第三章流体输送设备的控制(0改)

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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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。
P 1 P
1
P 2
P 1
K
2 2
M
zRT 1
P 1 P 1
1 T
1
2 2
K M
P zR 1
P 1
令：
1
2 2
K
zR
m
M
P m(P P )
1
2
1
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⒊以仪表信号表示安全线表达式 防喘振控制系统是由若干台仪表构成，为具体设置各有关参数，
必须将喘振安全操作线方程化为仪表信号表达的方程式。
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
实现？
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3.2.2 压缩机的控制方案
1、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 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。
(2)调速法
(3)旁路回流法
SP FC FT
HL
H
c1
c3 c2
n1
n3 n2
Q
xr
H
xr
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Q
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气缚现象：控制阀应安装在泵的出口管线上，对不应安装在泵的 入口管线上。如误安装在泵的入口管线上，由于节流压头的存在， 使泵的入口压力比无阀时要低，从而使部分液体气化，造成泵的 出口压力降低，排量降低，甚至使排量等于零，这种现象称为 “气缚”。
4
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3.3.4 防喘振控制系统
由上述分析可知，压缩机喘振主要是负荷减小引起的，而负荷的 升
降则是由工艺决定的，为不使压缩机出现喘振，压缩机在任何转速下 的
实 循际固流定量极应限大流于量喘法振和极可限变所极对限应流的量最法小流量。根据这一思想，可采用 环1流、量固法定来极设限计流压量缩法机的防喘振控制系统。有两类：
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
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2
离心泵结构
往复泵
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Q
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
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4
p2
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
安全操作线的表达式
⒈经验公式 可用一抛物线方程近似：
P 2
K
Q2 1
P
T
1
1
3.0
喘振区
P2 P1
2.0
n3 n2 n1
Q1 ：吸入体积流量
1.0 0
T1 ：吸入气体的绝对温度
50 100 Q,%
P1, P2：吸入口、排出口的绝对压力
K ,：为常数，由厂家给出
此经验公式可针对不同的流量测量方法变为实用公式。
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；
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。
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3.3.3 喘振的极限方程及安全操作线
3.0
P2 P1 喘振区 2.0
n3 n2
n1
1.0
0
50 100
Q,%
喘振极限线：在不同转速下，特性曲线最高点的连线称之。可通过
2020/12/10 理论推导获得数学表达式。
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安全操作线：工程上，为了安全，将极限线右旋一角度，得安全线，作 为压缩机允许工作的界限。
PT P1 101
P2 PT 102
PdT 101
P2 mP1
写成出口流量； ③喘振安全操作线方程式中出入口压力
为绝对压力，而测量压力为相对压力，因此
m(P P )
P 1
FC
2
1
101
应做相应的变换。
6、工作轮叶片 7、扩压器叶片
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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P1/P2—Q； 效率和流量关系曲线—Q；
功率和流量之间关系曲线N—Q。
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 定工M1作，理点论，上M是讲不都稳是定工工作作点点，。但M1是稳HM
力P1降低时，所需压缩比增大，压缩机易 进入喘振区。
实际生产过程中，被压缩气体一般来 自上一工序，上一工序的操作情况会影响 分子量和温度的变化，从而可能引起压缩 机的喘振。
鉴于目前的防喘振控制系统一般只对 减小负荷而设，且分子量的变化无法进行 在线测量，故上述情况下，防喘振控制系 统会“失灵”。对此需特加重视。
由于上式中的吸入口气体的体积流量Q1、绝对压力P1和绝对温度T1 有一定的关系，可以依照不同的测量方法和仪表，将上式表达成更加适
用的公式。
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⒉用差压法测流量
Q 1
P 1
1
入口处气体密度
常数 气体压缩系数
代入气体方程
1
P1M zRT1
代入经验公式：`
Q12
2 2
M
zRT 1
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
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。
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。
1、轴 2、轴封 3、工作轮 4、扩压器 5、蜗壳
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问题：流量检测点的位置，汇合点之前还是汇合点之后？
旁路控制阀采用什么型式阀？
特点：可靠性高、投资少、方案简单、适用于固定转速场合； 不过转速较低时，能耗过大，负荷变动经常时不够经济。
2、可变极限流量法
为了减小压缩机的能量损耗，在压缩机负荷波动的场合，可采用 调
转速的办法来保证压缩机的负荷满足工艺要求，但在不同的转速下， 其
采用部分循环法，使压缩机始终保持大于某一定值流量，避免使
工 作点进如入图喘：振区。
P2
假 设 QP 为 压 缩 机 固 定 P1
喘振极限流量，只要满足，
n1 FT
Q QP 压 缩 机 就 不 会 出 现
喘振。
n3 n2
QP
Q
① Q Q打P 开旁路阀，返回部分气体
气关
FC QP
正
② Q Q旁P 路阀关闭
M1：当干扰发生Q泵的扬程<管路 H0 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。
极 工 作点限PP沿流12 如量图不K所同Q示，T1的1因2 安此全合线理变的或化方，P案1 即应m保是(证P在2 整P个1)压P23缩.P0机1 负喘荷振变区化范围内， n3
方 案 如 下 ： P1测
P设
m(P 2
P ) 1
2.0
n2
根据压缩机吸入口压力和出口压力计算入
口压差，使其满足上述条件。
1.0
Q,%
⒈负荷减小到一定程度——最常见原因；
⒉被压缩气体的吸入状态：如分子量、温
度、压力等的变化。
⑴ 吸入气体的分子量变化：同样的吸入
气体流量QA下，分子量增大，压缩机进入 喘振区。
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⑵ 吸入气体温度的变化： 在同样的吸入气体流量QA下，当温度
减低时，压缩机易出现喘振。 ⑶ 吸入气体压力的变化： 影响压缩机的实际压缩比。当吸入压
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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。
缩 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
的 跳气体，只要串联管路容积较大，就能起到储能作用，故易发生不稳
气蚀现象：或者夹带部分气化的气体到排出端后，因受到压缩会 重新凝聚成液体，对泵内机件产生冲击，严重会损坏叶轮和机壳， 这种现象称为“气蚀”。
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习题
⒈ 何谓泵的特性？ 用曲线和公式表示出来。 ⒉ 何谓谓管路特性？用曲线和公式表示出来。 ⒊ 离心泵系统达到稳定状态的条件是什么？如何
对于Ⅲ型仪表
u 4
P P1
1
16
P 1
max
P 1
min
P
u 1 16 4
P1
P1 max
P 1
uP1 4 16
P 1
max
,
代入整理得：
u 4
P P2 2 16
P2 max
u P1
u m P2
uP1
4 4
P2 max P1max
(u P1
4)
P 1
max
P 1
max
P 1
min
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。
hL p1
管路系统总阻力： H L hp hL hf hV
HL 和 Q 流量的关系称为管路特性
H
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
阀的开度(即hV )改变工作点。
旋转泵
3
1、离心泵
由叶轮、机壳组成，叶轮在电机带动下高速旋转
压头
旋转叶轮作用在液体上的离心力
转速
离心力
压头
叶轮和与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀
时，排量为零，压头最高，泵所做的功
热。H
泵的特性：压头H 与排量及转速n 之间的关系
nHQ H
n1 n4n3n2
经验公式： H k1n2 k2Q2 k1, k2 比例系数
动20的20/工12/况10 。
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连接离心式压缩机不同转速下
的特性曲线的最高点，即可得到喘振
3.0
极限线，其左侧部分称喘振区。
喘振情况与管网特性有关： 管网容量越大，喘振的振幅越大， 而频率越低；管网容量越小，则相反。
喘振区 P2 P1
2.0
n3 n2 n1
3.3.2 引起喘振的原因
1.0
0
50 100
据此，可设计出可变极限流量法防喘振控制系统。0
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n1
50 100 Q,%
21
注意：
①旁路阀在压缩机正常运行的整个过程
中，测量始终大于设定值，因此必须注意防
积分饱和；P1测
P设
m(P 2
P ) 1
吸入
②在实际的生产过程中，有时不能பைடு நூலகம்压
排出
缩机的入口处测量流量必须在出口处测量， 但压缩机制造厂所提供的特性曲线规定的是 入口测量，因此应将喘振安全操作线方程改
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H ~Q
hV c HL ~ Q
hf hp hL
Q
5
H
n1 n4n3n2
Q H k1n2 k2Q2
离心泵工作点流量控制方案：
(1)直接节流法
SP
FT FC
HL ~ Q hV
H
c
ht
hL
hp Q
H h h h h
L
p
L
f
V
H
cH1L1
HL2 c2
c3
HL3
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Q6