13流体输送设备的控制

引言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。分析步骤：首先对各典型单元操作进行概要的介绍；然后从控制的需要，对它的动静态特性作必要的分析，最后结合上一篇过程控制系统的知识，视各单元操作的控制要求，确定控制方案。单元操作中的控制方案设置主要考虑的四个方面：1）物料平衡控制；2）能量平衡控制；3）质量控制；4）约束条件控制。其中前两个方面的控制主要是为了保证单元操作能平稳进行；第三个是满足单元操作的规定质量要求；第四个是从确保单元操作的生产安全出发的。引言第13章流体输送设备的控制13.0概述13.1泵的常规控制13.2压缩机的常规控制13.3离心式压缩机的防喘振控制13.0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，以免因为阀门定位器引入所组成的传机副环，其振荡频率与主环频率相当，而造成振荡。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。泵可分为离心泵和容积泵两大类容积泵有往复泵、旋转泵之分。在石油化工等生产过程中，离心泵的使用最为广泛，下面主要介绍离心泵的特性及其控制方案。13.1泵的常规控制一、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排出量Q→↑压头Hn1n2n3n4aa’3、管路特性hvhfhLp1p2HL=hp+hL+hf+hvgpphp124项阻力：1)管路两端的静压差引起的压头hp；2)管路两端的静压柱高度hL；3)管路中的摩擦损失压头hf；4)控制阀两端节流损失压头hv；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HL，这是建立平衡的条件。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。排出量Q→↑压头HLhvhfhLhpHHLC4、离心泵的控制方案1）直接节流法排出量Q→↑压头HHL1C3C2C1HL2HL3FC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。“气缚”是指由于hv的存在，使泵的入口压力下降，从而可能使液体部分气话，造成泵的出口压力下降，排量降低甚至到零，离心泵的正常运行遭到破坏。“气蚀”是指由于hv的存在，造成部分气话的气体达到排出短时，因受到压缩而重新凝聚成液体，对泵内的机件会产生冲击，将损伤泵壳与叶轮，犹如高压差控制阀所受到的那种气蚀，因此，气蚀将会造成泵的损坏。基于以上原因，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。2）改变泵的转速n排出量Q→↑压头Hn1n2n3n4HLFC调转速原动机采用这种方法，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FC实质是改变管路特性来达到控制流量的目的。当旁路控制阀开度增大时，离心泵的整个出口阻力下降，排量增加，但与此同时，回流量也随之加大，最终导致送往管路系统的实际排量减少。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，包括活塞式、柱塞式等；另一类是直接位移旋转泵，包括椭圆齿轮式、螺杆式等。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；（同离心泵的调速法）②改变往复泵的冲程；③调节回流量；（方案构成与离心泵的相同，是此类泵最简单易行而常用的控制方式）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。同时控制压力和流量两个参数，两个控制系统之间相互关联。要达到正常运行，必须在两个系统的参数整定上加以考虑。通常是把压力控制系统整定省非周期的调节过程，从而把两个系统之间的工作周期拉开，达到消弱关联的目的。FCPC往复泵出口压力和流量控制13.2压缩机的常规控制方案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：离心式压缩机的优点：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。因此，离心式压缩机是工业中应用最为广泛的压缩机类型。离心式压缩机的缺点：•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；即排量或出口压力控制，也就是负荷控制系统。控制方式与离心泵的控制类似，如直接节流法，改变转速和改变旁路回流量等。②防喘振控制系统；（需要专门介绍）③压缩机油路控制系统；（不属于过程控制的范畴）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（也不属于过程控制的范畴）。13.3离心式压缩机的防喘振控制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”。喘振现象是离心式压缩机，尤其是大型离心式压缩机安全运行的最大威胁。据资料介绍，某化工厂一台1万玛丽功率气轮机带动的大型离心式压缩机，其运行速度为10000人r/min，由于喘振引起短时间的气体汇流，以致轴发生位移，损失达数百万元。一、喘振现象及原因MM1TP2/p1P2/p1~QQQM离心式压缩机工作点M1点是稳定工作点：M点是不稳定工作点：从稳定工作点、内部能量平衡来解释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；如图排出量Q→↑n1n2n3P2/p1Qp1Qp2Qp3喘振区工作区离心式压缩机喘振极限线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Q1小于极限流量Qp。T1↑、M1↓、p1↓P2/p1Q喘振线管路特性吸入状态变化与喘振关系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：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。P2/p1Q喘振线管路特性管路阻力变化与喘振关系阻力↑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Qp。即当负荷减少时，采取部分回流的方法，保证QQp。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固定极限流量防喘振控制方案压缩机FC吸入循环排出P2/p1Qp喘振极限值Q具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当压缩机低速运行时，虽然压缩机并未进入喘振区，而吸入气量也有可能小于设置的固定极限值（按最大转速极限流量值设定），旁路阀打开，部分气体回流，造成能量的浪费。因此，这种防喘振控制适用于固定转速的场合或负荷不经常变化的生产装置。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。安全操作线喘振极限线n1n2n3P2/p1喘振极限线于安全线Q2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：212121101212112QHQaQaappTQbapp多变（13-3）（13-4）（13-5）P1，p2分别是吸入口、排出口的绝对压力；Q1吸入口的气体的体积流量；T1吸入口气体的绝对温度；H多变反映压缩比的一个指标，称为压缩机的多变压头，其他参数均为常数，一般由制造厂提供。121221appmappbKrp（13-10）可变极限流量防喘振控制系统之一压缩机FC吸入循环排出P1TP2TP1dΣ×P2-aP1m(P2-aP1)以（13-3）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。（13-3）经推导得到：mbKrappp2121(13-10)也可改写为：（13-13）压缩机FC吸入循环排出P1TP2TP1dΣ÷P2-aP1ΔP1/(P2-aP1)可变极限流量防喘振控制系统之二r/bK2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：①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。这台压缩机是由蒸汽透平机来带动的。图中有两套控制系统。FC吸入循环排出P1TP2TP1dΣ×PC÷÷蒸汽2bKr2bKra11pp122ppbKr两套控制系统：1）压缩机入口压力控制系统；2）压缩机可变极限防喘振控制系统在这个防喘振控制系统中，注意几点：1）首先，为确保控制有效，应使入口气温包乘稳定，为此在旁路回流管路上设置了换热装置；2）其次，