流体输送设备的控制

第2 篇过程控制工程

?石油、化工等生产过程，是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的生产线来完成的。?单元操作主要有：流体输送、传热、传质和化学反应等。

?本篇主要介绍各典型单元操作的控制：典型单元操作的背景、控制的需要、动静态特性的分析、整体控制方案的确定。

?单元操作中的控制方案设置主要考虑的四个方面：物料平衡控制、能量平衡控制、质量控制、约束条件控制。

第10章流体输送设备的控制

10.1 概述

?流体：输送的物料流和能量流。流体分为液体、气体。

?流体输送设备：用于输送流体和提高流体压头的机械设备。流体输送设备分：泵（输送液体和提高其压头的机械）、风机和压缩机（输送气体并提高其压力的机械）。

?对流体输送设备的控制主要保证物料平衡的流量和压力控制。

?离心式压缩机的防喘振控制是保护设备安全的约束控制。

由于流体输送设备的控制主要是保证物料平衡的流量控制，因此流量控制系统中的有关问题再作简要叙述：

1、流量控制对象的被控变量和操纵变量是同一物料的流量，因此控制通道的时间常数很小，基本上是放大倍数接近1的放大环节。所以广义对象特性中测量变送及控制阀的惯性滞后不能忽略，各环节的时间常数在数量级上相同且数值不大，组成的控制系统可控性较差、频率较高。为此控制器的比例度必须放得大些，可引入积分作用消除余差。控制阀一般不安装阀门定位器，以免造成振荡。

2、流量测量常用节流装置，由于流体通过节流装置时喘动加大，使被控变量的信号常有脉动情况出现，并伴有高频噪声。所以应考虑对信号的滤波，在控制系统中也不能引入微分作用。工程上有时还在变送器与控制器之间接入反微分器（相当于惯性环节），以提高系统的控制质量。

3、流量系统的广义对象静态特性的非线性问题。

4、对于流量信号的测量精度要求，一般除直接作为经济核算外，无需过高，只要稳定，变差小就行。

10.2 泵和压缩机的控制

泵可分为离心泵和容积式泵两大类。

一、离心泵的控制方案

1、离心泵工作原理

离心泵主要由叶轮和机壳组成，叶轮在原动机带动下作高速旋转运动，离心泵的出口压力由旋转叶轮作用于液体而产生离心力，转速越高，离心力越大，压头也越高。

2、离心泵特性

由于离心泵的叶轮和机壳之间存在空隙，泵的出口阀全闭，液体在泵体内循环，泵的排量为零，压头最大；随着出口阀的逐步开启，排出量随之增大，出口压力将慢慢下降。

泵的压头H，排量Q和转速n之间的函数关系:

H=R1n2–R2Q2

3、管路特性

项阻力：

1)管路两端的静压差引起的压头h p ； 2)管路两端的静压柱高度h L ； 3)管路中的摩擦损失压头h f ； 4)控制阀两端节流损失压头h v

排出量Q →

↑压头n 1 n 2 n 3

n 4 a a’ H L =h p +h L +h f +h v g

p p h p ρ12-=

排出量Q →

↑压头

管路特性曲线

当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H 必然等于H L ，这是建立平衡得条件。左图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C ，即是泵的平衡工作点。工作点C 的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hv 或其它手段来满足这一要求，这是离心泵的压力（流量）的控制方案的主要依据。4、离心泵的控制方案1）直接节流法

注意：直接节流法的控制阀应安装在泵的出口管道上，而不能装在泵的吸入管道上。否则会出现“气缚”及“气蚀”现象。?控制阀一般宜装在检测元件（如孔板）的下游，这样将对保证测量精度有好处。

?直接节流法的优点是简单易行。但在小流量时总的机械效率较低。一般不宜用在流量低于正常排量的30%的场合。

2）改变泵的转速n 改变泵转速的方法有两类： 一类是调节原动机的转速：以汽轮机为原动机时可调节蒸汽流量或导向叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用变频调速等装置。

另一类是原动机与泵之间的联轴调速结构上改变转速比来控制转速。

采用这种方法，管道上无需装控制阀，减少了阻力损耗，泵的机械效率得以提高。然而，调速装置的设备费比较高，故这种方式多应用于大功率、重要的泵装置上。 3）改变旁路回流量

排出量Q →

↑压头

排出量Q →

↑压

头

n 1

n 2

n 3

n 4 a

a’

采用这种控制方式，必然有一部分能量损耗在旁路管道和控制阀上，所以泵的机械效率也是比较低的。但它具有采用小口径控制阀的优点。

二、容积式泵的控制方案?容积式泵有两类：一类是往复泵；另一类是直接位移旋转泵。 ?它们有共同的结构特点：泵的运动部件与机壳之间的空隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以泵的排量大小与管路系统基本无关。

?往复泵流量只取决于单位时间内的往复次数及冲程的大小； ?旋转泵流量仅取决于转速。

由于这类泵的排量与管路阻力基本无关，故绝不可在出口处安装控制阀来控制流量，一旦出口阀关死，将造成泵损、机毁的危险。 容积式泵常用的控制方案： ①改变原动机的转速； ②改变往复泵的冲程； ③ 调节回流量。

④采用旁路调节来控制出口压力，然后用直接节流阀控制其流量

三、压缩机的控制方案?压缩机与泵一样，也有往复式与离心式之分。 ?压缩机的流量（压力）控制方案与泵基本相似，即调速、旁路、节流等。

?往复式压缩机主要用于流量小、压缩比较高的场合，可采用吸入管节流的控制方案。 ?离心式压缩机向着高压、高速、大容量和高度自动化方向发展。与往复式压缩机相比较，具有以下优点：

?体积小，重量轻，流量大；

?运行效率高，易损件少，维修简单；

?供气均匀，运转平稳，气量控制的变化范围广； ?压缩机的润滑油不会污染被输送的气体； ?有较好的经济性能。 离心式压缩机的缺点：

往复泵出口压力和流量控制

? 喘振；

? 轴向推力大等。

大型离心式压缩机需要设立的自控系统： ①气量控制系统； ②防喘振控制系统； ③压缩机油路控制系统；

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。

10.3 离心式压缩机的防喘振控制

一、喘振现象及原因?当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈震荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。这种现象就是离心式压缩机的喘振，或称“飞动”。

?喘振是离心式压缩机的固有特性，由特性曲线呈驼峰型而引起的；如图

从稳定工作点、内部能量平衡来解释：M1点是稳定工作点：

M 点是不稳定工作点：

把不同转速下特性曲线的极值点连接起来，所得曲线称为喘振极限线。引起离心式压缩机喘振的直接原因是负荷的下降，使工作流量Q 1小于极限流量Q p 。

引起离心式压缩机喘振得直接原因是负荷的下降，另外还有工艺上的原因：

M

排出量Q →

↑ n 1

n 2

n 3

P 2/p 1

Q p1 Q p2 Q p3 喘振区

工作区

离心式压缩机喘振极限线

a ）气体的吸入状态的变化；

b ）管网阻力的变化使管道特性发生变化。

二、防喘振控制系统?喘振控制系统设计思路：

在任何转速条件下，通过压缩机的实际流量都不小于喘振极限流量Q p 。即当负荷减少时，采取部分回流的方法，保证Q>Q p 。

1、固定极限流量防喘振控制

2、可变极限流量防喘振控制

1、 固定极限流量防喘振控制

具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当旁路阀打开，部分气体回流，造成能量的浪费。

适用于固定转速的场合或负荷不经常变化的生产装置。

Q 吸入状态变化与喘振关系 Q

管路阻力变化与喘振关系

固定极限流量防喘振控制方案 Q p

喘振极限值

2、可变极限流量防喘振控制 它是在整个压缩机负荷变化范围内，设置极限流量跟随转速而变的一种防喘振控制。

实现可变极限流量防喘振控制，关键是确定压缩机喘振极限线方程。需解决两个问题： ①安全操作线的数学方程的建立；

② 用仪表等技术工具实现上述数学方程的运算。

安全操作线可用一个抛物线方程来近似，它由生产厂给出，常用的几种形式：

下面以（10-3）所示的操作线，说明如何组成一个可变极限流量防喘振控制系统。（10-3）经推导得到：

喘振极限线于安全线

Q 2 2

1212110121

2

112Q H Q a Q a a p p T Q b a p p ?=++=+=多变（10-3） （10-4） （10-5）

()()12122

1ap p m ap p bK r

p -=-=?

可变极限流量防喘振控制系统之一

(10-10)也可改写为：

可变极限流量防喘振控制系统之二在防喘振控制系统中，当测量值大于给定值时，旁路阀始终关闭；而当测量值小于给定值时，则控制器去开启控制阀到一定位置，故能防止喘振的出现，确保压缩机的安全运行。在设计防喘振控制系统时，尚需注意以下问题：防喘振控制器的防积分饱和；

②相对压力与绝对压力的转换；

③有时不能在入口处测量流量，而必须改出口处测量时，需要将喘振安全操作线方程进行改写。

3、应用实例

下图为某催化裂化装置上输送催化气的离心式压缩机的防喘振控制方案。这台压缩机是

三、压缩机串并联运行及防喘振

?串联运行：提高压缩机的出口压头；

?并联运行：增大压缩机的出口流量。

压缩机串联运行时，其防喘振控制对每台而言，与单机运行是一样的。但如果串联运行的两台压缩机只有一个旁路阀时，防喘振控制方案就需另行考虑了。

压缩机串联运行时防喘振控制方案压缩机并联运行时，如果每台压缩机分别装有旁路阀，则防喘振控制方案也与单机运行时一样的。但如果两台压缩机共同使用一个旁路阀时，同样需另行设置防喘振控制方案。下图为压缩机并联运行时的防喘振控制方案，采用此方案的前提是两台压缩机的特性相同或十分接近。

压缩机并联运行时防喘振控制方案