《流体输送控制》PPT课件.ppt

1、4 流体输送设备的控制,2020/9/10,2,过程控制 青海大学,4.1 概述,在石油、化工生产过程中，因工艺的需要，常需要将流体由低处送至高处，由低压设备送到高压设备，为了达到这些目的，必须对流体做功，以提高流体的能量，完成输送任务。 流体输送控制系统的控制目标是保持被控流量保持恒定（定值控制）或跟随另一个流体流量变化（比值控制） 保证流体输送设备的安全运行,2020/9/10,3,过程控制 青海大学,流体输送设备,用于输送流体和提高流体压头的机械设备通称为流体输送设备。输送液体和提高其压力的机械称为泵，输送气体并提高其压力的机械称为风机和压缩机。,4.1 概述,2020/9/10,4,过

2、程控制 青海大学,2020/9/10,5,过程控制 青海大学,流量控制系统的特点,控制通道的对象时间常数小 只需采用PI调节器，无须引入微分作用； 测量信号通常带有高频噪声 应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；,4.1 概述,静态非线性 应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。,2020/9/10,6,过程控制 青海大学,4.2 泵和压缩机的基本控制,4.2.1、离心泵的基本控制,离心泵的工作原理,工作前，泵体和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水很快旋转，旋转着离心泵的工作原理是：离心泵所以能把水送出去是由

3、于离心力的作用。水泵在的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心部分形成真空区域。水源的水在大气压力或水压的作用下通过管网压到了进水管内。这样循环不已，就可以实现连续抽水。,2020/9/10,9,过程控制 青海大学,离心泵的工作点,离心泵特性与管路特性的交点。交点与泵转速、管路阻力及分布、控制阀开度等有关,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,10,过程控制 青海大学,1、直接节流法,控制原理：通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。即改变hv从而改变工作点，关小控制阀，hv增加，流量下降，压头上升,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,11,

4、过程控制 青海大学,控制阀不应装在泵的吸入口可防止气缚和气蚀 节流装置安装在阀上游，有利于提高测量精度 控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,12,过程控制 青海大学,优点：采用阀门调节流量快速简便，且流量可连续变化，适合化工连续生产的要求，因此应用广泛。 缺点：是当关小阀门时，管路阻力增加，消耗部分额外的能量，实际上是人为增加管路阻力来适应泵的特性。且在调节幅度较大时，往往使离心泵不在高效区下工作，机械效率差不是很经济。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,13,过程控制 青海大学,调节泵的转速,调节原理：改变

5、泵的转速，使离心泵流量特性形状变化，以控制管道流量。 特点：节能，调节平稳，但投资较大。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,14,过程控制 青海大学,采用的调速方法,当电动机为原动机时，采用电动调速装置 当汽轮机为原动机时，采用调节导向叶片角度或蒸汽流量。 采用变频调速器，或利用原动机与泵联结轴的变速器。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,15,过程控制 青海大学,特 点,采用这种控制方案时，在液体输送管线上不需要安装控制阀，因此，不存在hv项的阻力损耗，机械效率较高。 该控制方案在重要的大功率离心泵装置中，有逐渐扩大采用的趋势。但具体实现这种方案较复杂，所需设

6、备费用亦较高。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,16,过程控制 青海大学,旁路控制,原理：改变管路特性，以改变交点，进而改变管道中的流量,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,17,过程控制 青海大学,特 点,结构简单，控制阀口径相对较小，但由泵供给的能量消耗于控制阀旁路的那部分液体，因此，总机械效率较低。 当流体黏度高或液体流量测量较困难，而管路阻力较恒定时，该控制方案可采用压力作为被控变量，稳定出口压力，间接控制流量。,4.2.1、离心泵的基本控制,2020/9/10,18,过程控制 青海大学,4.2.2、容积式泵的控制方案,容积式泵有两类，一类是往复泵，包括

7、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。,2020/9/10,19,过程控制 青海大学,容积式泵流量特性,4.2.2、容积式泵的控制方案,特性：泵的排出量是脉冲式的，与管路系统无关 往复泵特性：与转速、冲程大小及活塞截面积等有关 旋转泵特性：与转速及空腔大小等有关,2020/9/10,20,过程控制 青海大学,容积式泵常用的控制方式,4.2.2、容积式泵的控制方案,不能单独用泵出口的节流控制 调节原动机转速或往复泵冲程：多数情况下，这种方法调节冲程

8、机构较复杂，且有一定的难度，只有在一些计量泵等特殊往复泵才考虑采用。 旁路控制：与离心泵旁路控制相同 旁路控制压力：出口节流控制流量，系统有关联采用双阀（一气开一气关）或三通控制阀，既旁路又节流,2020/9/10,21,过程控制 青海大学,4.2.2、容积式泵的控制方案,2020/9/10,22,过程控制 青海大学,容积式泵的流量控制,特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案。,4.2.2、容积式泵的控制方案,2020/9/10,23,过程控制 青海大学,往复泵的流量控制,特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案。,4.2.2、容积式泵

9、的控制方案,式中n每分钟的往复次数； F气缸的截面积，m2； s活塞冲程，m。,2020/9/10,24,过程控制 青海大学,压缩机的分类: 往复式压缩机：流量小，压缩比高场合 离心式压缩机：流量大，体积小，效率高，维护方便,4.2.3、压缩机的控制,2020/9/10,25,过程控制 青海大学,4.2.3、压缩机的控制,气量控制系统：即负荷控制系统 出口节流：比进口节流法节能，但结构较复杂 改变转速：节能，价贵，常用于大型压缩机 入口压力控制系统：例如，吸入管压力控制转速来稳定入口压力，入口压力与出口流量的选择控制，旁路控制调节缓冲罐压力等 油系统：密封油、润滑油、调速油等的压力、温度、油箱

10、液位等的控制 联锁系统：轴位移和振动，轴向力等检测、报警和其他联锁系统 压缩机各段吸入温度、分离器液位控制系统：,2020/9/10,26,过程控制 青海大学,4.3、离心式压缩机防喘振控制,离心压缩机的工作特性：工作特性指一定转速下，出口压力与流量的关系 离心压缩机的喘振现象 离心压缩机运行中，负荷减小到某一值时，气体排出流量减少并倒流，造成压缩机剧烈振动的现象，又称飞动 喘振的原因： 内因：叶轮结构和介质特性造成一定的工作特性 外因：流量减小或被压缩气体介质的特性变化,2020/9/10,27,过程控制 青海大学,喘振的影响 流量不稳定，出现周期性的脉动流量 使压缩机设备损坏。如1986年

11、美国压缩机喘振损失100万美元 使相应管网设备损坏,4.3、离心式压缩机防喘振控制,A处，如Q，则P，到B点，Q，则气体倒流到C点，Q=0，气体累积，CDA，QQ，气体在叶轮中反复冲击，造成吼叫喘振声。C到D变化快，故称飞动,2020/9/10,28,过程控制 青海大学,喘振：在入口流量小于喘振流量Qp时离心压缩机出现的流量脉动现象。 振动：高速旋转设备固有特性。旋转设备高速运转达到某一转速时，使转轴强烈振动的现象。它是因旋转设备具有自由振动频率（称为自由振动频率），转速达到该自由振动频率的倍数时，出现的谐振。转速继续升高或降低时，这种振动会消失。 阻塞：压缩机流量过大时，气体流速接近或达到音

12、速（315m/s），压缩机叶轮对气体所做功全部用于克服流动损失，气体压力不再升高的现象。,4.3、离心式压缩机防喘振控制,振动、喘振和阻塞,2020/9/10,29,过程控制 青海大学,4.3.1、离心式压缩机的特性曲线,P2 /P1 为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）之比，或称压缩比； n 为压缩机的转速； Q 为压缩机出口流量。 其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。,2020/9/10,30,过程控制 青海大学,流体输送设备的喘振现象示例,泵刚启动时，液位为1-1，对应管路特性为I，工作点为QM，QAQM. 液位为2-2，对应管路特性为，工作

13、点为QN，QAQN. 液位为3-3，对应管路特性为，工作点为QO，,4.3.1、离心式压缩机的特性曲线,工作点的变化过程：QM QN QO QP QN QO .,2020/9/10,31,过程控制 青海大学,产生喘振的条件,流体输送设备的特性曲线为驼峰型 即管路特性与输送设备的特性曲线存在两个交点； 管线中存在能贮存和释放能量的容器。,4.3.1、离心式压缩机的特性曲线,2020/9/10,32,过程控制 青海大学,4.3.2、防喘振操作线方程,P2：出口压力 P1进口压力 Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1 ，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。,实际喘振线

14、是过原点的一根抛物线,表示工作在稳定区 表示工作在非稳定（喘振）区,2020/9/10,33,过程控制 青海大学,4.3.2、防喘振操作线方程,Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1 ，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。,2020/9/10,34,过程控制 青海大学,固定极限流量防喘振控制：吸入流量QQp,不开旁路阀 策略：最大转速和最高温度下的喘振流量作为固定极限流量Qp,固定极限防喘振控制系统,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,35,过程控制 青海大学,固定极限防喘振控制系统,当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当

15、压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值.,问题： 调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,36,过程控制 青海大学,与一般旁路控制的区别：,固定极限防喘振控制系统,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,37,过程控制 青海大学,固定极限防喘振控制系统,固定极限流量的防喘振控制方案结构简单，运行安全可靠，系统投资费用较少可靠 这种方法主要适用于固定转速的场合。 当压缩机的转速变化时，如按高转速取给定值，势必低转速时给定值偏高，能耗过大；如按低转速取给定值，则在高转速时仍有因给定值偏低而使压

16、缩机产生喘振的危险。因此，当压缩机的转速不恒定时，一般不宜采用这种控制方案。,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,38,过程控制 青海大学,采用差压计测流量时的安全操作线,4.3.2、防喘振操作线方程,可变极限防喘振控制系统,2020/9/10,39,过程控制 青海大学,可变极限防喘振控制系统,问题： 若流量测量在出口处，如何推导得到防喘振安全操作线？,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,40,过程控制 青海大学,可变极限防喘振控制系统,特点： 采用孔板测量入口流量，可不必采用开方器 按计算指标计算设定值的单回路控制系统 控制回路中不含计算单元，参数整定简单 有些场合，

17、计算式可简化： a=0， a=1，,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,41,过程控制 青海大学,问题的提出：入口流量无法测量（如无正常位置、入口压力低不允许大的压损等） 采用出口流量的测量实现可变极限流量防喘振控制,测量出口流量的可变极限流量防喘振控制,4.3.2、防喘振控制方案,依据：出口处测得的重量流量和入口处测得的重量流量是相等的 设入口和出口孔板的校正系数K1和K2相等,2020/9/10,42,过程控制 青海大学,特点： 采用孔板测量出口流量，可允许较大的压力损失 可用于高压缩比的场合 需要考虑出口和入口温度（重度变化）的影响 有些场合，计算式可更简化,测量出口流量的可

18、变极限流量防喘振控制,4.3.2、防喘振控制方案,2020/9/10,43,过程控制 青海大学,串联运行时的防喘振控制 当一台压缩机的出口压力不够时，采用两台或两台以上的压缩机串联运行各个压缩机单独设置各自的旁路阀：如上各自设置设置一个旁路阀，从第二级出口到第一级入口间设置旁路阀。采用低选器选择两个控制器中的低值信号送旁路阀,4.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制,2020/9/10,44,过程控制 青海大学,4.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制,2020/9/10,45,过程控制 青海大学,并联运行时的防喘振控制当流量不够时，采用两台或两台以上的压缩机并联运行单独设置各自的旁路阀 选用低选器，共用一个旁路阀，可实现单台压缩机运行,4.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制,2020/9/10,46,过程控制 青海大学,4.3.3离心压缩机