。
工作点应满足一定的工艺要求，通过改变
调速时，要求气轮机的转速可调范围能够满足气量调节的需要。
② 防喘振控制：
喘振是离心式压缩机的固有特性，为使压缩机安全运行，必须采取
相应的控制。
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③压缩机组的油路控制系统 如密封油、控制油、润滑油等通常 也设立相应的油压、油温联锁报警控制系统。
④压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与联锁保 护系统
阀的开度(即hV )改变工作点。
H ~Q
hV c HL ~ Q
hf hp hL
Q
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H
n1 n4n3n2
Q H k1n2 k2Q2
离心泵工作点流量控制方案：
(1)直流节流法
SP
c
hf
hL
hp Q
H h h h h
L
p
L
f
V
H
cH1L1
HL2 c2
泵与管路联接在一起，它的排量与压头的关 系既与泵的特性有关，也与管路特性有关。
管路特性：指的是管路系统中的流体流量与管路 系统阻力之间的关系
如图所示管路系统阻力包括：
①管路两端静压差引起的压头
hp ( p2 p1) (r g)
②流体提升一定高度所需压头 hL ③克服管路摩擦损失所需压头hf
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2
离心泵结构
往复泵
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旋转泵
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压头
旋转叶轮作用在液体上的离心力
转速
离心力
压头
H
叶轮与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀
时，排量为零，压头最高，泵所做的功
热。
泵的特性：压头H 与排量及转速n 之间的关系
nHQ H
经验公式： H k1n2 k2Q2 k1, k2 比例系数
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11
离心泵的实际运行中，可能发生的不稳定情况如图：
离心泵工作中产生不稳定工况需要两个条件： ①泵的H—Q特性曲线呈驼峰状； ②管路装置中要有能自由升降的液面或能储存和放出能量的地方。
对离心压缩机，其性能曲线大多呈驼峰型，且输送的介质是可压缩 的气体，只要串联管路容积较大，就能起到储能作用，故易发生不稳跳 动的工况。