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

排出量Q→ ↑压

头H

n1

n2

n3

n4

a

a’

HL=hp+hL+hf +hv

g

pphp12

hv

hf

hL

p1

p2

排出量Q→ ↑压

头HL

hv

hf

hL

hp

H HL

C

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H HL1 C3 C2 C1 HL2 H

L3

FC

FC 调转速

原动机

排出量Q→

↑压

头H

n1

n2

n3

n4

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：

FC FC PC 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Q1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 M1

T P2/p1 P2/p1~ Q Q QM

离心式压缩机工作点

排出量Q→ ↑ n1

n2

n3

P2/p1

Qp1 Qp2 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Qp。即当负荷减

少时，采取部分回流的方法，保证Q>Qp。 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。

T1↑、M1↓、p1↓ P2/p1 Q 喘振

线 管路特性

吸入状态变化与喘振关系 P2/p1

Q 喘振线 管路特性

管路阻力变化与喘振关系 阻力↑

固定极限流量防喘振控制方案 压缩机 FC 吸入 循 环

排出 P2/p1

Qp

喘振极限值

Q