设备管理_过程控制工程培训课件

过程控制工程 第15章流体输送设备的控制 第11课 ProcessControlEngineering 北京化工大学信息科学与技术学院自动化系宿翀 第16章传热设备的控制 流体输送设备的控制 15 1概述15 2泵和压缩机的控制15 3离心式压缩机的防喘振控制 第15章 教学进程 15 1 概述 流体 液体或气体液体传送 泵气体传送 风机或压缩机控制目标 流量 压力控制 安全保护控制 教学进程 15 2 泵和压缩机的控制 离心泵的控制 15 2 1 离心泵的叶轮在电动机的带动下做高速旋转运动 产生离心力 泵速越高 离心力越大 出口压头越高 出口流量增大 出口压力降低 离心泵特性公式 性能流量Q140 1800m3 h扬程H9 125m进口直径150 600mm 教学进程 15 2 泵和压缩机的控制 离心泵的控制 15 2 1 离心泵特性曲线 另外 管路系统的压力也对泵的特性有影响 教学进程 因此 可以通过hv或其他手段改变H压力 流量 离心泵的控制 15 2 1 管路阻力 1 管路两端的静压差hp 2 管路两端的静液柱高度 即升扬高度hL 3 管路的摩擦损失hf 4 控制阀两端的节流损失hv 管路总压力阻力 HL hp hL hf hv 系统稳定工作 H HL 教学进程 注意 控制阀一定要装在阀的出口位置 否则会出现 气缚 和 气蚀 现象 对离心泵产生损坏 b 控制方案 a 流量特性 FC H Q HL1 HL2 C1 C2HL3 C3 离心泵的控制 15 2 1 1 直接节流法 改变直接节流阀的开度 改变平衡工作点的位置C 教学进程 离心泵的控制 15 2 1 气缚 hv使得入口压力下降 使液体部分汽化 使泵的出口压力下降 排量降至零 气蚀 hv使得部分汽化的气体到达出口 受压缩重新凝聚成液体 对泵内机件产生冲击 教学进程 FC 调转速 电动机 b 控制方案 离心泵的控制 15 2 1 2 改变泵的转速 通过改变泵的转速改变工作点 目前主要通过变频器控制电机的转速 变频器近年发展比较快 功能 可靠性大大提高 价格下降 此方法也可以取代控制阀 实现流量控制 教学进程 离心泵的控制 15 2 1 场合 多用于大功率的离心泵 教学进程 3 改变旁路回流 离心泵的控制 15 2 1 教学进程 容积式泵的控制方案 15 2 2 不能采用节流方法控制 n1 n2 n3 排出量Q H压头 往复泵 活塞式 柱塞式 旋转泵 齿轮式 螺杆式 排量的大小与管路的阻力无关 只取决于泵的冲程及往复频率 教学进程 常见的控制方案 1 变频调速 2 旁路法 容积式泵的控制方案 15 2 2 教学进程 压缩机的控制方案 15 2 3 需要保证运行的安全性 如 喘振 功率大 转速快 气体增压及输送设备 离心式 往复式 离心式应用比较多 优点 P273 缺点 教学进程 4 轴推力 轴位移及连锁保护控制 压缩机的控制方案 15 2 3 主要自控系统 1 气量控制 与离心泵相似 2 防喘振控制 3 油路控制 油温 油压联锁安全保护 电气控制 教学进程 15 3 离心式压缩机的防喘振控制 喘振现象及原因 15 3 1 离心式压缩机的负荷低于一定的值后 气体的正常输送被破坏 气量忽多忽少 发生强烈振荡 气喘 声音 严重破坏机器设备 教学进程 T点对应的流量 极限流量 喘振现象及原因 15 3 1 p2 pl p2 pl Q M1 M T QMQ 图15 8离心式压缩机工作曲线 喘振产生的原因 T点右恻 稳定工作区 P2 P1 Q P2 P1 T点左恻 不稳定工作区 P2 P1 Q P2 P1 喘振区 教学进程 产生喘振的直接原因是负荷的下降 喘振现象及原因 15 3 1 不同的转速 离心泵的极限流量也不一样 教学进程 1 气体吸入状态的改变 喘振现象及原因 15 3 1 另外 有些工艺原因也可以导致喘振 教学进程 2 管路阻力的变化 喘振现象及原因 15 3 1 教学进程 防喘振控制系统 15 3 2 方法 部分回流 既满足工艺要求 又使Q1 Qp 控制喘振 限制压缩机流量不小于极限流量Q1 Qp 教学进程 Q1 Qp 旁路阀关死Q1Qp此种方案中 Qp是固定值 正确选择Qp值是关键 选择最大转速下的Qp作为FC的设定值 1 固定极限流量 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 2 可变极限流量 几种常见的操作线方程 防喘振控制系统 15 3 2 设置极限流量随转速而变关键 确定压缩机的喘振极限线方程 p2 p1 Q2 教学进程 2 可变极限流量 出入口压力与入口流量的关系不同形式的变换 组成防喘振控制系统 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 2 可变极限流量 出入口压力与入口流量的关系不同形式的变换 组成防喘振控制系统 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 2 可变极限流量 出入口压力与入口流量的关系不同形式的变换 组成防喘振控制系统 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 2 可变极限流量 P280应用实例 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 防喘振控制系统 15 3 2 教学进程 压缩机串 并联运行及防喘振控制 15 3 3 通过一个LS 不论哪个压缩机出现喘振 都可以把旁路阀打开 以防止喘振 图15 21压缩机串联运行时防喘振控制方案 教学进程 压缩机串 并联运行及防喘振控制 15 3 3 并联情况工艺上尽量要求单机运行 P1 P2 F1 F2 FC A B LS 排出 吸入 教学进程 传热设备的控制 16 1概述16 2传热设备的特性16 3一般传热设备的控制16 4锅炉设备的控制16 5加热炉的控制 第16章 教学进程 16 1 概述 对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备 结构形式 列管式 蛇管式 夹套式 套管式 一般传热设备 特殊传热设备 加热炉 锅炉 蒸发器等 传热设备的类型 16 1 1 传热方式 传导 对流 辐射 物流接触关系 直接接触式 间壁式 蓄热式 热量交换形式 无相变的热量交换 有相变的热量交换 教学进程 传热设备的类型 16 1 1 a 列管式换热器 液体1进口 液体2入口 液体1出口 花板液体2出口列管 教学进程 换热器 蒸汽加热器 再沸器 冷凝器等 传热设备的类型 16 1 1 教学进程 传热设备的控制要求 16 1 2 1 对工艺介质进行加热或冷却 2 使工艺介质发生相变 3 热量回收主要是进行温度控制 以及一些保护性控制 控制要求 教学进程 传热设备的特性 16 2 图16 2逆流单程换热器 G2c2T2i G1c1T1i G1c1T10 G2c2T20 教学进程 16 2 1静态特性分析基于热量平衡方程和传热速率方程用于系统扰动分析及静态控制设计依据 q KF T 单程 逆流管式换热器静态特性基本表达式 16 6 q G1c1 T1o T1i G2c2 T2i T2o 教学进程 仿真分析 静态放大倍数 T1i T1o 式16 8T2i T1o 式16 9 教学进程 线性 小于1 线性 仿真分析 静态放大倍数 非线性 T1o G2 T1o G1 31 24 图16 4 图16 5 教学进程 16 2 2动态特性分析 T1i T1o 式16 11动态纯滞后环节 T2i T1o G1 T1o G2 T1o 式16 12带纯滞后的二阶惯性环节 分布参数对象 图16 6 既是时间函数 又是空间的函数精确描述 偏微分方程求解困难经验公式近似描述 教学进程 特点 简单易行但是 当G2已经很大 而温差较小时 迟钝控制另外 若工艺上不允许对载热体节流时 不能采用这种方案 两类基本方案 控制载热体流量 旁路控制介质流量 控制载热体流量用载热体流量控制介质出口温度 最常用的方法 一般传热设备的控制 16 3 换热器的控制 16 3 1 教学进程 介质旁路控制介质混合过程控制及时 相当于前馈机理 另外 还可以组成前馈 串级控制方案图 教学进程 蒸汽加热器的控制 16 3 2 控制载热体流量蒸汽发生相变 可同时通过 T和传热面积控制 只是要注意出口液体能够连续排出 蒸汽作为热载体 工业常用 教学进程 控制冷凝液排量热载体的出口控制 通过改变F控制控制阀控制液体 口径可以小些 液体控制平稳 缺点 滞后 蒸汽加热器的控制 16 3 2 图16 15前馈 反馈控制系统 教学进程 冷凝冷却器的控制 16 3 3 缺点 控制不灵活 另外要保证液位不能过高 防止汽带液T L串级控制系统图16 17 热载体为液态冷却剂 通过在换热器内蒸发 带走介质热量 图16 16 控制载热体流量 优点 控制平稳 对出口气相压力没有影响 教学进程 冷凝冷却器的控制 16 3 3 控制汽相流量控制灵活 但出口压力波动 若直接进入压缩机 对压缩机有影响 TC LC 液氮 气氨 教学进程 16 4 锅炉设备的控制 教学进程 16 4 锅炉设备的控制 16 4 1 概述 主要结构图P299图16 20燃烧系统 给水系统 蒸汽产生系统 锅炉产生蒸汽 而蒸汽一般是过程设备的能量来源 动力设备 而蒸汽质量对过程生产有直接影响 作用 分类 锅炉有多种分类 根据锅炉用途 燃料性质 煤 油 气 压力 高 中 低 结构 教学进程 4 水处理控制防止或减少结垢 主要控制系统 16 4 1 概述 1 汽包水位控制保持水量与蒸汽量的物料平衡 2 燃烧控制保证燃烧的经济性和安全性 3 蒸汽控制控制过热蒸汽的温度 教学进程 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 锅炉的汽包水位控制一般比较严格 汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳 安全的保证 水位过高 影响汽水分离 使饱和蒸汽带水过多 使过热蒸汽温度下降 水位过低 可能全部汽化 产生危险 教学进程 汽包水位的动态特性影响因素多主要讨论水流量 蒸汽流量 L特性 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 给水流量W L阶跃响应H曲线 相当于积分加纯滞后环节给水温度越低 纯滞后时间越大 W H H1 H t t 教学进程 曲线H 汽包水位 开始上升 然后再下降 虚假水位 现象 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 蒸汽流量D L 曲线H1 D突然增加 物料平衡 水位下降 曲线H2 D突然增加 瞬间汽包压力下降 水沸腾加剧 气泡增加 水位上升 H1 H2 H 教学进程 对给水扰动控制滞后 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 1 单冲量控制系统 汽包水位的单回路控制 单冲量 汽包水位 适用于负荷小的锅炉 三个问题 不能克服虚假水位带来的后果 对蒸汽负荷的变化控制不灵敏 教学进程 前馈 蒸汽流量 反馈 汽包水位 控制系统 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 2 双冲量控制系统 为了克服虚假水位现象 引入蒸汽流量 双冲量 静态前馈 教学进程 GC C1 GV GPC GmF C2 Gm GPD IF L0 IC I0 I 图16 25 b D 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 教学进程 加法器系数IC汽包水位信号 C1 1IF蒸汽流量信号 C2根据静态前馈补偿设置 I0偏置值 调整I的输出 正常负荷下 I0与C2IF相互抵消 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 教学进程 安全角度 保护锅炉 气闭 防止烧干保护蒸汽用户 气开 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 阀 控制器 运算器符号 阀的开闭形式 控制器正反作用 对象 正 若气闭阀 LC 正 若气开阀LC 负 运算器正负号 C2 取决于控制阀开闭形式蒸汽量 给水量应该 气闭 I应该 C2取 气开 I应该 C2取 教学进程 双冲量控制系统其它形式 LC 水位 蒸汽量 给水阀 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 教学进程 在双冲量基础上 进一步克服给水干扰 引入给水流量信号 蒸汽 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 3 三冲量控制系统 教学进程 前馈 蒸汽流量 串级 汽包水位 给水流量 控制系统 GPD GmF GPC GP2 GC2 GmF GC1 Gm IFICI0 I0 I F I U L 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 教学进程 I0与IC抵消 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 加法器系数C 根据给水流量变化W 蒸汽流量变化 前馈补偿 对于I0 正常负荷时 教学进程 由于CIF作为流量控制器的给定 蒸汽流量增加 给水流量应该提高 C永远为正 与阀的形式无关 与双冲量不同 I IC CIF I0 16 4 2 锅炉汽包水位的控制 阀 控制器 运算器符号 阀安全角度确定 控制器按串级系统确定 先副后主 运算器符号 教学进程 出口温度控制控制方案一级过热器 二级过热器 减温器 16 4 3 过热蒸汽系统控制 T2C T1C 减温水 图16 33串级 减温器 减温器 教学进程 与燃料种类 油 气 煤 燃烧设备 锅炉形式有关基本要求 1 出口蒸汽压力稳定 根据蒸汽负荷调节燃烧程度 2 燃烧良好 3 安全 16 4 4 锅炉燃烧过程的控制 教学进程 1 蒸汽压力与燃烧控制一般 用燃料量控制蒸汽压力 单回路 串级燃烧控制要求燃料与空气的一定比例 比值控制加入逻辑关系 16 4 4 锅炉燃烧过程的控制 FC FC FC FC LS HS PC PC K K 燃料阀 燃料阀 空气阀 空气量 空气量 燃料量 燃料量 p p 图16 36 图16 35 教学进程 燃料与空气比值的最优化维持燃烧 理论上要维持一个最低空气量 实际空气量要略大于最低量 过剩空气量 大 能量浪费 小 燃烧不完全对于不同的燃料 都有一个最优空气量 最经济燃烧 16 4 4 锅炉燃烧过程的控制 2 烟气含氧量控制 可通过烟气含氧量信号间接获得 教学进程 16 4 4 锅炉燃烧过程的控制 在燃烧控制方案中引入含氧量信号校正若要求能够适应负荷变化 可构成图16 41的控制系统 教学进程 燃烧嘴背压过低 实施联锁保护 切断燃气阀