过程控制综合实践指导书-MPCE实验部分

1、过程控制综合实践过程控制综合实践指导书指导书MPCE 实验装置实验装置中国石油大学（北京）信息学院自动化系2012 年 6 月目目 录录第一章第一章 MPCEMPCE 实验装置组成实验装置组成.- 1 -1.1 小型流程设备盘台.- 1 -1.2 动态数学模型软件.- 3 -1.3 控制系统图形组态软件 .- 3 -1.4 实验系统监控软件.- 4 -1.5 实验系统硬件功能.- 4 -第二章第二章 VBVB 扩展接口扩展接口.- 4 -2.1 软硬件结构.- 4 -2.2 基本原理.- 5 -2.3 上位机配置与准备工作 .- 6 -2.4 开发流程及代码示例 .- 7 -第三章第三章 被控

2、对象被控对象介介绍绍 .- 9 -3.1 离心泵与三级液位过程.- 9 -3.2 气体压缩过程.- 11 -3.3 列管式热交换器传热过程.- 13 - 1 -第一章第一章 MPCEMPCE 实验装置组成实验装置组成MPCE 实验装置由小型流程设备盘台、数字式软仪表与接口硬件、系统监控软件及过程模型软件四部分组成。四部分通过小型实时数据库、实时数字通信协调运行，完成复杂的过程与控制模拟实验。1.11.1 小型流程设备盘台小型流程设备盘台见图 1-1 右下方所示，在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型。主设备包括：一台卧式储罐、两台高位计量罐、一台带搅拌器的釜式反应器、一台列管

3、式热交换器、三台离心泵、十个手动/自动双效阀门和若干管路系统。在垂直的仪表盘面上分布有压力（P） 、流量（F） 、温度（T） 、物位（L） 、功率（N） 、组成（A）和阀位（V）等传感器（变送器）插孔和数字式软仪表。本盘台是直接操作和运行过程系统的环境。本环境给操作员以全真实的空间位置感觉、全真实的操作力度感觉和过程变化的时间特性感觉。由于真实过程装置的压力、流量、温度、物位、功率、组成也是无法直接观察的，必须通过仪表检测，因此，本系统和真实系统的观测界面完全一致。图 1-1 过程控制技能测试系统总貌图1. 盘台检测点、操作点与控制点盘台检测点、操作点与控制点见图 1-2 所示，小型流程盘台上

4、可以变化组合的检测点、操作点与控制点统计如下：（1）电子阀： 10 个 （V1V10，既能定义为手动阀门，也能定义为控制阀）（2）电子开关： 4 个 （S2、S4、S5、S8）（3）开关阀： 4 个 （S1、S3、S6、S7，用于快开特性阀门的操作）（4）流量检测点：10 个 （F1F10）（5）液位检测点： 4 个 （L1L4）（6）压力检测点： 7 个 （P1P7）（7）温度检测点： 6 个 （T1T6）（8）功率检测点： 1 个 （N）（9）组份检测点： 1 个 （A）（10） 指示灯： 2 个 （D1、D2）- 2 -图 1-2 过程控制实验系统流程2.2.彩色液晶显示器彩色液晶显示器

5、 是一台大尺寸(17 吋)高分辨率彩色液晶显示器，安装在盘台左上方（见图 1-1 所示） 。液晶显示器上自动显示十五个任意选定的指示仪表。其中最上排设有五个“棒图”显示仪。当用两端有插头的黑色软线将流程中的变量传感器测量点连接到液晶显示器下方的上数第一排 15 号黑色插孔时，被检测变量即被指定到对应的五个“棒图”显示仪中的某一个，包括变量位号、上下限指示都自动被指定并立即显示。上数第二排和第三排 615 号黑色插孔对应十个“数字”显示仪，直接进行变量数值显示。这种显示方式具有很大地灵活性，使用者可以通过黑色软线将盘台上的任一个变量连接到任一个指示仪表上读取数据。3 3 标准模拟量输出和输入接口

6、标准模拟量输出和输入接口本测试系统可以通过直流 420 mA 国际标准 A/D、D/A 信号与集散型控制系统 DCS、可编程序控制器PLC、基于 PC 的控制系统等连接。启用本功能必须在组态时定义为“外控方式” 。在外控方式下，液晶显示器上十五个任意选定的指示仪表，不但与液晶显示器下面 115 号黑色插孔有一一对应关系，而且还与盘台左侧面小窗口内的接线端子排有一一对应关系。对应关系见图 1-3。当外接控制系统需要通过 420 mA 国际标准信号获取盘台上的某一个指定变量数据时，应先将该变量用黑色软线连接到对应的 115 号黑色插孔中的某一个，然后从接线端子排对应排号用导线连接到外接控制器。 在

7、外控方式下，液晶显示器下面 15 号红色插孔（见图 1-2 所示）被启用。目的是将外接控制器的控制输出信号接收过来，并连接到指定的控制阀。连接方法是用两端有插头的红色软线将指定的控制阀上的红色插孔与 15 号红色插孔中的某一个相连。15 号红色插孔与盘台左侧面小窗口内的接线端子排也有一一对应关系。对应关系见图 1-3。- 3 -图 1-3 标准模拟量输出和输入接口端子排编号1.21.2 动态数学模型软件动态数学模型软件本测试系统采用动态定量数学模型模拟真实工艺流程，并提供各变量随时间变化的瞬态值。具体分为以下五种流程的动态仿真模型：（1） 离心泵及三级液位动态仿真模型（2） 压力系统动态仿真模

8、型（3） 热交换器过程动态仿真模型（4） 连续反应（CSTR）动态仿真模型（5） 间歇反应动态仿真模型为了高逼真地进行过程的开、停车、正常运行和故障状态的操作及控制，本系统的数学模型考虑了如下几个重要方面。 （1）动态模型应能反映被仿真装置的实际尺寸，包括设备尺寸、管道尺寸、阀门尺寸等，能反映系统物料和能量的变化与传递的定量关系。（2）动态模型能反映被仿真系统的物理化学变化的规律，如反应动力学特性、气液平衡特性、这些特性常常是非线性的。（3）动态模型能反映被仿真系统的动态时间常数、惯性、时间滞后、多容和高阶特性。（4）动态模型的求解速度达到实时要求、求解精度满足实验要求。为了进行复杂的控制实验

9、，除了过程模型外还特别开发了常用控制算法模块库，例如，PID 控制器，传递函数、外作用函数、限幅器、算术运算器、选择器、继电器特性、随机信号器等，可以方便地通过“软连接”构造多种多样的控制系统。配合小型专用实时数据库及高速模型计算技术，本实验系统中的动态数学模型软件能够在监控软件的控制下完成过程系统的实时仿真计算。1.31.3 控制系统图形组态软件控制系统图形组态软件为了灵活地设计组合多种多样的控制方案，本实验系统提供自行开发的、专用的控制系统图形组态软件。能够在计算机“桌面”上通过图形软连接、在“菜单”提示下填写参数和数据等方法完成控制系统组态。这种组态方法与集散型控制系统（DCS）组态完全

10、相同，并进一步增加了控制算法的组态设计功能。也就是说集成了 DCS 和 MATLAB 的双重功能，并且更直观、更简明、更符合控制技能测试的要求。控制系统图形组态软件提供以下具体功能。（1）提供常见的 PID 控制算法，允许配置参数。（2）控制方案的组态设计功能，允许自行设计控制方案，包括控制与被控制变量的选择、算法的选择以及复杂控制实验等。- 4 -（3）控制算法的组态设计功能，提供两种方式的控制算法组态：提供图形化控制算法组态工具，可以对通道模型、非线性环节、逻辑算法及传递函数等进行自定义；提供标准 DLL 工程，将其它计算机语言所写的控制算法动态链接到当前控制回路中。（4）信号发生器组态。

11、提供常用的信号发生器，对当前的现场信号进行叠加。（5）信号输出组态。提供信号输出显示、历史趋势记录、文件保存等功能，以便进行信号后处理。（6）提供响应曲线图形分析的辅助功能，例如作水平和切线辅助线、曲线的二维任意放大缩小、任意移动位置、任意读取时间和参数坐标值等，大大方便了测试分析工作。（7）通过组态定义可以实现狭义对象特性测试和广义对象特性测试。这是其它实验系统所无法实现的功能。为了方便使用，控制系统图形组态软件具有错误组态方案的自诊断功能。当组态的方案不合理时，软件能给出提示。此外，还具有智能化自动排序功能。本软件采用深层知识“专家系统”推理方法，对组态生成的控制系统计算顺序进行优化排序，

12、能够保证计算结果的准确性。1.41.4 实验系统监控软件实验系统监控软件 盘台上的所有操作点和显示变量都能由软件控制，可以在瞬间设定新的状态，称其为状态“全恢复”功能。本功能是测试实验系统的一大特色，利用本特点可以任意设定干扰、故障状态或某一特定状态、重演过去记录的状态及某时间段落的变化状态等。测试实验系统监控软件对每一项实验提供工程管理，便于选择不同的实验，以及对当前的实验进行管理。具体分为以下功能。（1）实验开始、暂停、恢复及自检验功能；（2）实验项目切换；（3）实验项目当前状态（又称为“快照” ）存储；（4）运行时参数的随机或动态改变；（5）多画面切换。1.51.5 实验系统硬件功能实验

13、系统硬件功能1 传感器（即变送器）信号（420mA）输出及控制阀信号（420mA）输入。可以外接 DCS 控制系统、PLC 控制器、或其他具有 420mA 标准工业信号的控制设备。2 硬件组态功能。在液晶显示器上彩色显示 15 个数据单元（5 个棒图显示和 10 个数码显示） ，每个显示单元都有一个数据输入黑色插孔。另外在设备和管道上布置了 29 个数据输出插孔。通过导线连接数据输入插孔和数据输出插孔，则完成了对显示单元显示数据内容的硬件组态。当“外控方式”时，5个自动阀控制输出红色插孔，可以连接任意的阀门控制输入插孔。连接后该阀门设定为自动阀（此时手动操作不能改变阀位） 。3 测试和操作单元

14、的自摘除功能。在本系统上可以完成规模不同的试验，每次进行试验的过程中投入使用的设备种类和数量可以通过组态软件定义。没有通过组态软件定义的数据采集点不能进行数据采集，该设备在试验进行的过程中不投入使用。同时也不能输出模拟信号。没有通过组态软件定义的阀门不投入使用。4 自动可定义的双效阀门。所有投入使用的阀门如果没有组态为控制阀，则自动设定为手动阀门。5 硬件单元通过地址开关设定地址。同类型的硬件单元可以互换。6 现场“全恢复”功能。现场的全部硬件设备可以通过软件快速设定为任意的工作状态。第二章第二章 VBVB 扩展接口扩展接口2.12.1 软硬件结构软硬件结构MPCE 实验系统从外观上看，如下图

15、所示：- 5 -上位机 PC 是我们在实验过程中主要操作的计算机。下位机是一台工控机，主要与不锈钢盘台上阀门、开关等设备进行交互的设备，我们一般情况下不需要对它进行操作。下位机负责将上位机仿真模型计算的结果，在液晶屏中显示。同时，下位机实时监测阀门、开关的操作，并将操作结果收集后发送回上位机中，作为仿真模型的输入进行计算。上位机与下位机之间的通讯方式为以太网，通过 TCPIP 协议进行数据交互，周期为 1 秒。在下位机程序中，进行数据缓冲、中转、分发和收集等核心工作的是由一个称为数据网关（Datagate）的软件完成。不论是上位机软件、硬件驱动还是液晶显示程序都通过 Datagate 的 Ga

16、teService服务进行数据的交互。当我们需要基于 VB 进行控制算法开发时，同样也是通过该数据网关与系统进行数据的通讯。下下位位机机软软件件上上位位机机软软件件MPCE StudioDataGateHardware DriverLCD SoftwareIO Driver用用户户自自定定义义程程序序Visual Basic2.22.2 基本原理基本原理基于 VB 等第三方开发工具进行高级控制算法的扩展，其基本原理如下图所示，图中箭头代表数据的流向：VB/VC程序Datagate.GateServiceMPCEStudio仿真软件PV值仿真结果OPMV值调节阀开度VB 程序从 Datagate

17、 中获取当前时刻的过程值作为控制器的 PV 输入，经过控制算法的计算获得控制器的输出 OP，作为调节阀下一时刻的开度 MV，送入 Datagate 中。上位机仿真软件从 Datagate 中获取调节阀的开度 MV 后，根据该数据进行仿真计算，获得的流量、液位、温度等数据，作为仿真结果返回Datagate 中，等待 VB 程序在下一时刻输入。按照这种方式，数据在仿真对象、Datagate 和 VB 程序中进行周而复始的流动。需要说明的是，VB 程序与仿真软件对 Datagate 的数据访问是独立进行的。VB 与 Datagate 的采样周期由用户自己决定。但是，由于仿真系统仿真软件与 Datag

18、ate 进行通讯以固定周期（1 秒）运行，因此 VB程序的采样周期小于 1 秒是没有意义的。上述数据的流动，实际上是通过对 Datagate 中 GateService 接口的调用而实现的。数据通讯采用的方式不论是推还是拉，均是由客户端（VB、仿真软件）发起，Datagate 只是被动地等待调用。调用方式如下图所示：- 6 -VBVC程序Datagate.GateServiceGetPVData()MPCEStudioSetMVData()DoSomething.获取操作信息仿真模型计算写入仿真结果VB 程序通过 Datagate.GateService 的 GetPVData()接口，获取任

19、意的过程数据作为 PV 值。在进行自定义控制算法的计算后，将所得的控制器输出值通过调用 Datagate.GateService 的 SetMVData()接口送到MPCE 中。在 VB 程序的每一个计算周期中，都是以 GetPVData()获取 PV 值，最后以 SetMVData()送回控制器输出为基本模式，实现控制回路。2.32.3 上位机配置与准备工作上位机配置与准备工作由于 MPCE 实验装置中的调节阀，可以受多种方式控制系统的控制。根据控制信号的来源不同，MPCE 共有内控模式、外控模式和程序控制模式三种。一般的实验我们可以利用上位机软件中的控制器组态画面进行基础控制系统的组态，称

20、为内控模式。在内控模式下，控制器在上位机软件中，调节阀的开度由上位机软件给出。我们也可以将 PLC、DCS 系统通过 MPCE 的 4-20mA 端子板进行数据交互，称为外控模式。在外控模式下，我们在于外部 PLC、DCS 中进行控制器组态，调节阀的开度由外部 PLC、DCS 给出。最后，当我们使用 VB 等第三方开发语言进行控制算法的扩展时，控制器存在于我们编写的 VB 程序中，称为程序控制模式。此时，调节阀的开度由 VB 程序给出。为了使某一个调节阀能够正确地获取控制信号，必须事先配置该调节阀当前的控制模式。在进行外部模式或程序控制模式的实验前，必须在上位机软件的菜单“工具”下“阀门设置”

21、项中，对每一个涉及的调节阀进行控制类型的设置。采用 VB 或其它编程语言进行自定义控制算法时，必须在每一次实验前将相关的调节阀设为“程序调节阀” 。注：该信息不会随当前工程保存，每一次重新打开工程时必须重新设置。注意：注意：为了保证 VB 程序运行的计算机与下位机正常通讯，必须将运行 VB 程序的计算机以Administrator 用户名，空密码登录。同时，该计算机的 IP 地址必须在 192.168.0.X 网段内。- 7 -2.42.4 开发流程及代码示例开发流程及代码示例具体开发流程如下图所示：代代码码中中添添加加GateService对对象象的的引引用用工工程程中中添添加加MPCEDa

22、tagate库库的的引引用用初初始始化化GateService初初始始化化GateService对对象象调调用用GetPVData从从MPCE中中获获取取检检测测量量用用户户控控制制算算法法的的运运算算调调用用SetMVData将将控控制制器器输输出出送送回回MPCE关关闭闭GateService对对象象的的引引用用下面，结合示例代码，我们进行步骤的详细解释。请打开“VB 例子”目录下的 VB 工程。第一步：往第一步：往 VB 工程中添加工程中添加 Datagate 库的引用库的引用在 VB 的“工程”菜单下选择“引用”一项，在弹出的对话框中，确保“MPCEDatagate 1.0 Type

23、Library”选中后，点击确认关闭。 第二步：在代码中添加第二步：在代码中添加 GateService 对象的引用对象的引用如下图所示：- 8 -第三步：初始化第三步：初始化 GateService 对象对象在程序初始化处，进行 GateService 对象的初始化。CreateObject 函数的第一个参数必须按照图中的文字键入，第二参数为 MPCE 下位机（工控机）的 IP 地址，缺省为 192.168.0.1。第四步：获取第四步：获取 PV 值值在需要 MPCE 中的实时数据时，按下图所示代码进行调用：通过 DataGate 的 GetPVData()函数进行 PV 值的获取，该函数的

24、唯一一个参数是过程变量的名称，可以在下拉列表中进行选取，或以“v_”打头加上所需的变量名称。在示例中，如果需要 F1 流量的数据，即键入“v_F1” 。第五步：用户控制算法的运算第五步：用户控制算法的运算编写用户自己的控制算法，按照当前的 PV 值，通过控制器的运算后，得到新的控制器输出值。第六步：将控制器输出信号送回第六步：将控制器输出信号送回 MPCE，改变阀门开度，改变阀门开度如下图所示：- 9 -通过调用 DataGate 的 SetMVData()函数，将控制器的输出 MV 值传送回 MPCE。该函数第一个参数为控制器的输出值，第二个参数是指定该输出值控制哪一个调节阀，可以在下拉列表

25、中选取，也可以“mv_”加上阀门名称表示。在示例中，如果要采用 V1 阀进行控制，则键入“mv_V1” 。注意：调节阀必须在上位机软件中，将该阀门配置为“程序调节阀” 。详见“上位机配置及准备工作” 。第七步：删除第七步：删除 Datagate 对象对象当 VB 程序结束时，将 Datagate 对象删除，以释放所占用的内存空间。第三章第三章 被控对象介绍被控对象介绍3.13.1 离心泵与三级液位过程离心泵与三级液位过程一、流程说明一、流程说明 见图 3-1，第一级液位系统为卧式储罐，其上游设双效阀 V1，入口流量 F1，储罐液位 L1，储罐下部出口快开阀 S1（开关） ，离心泵，离心泵入口压

26、力 P2，离心泵出口压力 P3，离心泵出口流量 F2，离心泵高点排气阀 S3（开关） ，排气完成指示灯 D1，离心泵出口双效阀 V2。第一级液位系统和离心泵另设独立的实验项目，系统结构及所有内容与三级液位的第一级完全相同。图3-1 离心泵与三级液位流程图- 10 -离心泵一般由电动机带动。启动前须在离心泵的壳体内充满被输送的液体。当电机通过联轴结带动叶轮高速旋转时，液体受到叶片的推力同时旋转，由于离心力的作用，液体从叶轮中心被甩向叶轮外沿，以高速流入泵壳，当液体到达蜗形通道后，由于截面积逐渐扩大，大部分动能变成静压能，于是液体以较高的压力送至所需的地方。当叶轮中心的流体被甩出后，泵壳吸入口形成

27、了一定的真空，在压差的作用下，液体经吸入管吸入泵壳内，填补了被排出液体的位置。 离心泵若在启动前未充满液体，则离心泵壳内极易存在空气，由于空气密度很小，所产生的离心力就很小。此时在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入离心泵内，因而不能输送液体，这种现象为“气缚” 。所以离心泵在开动前必须首先将被输送的液体充满泵体，并进行高点排气。第二级液位系统，高位非线性计量罐，该罐的上部是直圆桶型，下部为圆锥型，液位 L3，罐出口流量F5，出口双效阀 V5；第三级液位系统，釜式反应器，反应器液位 L4，出口流量 F9，出口双效阀 V9。在三级液位实验中，三个储水罐都通大气，即都为敞口设备。设备尺寸和阀门选型如

28、下：1 卧式储罐，直径1000 mm，长度1000 mm，体积0.785 m3 2 卧式储罐上游自来水管公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管）3 调节阀V1，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径65 mm，高精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 58.3（Cv= 68）4 卧式储罐出口到离心泵入口水管长度 2 m，公称直径 Dg80 mm （893.5无缝钢管）5 离心式水泵，型号2B31，流量30m3/h，扬程24 m，功率3.07 kw，电机 4.0 kw，允许吸入高度 5.7 m，叶轮直径162 mm（离心式水泵特性可直接在本实验系统测得）6 离心泵出

29、口至高位非线性计量罐水管长度 8 m，公称直径 Dg50 mm （572.5无缝钢管）7 调节阀V2，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg50 mm，阀座直径50 mm，高精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 37.7（Cv= 44）8 高位非线性计量罐（第二级液位） ，直径600 mm，圆筒型部分高度1000 mm，圆锥型部分高度520 mm，体积0.33 m39 釜式反应器（第三级液位） ，直径1000 mm，高度1600 mm，体积1.26 m3 10高位非线性计量罐至釜式反应器顶部高差1000 mm，连接水管长度 2 m，公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管）11调节阀V

30、5，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径100 mm，高精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175）12釜式反应器底部排水管向大气排水，高差500 mm，水管长度 2 m，公称直径 Dg100 mm （1084无缝钢管）13调节阀V9，选吴忠仪表厂HTS单座调节阀，公称通径Dg100 mm，阀座直径100 mm，高精度流量特性阀芯，流通能力 Kv= 150（Cv= 175）二、变量说明二、变量说明1 1检测变量检测变量F1 罐上游入口流量 kg/sL1 储罐液位（第一级） %P2 离心泵入口压力 MPa P3 离心泵出口压力 MPaF2 离心泵出口流

31、量 kg/sN 离心泵电机功率 kWD1 排气完成指示灯L3 高位非线性计量罐液位（第二级）m (01.52m)F5 高位非线性计量罐出口流量 kg/sL4 釜式反应器液位（第三级） m (01.60m)F9 釜式反应器出口流量 kg/s2操作变量操作变量V1 卧式储罐上游入口阀V2 离心泵出口阀- 11 -V5 高位非线性计量罐出口阀V9 釜式反应器出口阀S1 储罐下部出口快开阀（开关）S2 离心泵电机开关（开关）S3 离心泵高点排气阀（开关）三、系统特性三、系统特性1 第一级液位系统，圆形卧式储罐液位变化为非线性特性，当液位处于50%时，储罐水平截面积最大，时间常数也最大。当液位从50%向

32、高或低端变化时，储罐水平截面积越来越小，时间常数也变小。由于储罐出口设有离心泵，强制排水，第一级液位系统是非自衡系统。2 第二级液位系统，高位非线性计量罐的上部是直圆筒型，其液位变化为线性特性，下部为圆锥型，其液位变化为非线性特性，从锥低至锥顶时间常数越来越大，上下两段可用不同的控制方法。在本系统中，液位的高度是出口流量的推动力，在一定的条件下第二级液位系统是自衡系统，即当入口流量出现阶跃变化，会导致液位变化，而液位的变化正好使出口流量与入口流量相等（虽然出口阀位维持不变） ，液位将稳定于新的高度上。反之改变出口流量也有相同的现象。3 第三级液位系统，釜式反应器为立式直圆筒型，除了底部外，液位

33、变化为线性特性。在一定的条件下第三级液位系统也是自衡系统。由于釜式反应器容积是高位非线性计量罐的3.8倍，其液位变化时间常数较大，惯性较大。4 本三级液位系统，上游的干扰能够向下游传播，具有多容动态特性。然而，下游的干扰无法向上游传播，因此，本系统是单向关联的。下游对上游而言是隔离的。四、系统开车及正常运行四、系统开车及正常运行1 完成第一级液位 L1 控制系统 LIC-01 组态，控制阀选 V2。第二级液位 L3 和第三级液位 L4 不设自控，由手动调整。2 检查各开关、手动阀门是否处于关闭状态。为了防止液位 L3、L4 超限，可将 V5、V9 全开。3 将液位 L1 控制器 LIC-01

34、置手动，置控制器输出为零。3进行离心泵充水和排气操作。开阀门 V1，使液位 L1 上升到 30%，开离心泵入口快开阀 S1，开离心泵高点排气阀 S3，直至排气完成指示灯 D1 亮，指示气完成。关阀门 S3。5为了防止离心泵开动后贮水槽液位上升过高，手动操作 LIC-01 的输出使液位上升到 50%左右时投自动。或先将 LIC-01 投自动，待离心泵启动后再将 LIC-01 给定值提升至 50%左右。注意此时第一储罐只有流入的流量，没有流出的流量，L1 是不可控的。6在泵出口阀 V2 关闭的前提下，开离心泵电机开关 S2，低负荷起动离心泵电动机。7开离心泵出口阀 V2。手动调整 V2，使流量逐渐

35、上升至 6 kg/s 左右且稳定不变。8全关阀门 V5，使液位 L3 上升到 1.0 m 左右。调整 V5 使 L3 大致稳定在 1.0 m 左右。9全关阀门 V9，使液位 L4 上升到 1.0 m 左右。调整 V9 使 L4 大致稳定在 1.0 m 左右。10如果此时改变 V2 的开度，应调整 V5 和 V9，才能维持 L3 和 L4 不变。3.23.2 气体压缩过程气体压缩过程一、概述一、概述工业级气体压缩过程设备庞大、管线长、阀门尺寸大，压缩气体如果没有用户使用将造成大量的能量损耗，因此是实验系统难于实现的一种过程。然而，气体压缩过程又是现代化学工业、石油工业、石油化工、天然气等工业过程

36、中十分常用的装置。传统过程与控制实验系统常用三级液位系统进行多容系统控制实验，这种系统属于隔离多容系统，没有关联多容系统特性。本实验系统的一大特点是可以进行关联多容系统特性及控制实验。此外还可以进行本质自衡特性实验、透平式气体压缩机特性试验、气体大口径管道输送测量、计算及控制试验、设备惰性气体置换充压过程及多点气体压力与流量控制试验，并且模拟了工业级气体压缩过程设备庞大、管线长、阀门尺寸大等特性。二、工艺过程简介二、工艺过程简介- 12 -气体压缩过程实验流程如图 3-2 所示，主要设备和变量有：透平式气体压缩机，压缩机出口压力 P4，出口流量 F3，出口双效阀 V3，气体缓冲罐，罐内压力 P

37、5，罐出口流量 F4，罐出口双效阀 V4，被充压的装置用釜式反应器代替，装置压力 P7，装置的出口流量为 F6，出口双效阀 V6。有关设备部件的数据如下：（1）透平式气体压缩机选用沈阳鼓风机厂的系列产品，型号为 F130-3.5/0.95 型离心式压缩机。压缩介质：氮气（分子量 28.2，标准状态密度 1.251 kg/m3，粘度 17.010-3 cp）进口流量：130 m3/min进口压力：0.95 kg/cm2 进口温度：20出口压力：3.5 kg/cm2 （表压）轴功率：577 kw主轴转数：13643 r.p.m.电机型号：JK800电机功率：800 kw供电电压：6000V电机转数

38、：2975 r.p.m.本压缩机的特性，即出口压力和进口流量的关系，可在实验系统上直接测试。（2）压缩机出口缓冲罐罐高 3m，直径 1.5m，容积 4.36 m3（3）被充压装置（模拟三十万吨/年乙烯装置的脱丁烷塔） 塔高 21.75 m，直径 1.6 m，容积约 37.9 m3（4）压缩机至缓冲罐管路 管内径 207 mm，管长 10 m（5）压缩机出口阀门 V3 公称直径 Dg 150 mm，选用 HTS 型（吴忠仪表厂）直通单座高容量阀芯调节阀，流通能力 Kv=360，阻力系数约 0.7，阀压降平均约 20 KPa （6）缓冲罐至被充压装置管路管内径 207 mm，管长 200 m，管道

39、容积 6.28 m3（7）缓冲罐出口阀门 V4 公称直径 Dg 150 mm，选用 HTS 型（吴忠仪表厂）直通单座高容量阀芯调节阀，流通能力 Kv=308，阻力系数约 0.5，阀压降平均约 30 KPa （8）被充压装置放空管路 管内径 207 mm，管长 10 m（9）被充压装置出口阀门 V6公称直径 Dg 200 mm，选用 HTS 型（吴忠仪表厂）直通单座高容量阀芯调节阀，流通能力 Kv=236，阻力系数约 0.7，阀压降平均约 100 KPa - 13 -图 3-2 气体压缩过程流程图三、气体压缩过程特性三、气体压缩过程特性 深入了解气体压缩过程特性是设计和实施有效且高质量控制的前提

40、。本气体压缩过程的主要特性如下。1、本质自衡特性、本质自衡特性从图 3-2 气体压缩过程流程图可以看出，所有容器、管路和阀门都是串联相接的，当系统处于动态平衡状态时，三段管路中的质量流量处处相等且稳定在某一个流量值上不变。系统可调整的三个阀门所调整的任一种开度组合，都能使系统最终稳定于一个流量值上。两个容器的压力也有同样的规律，三个阀门所调整的任一种开度组合，都能使两个容器的压力最终稳定于一个压力（分布）值上。由于压缩机的输出压力取决于其固有的特性，不可能无限升高，无论如何开关三个阀门，也不会导致系统超压。可见本气体压缩过程在各种操作条件下都能使压力和流量稳定在某一个数值上，这种系统称为本质自

41、衡系统。这类系统比较容易控制，即使采用最简单的控制方法也能奏效。2、关联多容特性、关联多容特性本系统包括两个压力容器（管长 200 米的大口径管道也相当于一个容器） ，显然是一个多容系统。由于所有容器、管路和阀门都是串联相接的，压缩机输出的氮气依次通过每一个容器、管路和阀门，系统可调整的三个阀门中任一个阀门开度改变都会影响全系统的压力分布和流量，因此是一个典型的关联多容系统。3、离心式压缩机特性、离心式压缩机特性离心式压缩机特性与离心泵特性相似，其流量与压缩出口压力及轴功率有近似于抛物线特性关系。一般来说压缩机吸入气体流量较大时压缩机出口压力较低、轴功率较大，气体流量较小时压缩机出口压力较高、

42、轴功率较小。离心式压缩机特性与离心泵特性不同之处是，气体是可压缩的，随压力变化其体积流量会发生变化，因此常用质量流量或统一到标准状态（0，760 mmHg）的体积流量（Nm3/h）作为比较基准。由于机械加工和装配的差异，虽然离心式压缩机特性趋势相同，但对于每一台离心式压缩机的特性都一定程度的差别，因此，每一台离心式压缩机出厂时都附有经过测试的特性曲线。本压缩机的特性见表 1-1。四、系统开车及正常运行四、系统开车及正常运行1关闭压缩机出口阀 V3，低负荷启动氮气压缩机，打开开关 S4。2手动逐渐打开 V3 开度到 100%。缓冲罐开始充压。3手动打开缓冲罐出口阀 V4，开度约 80%。现场设备（反应器）开始充压。4手动打开现场设备出口阀 V6，开度约 30%。观察当系统达到稳定时，压缩机出口压力 P4、缓冲罐压力P5、现场设备压力 P7 呈逐级下降趋势。流量 F3、F4、F6 三者相等。表表 3-13-1 离心式压缩机特性离心式压缩机特性压缩空气流量Q（Nm3/h）压缩比 rp04.1047804.2750504.3353104.3755804.4058404.4161104.4063704.37664