第九章典型化工单元的控制方案

第九章典型化工单元的控制方案石油、化工生产过程是最具有代表性的过程工业。该生产过程是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的。按照石油、化工生产过程中的物理和化学变化来分，主要有流体输送过程、传热过程、传质过程和化学反应过程四类。下面将以这四种基本单元操作中的代表性装置为例，讨论其基本控制方案。第一节流体输送设备的控制方案石油、化工生产过程中，大部分物料都是以液、气形态在密闭的管道、容器中进行物质、能量的传递。为了输送液、气形态物料，就必须用泵、压缩机等设备对流体做功，使得流体获得能量，从一端输送到另一端。输送流体的设备统称为流体输送设备。其中输送液体的机械称为泵，输送气体的机械称为风机和压缩机。流体输送设备的控制主要是流量的控制。控制系统的被控对象通常是管路，其被控变量与操纵变量是同一物料的流量。流量控制系统被控对象的的时间常数很小，所以基本上是可以看作是一个放大环节。此外还需注意的是流量控制系统的广义对象静态特性是非线性的，尤其是采用节流装置而不加开方器进行流量的测量变送时更为明显。一、泵的常规控制按作用原理可将泵分为：1.往复式泵：活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵和比例泵等。2.旋转式泵：齿轮泵、螺杆泵、转子泵和叶片泵等。3.离心泵。根据泵的特性又可分为离心泵和容积泵两大类。石油、化工等生产过程中离心泵的使用最为广泛，因此下面侧重介绍离心泵的特性及其控制方案。1．离心泵的控制方案离心泵主要由叶轮和泵壳组成，高速旋转的叶轮作用于液体而产生离心力，在离心力的作用下使得离心泵出口压头升高。转速越高，离心力越大，压头也越高。因离心泵的叶轮与机壳之间存有空隙，所以当泵的出口阀完全关闭时，液体将在泵体内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所作的功被转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出口阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭的运转状态。随着出口阀的逐步开启，排出量也随之增大，而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，称为泵的特性，可用图9．1-1来表示。H=R1n2-R2Q2(9—1)式(9—1)中R1、R2为比例常数。由于泵输送的是流体，总是与工艺系统管路一起工作的，分析泵的实际排量与出口压头时，除了与泵本身的特性有关外，也需考虑到与其相连接的管路特性。所以必需对管路特性作一些分析。管路特性就是管路系统中流体流量与管路系统阻力之间的关系。通常管路系统p2HLhvhvH压头HLhLChfhfp1hLhp排出量Q图9．1-2管路特性a,压头Hn3n2an1n4排出量Q图9．1-1离心泵特性曲线的阻力包含四项内容，如图9．1-2所示。四项阻力分别为：①管路两端的静压差引起的压头hp。gpphp12式中p1、p2分别是管路系统的入口与出口处的压力，ρ为流体的密度，g为重力加速度。由于工艺系统在正常操作时p1、p2基本稳定，所以这项也是比较平稳的。②管路两端的升扬高度hL。工艺系统中管路和设备安装就绪后，这项将是恒定的。③管路中的摩擦损失压头hf。hf与流量的平方值近似成比例关系。④控制阀两端节流损失压头hv。在阀门开度一定时，hv也与流量的平方值成正比关系，当阀门的开度变化时，hv也跟着变化。管路总阻力为HL，则：HL＝hp十hL十hv十hf(9—2)式(9—2)即为管路特性的表达式，图9．1-2中画出了它的特性曲线。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。图9．1-2中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C，即是泵的一个平衡工作点。工作点C的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hv或其他的手段来满足这一要求，这也是离心泵的压力(流量)的控制方案的主要依据。(1)直接节流法改变直接节流阀的开度，即改变了管路特性，从而改变了平衡工作点C的位置，达到控制的目的。图9．1-3表示了系统工作点的移动情况及控制方案的实施。需要注意的是，这种直接节流法的节流阀应安装在泵的出口管线上，而不能装在泵的吸入管道上。否则由于hv的存在会出现“气缚”及“气蚀”现象，对泵的正常运行和使用寿命都是至关重要的。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化，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，造成部分气化的气体到达排出端时，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。因此气蚀将会引起泵的损坏。基于以上的原因，直接节流阀必须安装在离心泵的出口管线上。直接节流法控制方案的优点是简便而易行。但在小流量运行时，能量部分消耗在节流阀上，使总的机械效率较低。所以这种方案在离心泵的控制中是较为常用的，但当流量低于正常排量30％时，不宜采用本方案。(2)改变泵的转速n这种控制方案以改变泵的特性曲线，移动工作点，来达到控制流量的目的。图9．1-4表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况。改变泵转速常用的方法采用变频调速等装置对电动机进行调速。FC(b)控制方案HL1HL2C1HL3C2HC3Q(a)流量特性图9．1-3直接节流以控制流量改变泵转速来控制离心泵的排量或压头，这种控制方式具有很大的优越性。主要是管路上无需安装控制阀，因此管路系统总阻力HL中hv等于零，减少了管路阻力的损耗，泵的机械效率高，从节能角度是极为有利的。(3)改变旁路回流量图9．1-5所示为改变旁路回流量的控制方案。它是在泵的出口与入口之间加一旁路管道，让一部分排出量重新回到泵的入口。这种控制方式实质也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。显然，采用这种控制方式必然有一部分能量损耗在旁路管路和阀上，所以，机械效率也是较低的。但它具有可采用小口径控制阀的优点，因此在实际生产过程中还有一定的应用。2．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；另一类是直接位移式旋转泵，包括椭圆齿轮式、螺杆式等。随着原动机的旋转，泵的机械部件直接将一定容积的液体压出泵体，顾名思义，所以叫作容积式泵。由于这些类型的泵均有一个共同的结构特点，即泵的排出平均流量与管路系统无关。只取决于单位时间内的往复次数或转速。由于容积式泵的排出平均流量与管路阻力无关，所以不能采用出口节流的方法来控制流量，一旦出口阀关死，将造成泵体损坏。容积式泵常用的控制方式有：①改变原动机的转速。②调节回流量。在生产过程中，有时采用如图9．1-6所示的利用旁路阀控制压力，用节流阀来控制流量。这种方案因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。通常把压力控制系统整定成非周期的调节过程，从而把两个系统之间的工作周期拉开，达到削弱关联的目的。二、压缩机的常规控制方案HLFC调转速原动机(b)控制方案Hn3n2n1Q(a)流量特性图9．1-4调节转速式控制FC图9．1-5旁路控制流量FCPC图9．1-6往复泵出口压力和流量控制气体输送设备按照所提高的压头可分为：1.送风机：出口压力小于0.01MPa。2.鼓风机：出口压力在0.01～0.13MPa之间。3.压缩机：出口压力大于0.3MPa。它们的流量控制方案基本相似，因此以压缩机为代表，分析它们的控制方案。压缩机与泵一样，也有往复式与离心式之分。压缩机的流量控制与泵的流量控制非常相似，即调速、旁路与节流。但由于压缩机输送的是气相介质，所以往复式压缩机也可采用吸入管节流的控制方案。往复式压缩机主要用于流量小，压缩比较高的场合。离心式压缩机自60年代以来，随着石油化工向大型化发展，它也迅速地向着高压、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，它具有如下优点：①体积小，重量轻，流量大。②运行率高，易损件少，维修简单。③供气均匀，运转平稳，气量控制的变化范围广。④压缩机的润滑油不会污染被输送的气体。⑤有较好的经济性能。离心式压缩机本身结构特性决定了这类设备具有一些特定问题，例如喘振、轴向推力大等。生产过程中离心式压缩机常常是处于大功率、高速运转、单机运行状态，因而确保它的安全运行是极为重要的。通常一台大型离心式压缩机需要设立以下自控系统。①气量控制系统。即出口排量或压力控制，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。喘振现象是由离心式压缩机结构特性所引起的，而且对压缩机的正常运行危害极大。为此，必须专门设置防喘振控制系统，确保压缩机的安全运行。③压缩机的油路控制系统。离心式压缩机的运行系统中需用密封油、润滑油及控制油等，这些油的油压、油温需有联锁报警控制系统。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。其中第③和第④控制系统不属于过程控制专业，需要时可查阅相关书籍。三、离心式压缩机的防喘振控制1．喘振现象及原因离心式压缩机运行过程中可能会出现一种现象，当负荷低于某一数值时，气体的输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈振荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。此时可看到气体出口压力表、流量表的指示大幅度波动。随之机身也会剧烈振动，并带动出口管道厂房振动，压缩机将会发出周期性间断的吼响声。如不及时采取措施，将使压缩机遭到严重破坏。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安全运行的最大的威协，由于喘振引起短时间的气体回流，可能造成轴位移，极易造成设备损坏。喘振是离心式压缩机的“驼峰”特性曲线引起的。图9．1-7所示为在某一转速下离心式压缩机的特性曲线，它是压缩机的出口绝压p2与入口绝压pl之比(或称压缩比)和入口体积流量Q的关系曲线。由图中可看出，这种驼峰型的特性曲线具有极值点T。在极值点两侧压缩比与Q之间的关系是相反的。工作点建立在极值点右侧是稳定的，而在极值点左侧则为不稳定的。工作点的稳定与否是指流体输送系统在经受一个较小的干扰而偏离该工作点后，系统能否自动返回到原来的工作点。现分析图9．1-7中极值点右侧的工作点M1。当由于某种原因使系统压力p2下降时，工作点沿特性曲线下滑，随之压缩机的排量Q增大。因为整个管网系统是定容积的，所以Q的增大必将使系统压力p2回升，也就自动地把工作点拉回到原来的Ml点上。而对M点来讲，它是T点左侧的工作点。由于p2/plTp2/pl～QM1MQQM图9．1-7离心式压缩机工作点某种原因使系统压力p2下降，工作点同样沿特性曲线下滑，随后压缩机的排量Q也下降，对于定容系统来说，将进一步导致压力下降，工作点继续沿特性曲线下滑而不能返回M点，所以是不稳定的工作点。正由于特性曲线极值点的存在，一旦工艺负荷下降，使工作点移入极值点左侧，成为不稳定的工作点。此时，系统稍有扰动，就不能稳定下来，出现气体排量强烈振荡而引起的喘振现象。离心式压缩机在不同转速n下，极值点对应的极限流量Qp是不一样的，转速n越高，极限流量Qp也越大。把不同转速n下特性曲线的极值点连接起来，所得曲线称为喘振极限线，其左侧部分为不稳定的喘振区，即图9．1-8中的阴影部分。图中也表示出，因为n3＞n2＞n1，所以QP3＞QP2＞Qpl。2．防喘振控制系统由上述可知，在一般情况下，负荷的减少是压缩机喘振的主要原因。因此，要确保压缩机不出现喘振，必须在任何转速下，通过压缩机的实际流量都不小于喘振极限线所对应的极限流量Qp。根据这个基本思路，可采取压缩机的循环流量法。即当负荷减小时，采取部分回流的方法，既满足工艺负荷要求，又使Q＞QP。常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种防喘振控制系统。(1)固定极限流量防喘振控制让压缩机通过的流量总是大于某一定值流量，当不能满足工艺负荷需要时，采取部分回流，从而防止进入喘振区运行，这种防喘振控制称为固定极限流量法。图9．1-9所示为固定极限流量防喘振控制的实施方案。在压缩机的吸入气量Ql＞Qp时，旁路阀关死；当Ql＜Qp时，旁路阀打开，压缩机出