《生产过程自动化》-12

12.1概述1.生产过程控制方案概述单元操作控制方案内容如下。①物料平衡控制:保证单元操作能平稳进行。②能量平衡控制:保证单元操作能平稳进行。③质量平衡控制:满足单元操作规定的质量要求。④约束条件控制:确保单元操作的生产安全。2.流体输送设备的控制概述返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案1.离心泵与管路系统的静态特性离心泵的出口压头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。因离心泵的叶轮与机壳之间存有空隙，所以当泵的出日阀完全关闭时，液体将在泵体内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所做的功被转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出日阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭的运转状态。随着泵出日阀的逐步开启，排出量一也随之增大，而出日压力将慢慢下降;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12-1来表示。图中虚线aa’是最高效率的工作点轨迹，泵的转速n4＞n3＞n2＞n1。若离心泵输送的是液体，当出口阀关闭时，液体在泵体内循环，这时压头最大，而排出流量为零。泵运转后，出口阀完全打开时，排出流量最大，压头为零。离心泵的特性可用下列经验公式来表示:下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案式中，k1k2分别为比例系数。实际生产装置上泵是与管道连接在一起的，它的工作特性(流量特性)势必受其安装位置的管路特性影响。泵是安装在工艺系统的管路上运行，因此要分析泵的实际排量与出口压头，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。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，管路系统的阻力包含hp、hL、hV、hf项内容，如图12-2所示。①克服管路两端的静压差引起的压头hp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。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案②管路两端的静液柱高度hL.,即液体提升高度。在实际工艺系统中管路和设备安装就绪后，这项是恒值。③克服管路中摩擦损失压头hf。④控制阀两端节流损失压头hV。管路压头(管路总阻力)为HL，则式(12-3)即为管路特性的表达式，图12-2中画出了它的特性曲线。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案2.离心泵的控制离心泵的控制方案有以下3种。(1)直接节流法直接节流法是通过改变调节阀的开度即改变hV的大小，相当于改变管路特性，使平衡工作点C的位置发生变化，系统工作点随hV的变小从C1而移动到C2,C3，实现控制目的，图12-3所示。采用直接节流法的控制方案实施如图12-4所示，图中控制阀安装在检测元件的下游，由于直接节流时，控制阀两端压差随流量而变化，所以流量大时控制阀两端压降降低。气缚是指由于hV的存在，使泵的入口压力下降，使液体部分汽化，气体膨胀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。汽蚀是指由于hV的存在，引起部分汽化的气体在到达排出端时，因出口压力高于液体蒸气压，故此受到压缩而重新凝聚成液体，使气泡破裂或爆炸，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，因此气蚀将会造成泵的损坏。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案基于以上的原因，直接节流阀必须安装在离心泵的出口管线上。另外，在泵的出口管线上如果同时装有流量检测元件(如孔板等)，则调节阀宜装在检测元件的下游，这样可提高流量的测量精度。直接节流法控制方案的优点是简便易行。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。所以这种方案虽在离心泵的控制中较为常用，但当流量低于正常排量的30%时，不宜采用该方案。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案(2)改变泵的转速n

改变泵转速即改变泵的特性曲线，使工作点移动，实现控制流量的目的。图12-5表示不同转速下离心泵排出流量特性改变，系统工作点也改变。改变泵的转速常用的方法有以下几种。①当电动机作为原动机时可采用电动调速装置，如变速器改变离心泵转速n。图12-6中，实线表示通过变速器改变离心泵转速n，虚线表示直接改变电动机的转速来调速。②当汽轮机作原动机时，可调节蒸汽流量或导向叶片角度，图12-7是采用改变进人蒸汽透平的蒸汽量来实现对离心泵转速n的调整。③采用变频调速器或利用原动机与泵之间的联轴调速机构改变转速比来控制转速。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案变频调速器的应用如下。控制阀造成的能量损失随着工业规模的不断扩大而增大的，因此人们提出用变频调速代替控制阀的设计思想。变频调速器是用正弦PWM脉宽调制电路将控制器输出的4~20mA信号转换为对应频率的输出信号，用于交流电动机的无级调速，从而通过转速变化来改变流量。与控制阀比较，变频调速器具有不与工艺介质接触、节能、无腐蚀、无冲蚀等优点，由于电动机消耗的功率与转速的立方呈比例，即流量越小，电机转速越低，消耗功率大幅下降，也就越节能。功率与转速的立方呈比例，即流量越小，电机转速越低，消耗功率大幅下降，一也就越节能。但其系统较复杂，价格较高，性能还不够稳定。日前在大、中型电机驱动的泵、压缩机等流体输送设备中得到)’一泛应用。由于节能，变频调速器的应用正被工业界重视。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案应用方式主要有两种:一种方式是直接使用变频调速器控制原动机的转速;另一种方式是变频调速器和控制阀并存，当变频调速器正常时，采用变频调速器控制电动机的转速，一旦变频调速器发生故障或控制效果不佳，就切换到控制阀控制，例如直接节流控制出日流量等。此外，也有将控制阀作为流量微调的控制手段，或保持管路系统阻力恒定，而与变频、调速器并存的。与控制阀调节流量的不同点在于:变频调速器调节流量时，转速增大，流量增加，压头也增大;而控制阀调节流量时，控制阀开度增大，流量增大，但压头减小。改变泵的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。主要是在管路上不需安装控制阀，因此管路系统中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。但这种控制方案实施起来，无论是电动机还是汽轮机，调速设备费用较高。所以在大功率的离心泵以及重要的泵装置上这种方案得到了应用。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案(3)改变旁路回流量

图12-8~图12-10所示为改变旁路回流量的控制方案。它是在泵出u与人u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，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。采用图12-8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。图12-9的被控变量是压力，调节变量是旁路回流量。图12-10是离心泵出口有分支管路时采用的控制方案。上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案3.容积式泵的控制容积式泵有两类: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。这类泵共同的结构特点是泵的运动部件与机壳之间空隙很小，液体不能在缝隙中流动，泵的排量大小与管路系统无关。它们的特性曲线大致如图12-11所示。往复泵排出量取决于单位时间内的往复次数n、冲程S的大小、汽缸截面积F等，而旋转泵排出量仅取决于转速n。往复泵排出量表达式为上一页下一页返回12.2泵和管路系统的静态特性与泵的控制方案

图中转速:n3＞n2＞n1。基于这类泵的排量与管路阻力基本无关，故绝不能采用出口处直接节流的方法来控制排量，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式如下。①改变原动机的转速:此法同离心泵的调速法。图12-12是往复泵改变转速的控制方案。②改变往复泵的冲程。③调节回流量:这种控制方案构成与离心泵的相同，是最常用的容积式泵控制方式，图12-13是往复泵改变回流量的控制方案。④旁路控制压力:在生产过程中，有时采用如图12-14所示的利用旁路阀控制压力，用节流阀来控制流量。上一页下一页返回12.3压缩机的控制

1.往复式压缩机的控制用。图12-15为氮气往复式压缩机汽缸余隙及旁路控制流程，该控制系统允许负荷波动60%~100%，是分程控制系统，即当控制器输出信号在20~60kPa时，余隙阀V1动作。当余隙阀全部打开，压力仍高时，则打开旁路阀，即控制器输出信号在60%~100%时，旁路阀V2动作，以保持压力恒定。2.离心式压机的控制(1)气量控制系统(即负荷控制系统)①出口节流。②改变压缩机转速。③改变入口阻力。(2)压缩机入口压力控制系统控制方法有:吸入管压力控制转速、旁路控制入口压力与出口流量的选择性控制。

下一页返回12.3压缩机的控制(3)压缩机的防喘振控制系统由于离心式压缩机在流量小于喘振流量时会发生喘振，造成设备事故，因此，对离心压缩机应设置防喘振控制系统。(4)压缩机各段吸人温度及分离器液位控制系统经压缩后气体温度会升高，为了保证下一段的压缩效率，进压缩机下一段前要把气体冷却到规定温度，为此须设置温度控制系统。为防止吸人压缩机的气体带液造成叶轮损坏，压缩机各段吸人日均设置冷凝液分离罐，为防止液位过高，造成气体带液，须设置分离罐液位控制系统或高液位报警系统。(5)压缩机密封油、润滑油、调速油的控制系统大型压缩机组一般均设置密封油、润滑油和调速油3个油系统，为此须设置各个油系统的油箱液位、油冷却器后油温、油压等检测和控制系统。上一页下一页返回12.3压缩机的控制(6)压缩机振动和轴位移的检测、报警和联锁系统压缩机是高速运转设备，转速可达几万转/分，转子的振动或轴位移超量时，会造成严重设备事故。因此，大型压缩机组设置轴位移和振动的测量探头及报警联锁系统，用于转子振动和轴位移的检测、报警和联锁。3.离心式压缩机的防喘振控制(1)离心式压缩机的特性曲线与喘振图12-16所示为离心压缩机的特性曲线。图12-17所示为在某一转速下离心式压缩机的特性曲线。压缩机如此周期性运转是不安全的，压缩机将发出气鸣声直至损坏，这种现象称为喘振。上一页下一页返回12.3压缩机的控制

喘振原因分析之一。对图12-17中极值点T右侧的稳定工作点M1来讲，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，随之压缩机的排量增大。因为整个管网系统是定容积的，所以排出量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M，点上。而对M点来讲，它是T点左侧的工作点。由于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。喘振原因分析之二。从压缩机内部的能量平衡观点来分析工作点的稳定性。把压缩比P2/P1作为衡量位能的指标，而排量可作为表征动能的指标。根据能量守恒，系统的位能和动能可互相转化，若忽略能量损失，总量应保持为一恒值。对于稳定的工作点M1来讲，一旦在外扰作用下发生漂移，随着P2/P1的下降，排出量就增大;或随着P2/P1的上升，排出量减少，即位能和动能在互相转化时总量不变，能达到平衡，因而M1是一个稳定的工作点。对于工作点M来讲，同样在外扰作用下发生漂移，随着P2/P1的下降，排出量也下降;或者P2/P1上升，排出量也上升，也就是位能和动能在互相转化时，总量不是减少，就是增大，不能保持总量的平衡，因而这个工作点是不稳定的。上一页下一页返回12.3压缩机的控制引起压缩机喘振的其他原因有以下几种。①压缩机吸入气体的状态变化，使其特性曲线发生变化，从而工作点有可能靠近或进入喘振区。②管网阻力的弯化仲管路特性发生变化，工作点也有可能讲入喘振区，如图12-19所示，因管路中出现物料或杂质的堵塞、结焦等原因，有可能使管网阻力增大，管路特性发生变化，使相交的工作点接近或进人喘振区。③喘振线方程。根据上面分析可见喘振是离心压缩机的固有特性。喘振方程可近似用抛物线方程描述为上一页下一页返回12.3压缩机的控制流量和吸入口气体的绝对温度;a,b是压缩机系数，由压缩机制造厂商提供。当一台离心压缩机用于压缩不同介质气体时，压缩机系数a不同。式(12-4)说明工况是安全的，工况就危险了。以P2/P1为纵轴，为横轴，喘振线方程近似为直线方程，如图12-20所示。图中三条直线分别表示:当a=0时，若Q1=0，曲线通过P2/P1=0点；当a＞0时，若Q1=0，P2/P1＞0；当a＜0时，若Q1=0，P2/P1＜0。④振动、喘振和阻塞。离心压缩机的工作区、喘振区与阻塞区如图12-21所示，图中给出了压缩机最小和最大操作转速。上一页下一页返回12.3压缩机的控制(2)离心压缩机防喘振控制系统的设计首先考虑的是防止离心压缩机发生喘振问题。1)固定极限流量防喘振控制图12-22所示为固定极限流量防喘振控制系统的控制流程图。固定极限流量防喘振控制与流体输送控制中旁路控制方案的区别见表12-1。路阀打开，部分气体回流，造成能量的浪费。固定极限流量防喘振控制方案的关键问题是正确选定QP值，对于压缩机处于变转速的情况，为保证在各种转速下均不产生喘振，则须选最大转速时的喘振极限流量作为流量控制器FC的给定值，如图12-23中选定的QP值。固定极限流量防喘振控制方案适用于固定转速或负荷不经常变化的离心式压缩机的控制。上一页下一页返回12.3压缩机的控制2)可变极限流量防喘振控制如图12-24所示，图中虚线为喘振极限线，实线为安全操作线。可见，要完成压缩机的变极限流量防喘振控制，需要解决以下两个问题:①安全操作线的数学方程的建立。②用仪表等技术工具实现上述数学方程的运算。操作线方程一般由制造厂家给出，常用的方程有式(12-4)和下面的方程式:式中，P1、P2分别为吸入口、排出口的绝对压力;Q1是吸入口气体的体积流量;a1、a2、a3均为常数，一般由制造厂提供;H多变是反映压缩比的一个指标，称为压缩机的多变压头，φ是系数。通常气量的测量用差压法，因此还需对式(12-4)作进一步的推导。把式中流量Q1、上一页下一页返回12.3压缩机的控制以差压法测得的△P1来代替，可得上一页下一页返回12.3压缩机的控制

根据式(12-10)，可以演化出多种表达形式，从而组成不同形式的可变极限流量防止喘振控制系统。例如将式(12-10)改写为按照式(12-11)可以组成图12-25所示的防喘振控制系统。实施该控制方案时的注意事项如下。①可以有多种实施方案，将式(12-10)作等效变换后，可将作为测量值，将作为设定值;或将作为测量值，将作为设定值等;应根据工艺过程的特点确定实施方案。通常应将计算环节设置在控制回路外，以避免引入非线性特性。上一页下一页返回12.3压缩机的控制②根据压缩机的特性，有时可简化计算，例如，有些压缩机的a=0或a=1等，模型可简化为下面两式。③可变极限流量防喘振控制系统是随动控制系统，为使离心压缩机发生喘振时能及时打开旁路阀，控制阀流量特性宜采用线性特性或快开特性，控制器比例度宜较小，当采用积分控制作用时，由于控制器偏差长期存在，应考虑防积分饱和问题。④采用常规仪表实施离心压缩机防喘振控制系统时，应考虑所用仪表的量程，进行相应的转换和设置仪表系数;采用计算机或DCS实施时，可以直接根据计算式计算设定值，并能自动转换为标准信号。上一页下一页返回12.3压缩机的控制⑤为了使防喘振控制系统及时动作，在采用气动仪表时，应缩短连接到控制阀的信号传输管线，必要时可设置继动器或放大器，对信号进行放大。⑥防喘振控制阀两端有较高压差，不平衡力大，并在开启时会造成噪声、气蚀等，为此，防喘振控制阀应选用具有消除不平衡力影响、噪声小及具有快开、慢关特性的控制阀。(3)测量出日流量的可变极限流量防喘振控制为防止喘振的发生，可以将测量流量的节流装置安装在出口管线，组成可变极限流量防喘振的变型控制系统。该控制系统是基于同一压缩机出口的质量流量应等于入口的质量流量，采用与入口流量可变极限防喘振控制系统的喘振模型。推导如下。上一页下一页返回12.3压缩机的控制上一页下一页返回12.3压缩机的控制根据式(12-18)可组成图12-26所示的防喘振控制的变型控制系统及其方块图12–27。通常，压缩机的出口和入口温度之比是恒值K，此时，防喘振控制系统设定值的计算公式还可简化为根据式(12-20)组成的防喘振控制系统，如图12-28所示上一页下一页返回12.3压缩机的控制(4)离心压缩机串并联运行时的防喘振控制

1)离心压缩机串联运行时的防喘振控制当一台离心压缩机的出口压力不能满足生产要求时，需要两台或两台以上的离心压缩机串联运行。串联运行压缩机与多级压缩相似。图12-29所示为离心压缩机串联运行时采用的一种可变极限流量防喘振控制的控制方案。

2)离心压缩机并联运行时的防喘振控制压缩机并联运行的防喘振控制有两种方案。一种方案是每台压缩机设置各自的防喘振控制系统，这时，任一台压缩机都能够单独运行，并可前后启动运行，但仪表设备、工艺管线的投资较大，不常采用。另一种方案是采用低选器和选择开关，只用一个防喘振的旁路控制阀，如图12-30所示。上一页下一页返回12.3压缩机的控制4.实例分析

【例1】二氧化碳压缩机的防喘振控制。

图12-31为一台二氧化碳离心压缩机防喘振控制系统控制方案。压缩机分低压段和高压段两级，由蒸汽透平带动。由于供应的二氧化碳流量不稳定，工艺允许过量时可放空，不足时应减负荷。正常时，生产负荷由蒸汽透平的转速调节。图中，FY一1和FY-2是低选器，ST一1和SC一1是转速变送器和转速控制器。二氧化碳离心压缩机的控制系统由下列控制系统组成。①压力PC一1简单控制系统。②压力PC一1和SC(蒸汽汽轮机转速)串级控制系统与流量FC一1和SC串级系统组成选择性一串级复合控制系统。③高压段入口压力放空控制系统。④高压段出U压力PC-4与高压段人U流量FC一3组成的选择性控制系统。上一页下一页返回12.3压缩机的控制⑤低压段的防喘振控制系统。防喘振控制方程为⑥高压段的防喘振控制系统。防喘振控制方程为式中，p2是高压段出口压力，由PT-4压力变送器检测。上一页下一页返回12.3压缩机的控制【例2]催化气压缩机的防喘振控制。图12-32所示为催化气压缩机防喘振控制系统，催化气压缩机由蒸汽透平带动，通过进人蒸汽透平蒸汽量的调节，改变转速，调整生产负荷，整个控制系统由以下两部分组成。①人口压力P1的定值控制系统。为保证生产负荷稳定，设计了改变转速的压力定值控制:操作变量是进人蒸汽透平的蒸汽流量。②防喘振控制系统。依据放喘振方程：设计了△P1组成防喘振控制系统测量信号:△P1/P1，采用入口流量压差△P1组成防喘振控制，与上述防喘振控制系统的区别是采用了式的变形方程。将该式两边除以入口压力上一页下一页返回12.3压缩机的控制P1，得图中，PT-1,PT-2分别是压缩机入口压力p1和出口压力p2变送器;PdT一1,PdC-1是入口流量测量的差压变送器和防喘振控制器;PdY一1,PY一1是除法器，用于除以入口压力p1;PY一2是乘法器;PY一3是加法器;PC一1是入口压力控制器。该控制方案可直接获得压缩比数值P2/P1，由于采用压缩机入口压力的定值控制系统，因此，测量回路中虽然有非线性特性的除法器，但因除数信号为定值，故不影响防喘振控制回路的特性，防喘振控制器的测量值是该除法器的输出△P1/P1该控制系统是a≠0的防喘振控制系统。上一页下一页返回12.3压缩机的控制【例3]空气压缩机的计算机防喘振控制。

图12-33所示为空气压缩机的防喘振控制系统。用回归方法建立的防喘振方程为式中，C1、C2、C3是压缩机喘振系数;C4是量程转换系数;P1和P2分别是从入口压力变送器PT一1051、导向叶片角度变送器GT一1052来的标准信号。由于入口流量信号未采用差压信号，而采用流量信号，因此，设定值计算公式有开方运算。为增强系统对防喘振控制的功能，DCS还设置了接近喘振的联锁系统HIC一1085。当空压机因某些原因造成空压机运行接近喘振区时能够通过联锁系统自动打开放空阀。图中方形框内加圆形中间带横线的符号表示安装在主操纵台，正常情