流体输送设备.ppt

1、吉化化肥厂30万吨合成氨装置,炼油生产装置,上海石化常减压装置,160万吨年催化裂化装置,加氢裂化,荆门石化120万吨/年延迟焦化装置,广西220万吨/年连续重整装置.,乙烯生产装置,乙烯装置夜景,在上述大型石油、化工生产装置中大量使用各种流体输送设备、传热设备、精馏塔、化学反应器等设备。 为了保证生产装置安全、高效地运转，设计、维护好各种设备的自动化控制系统，具有十分重要的意义。 后续章节介绍上述设备的自动控制系统设计要点。,第四章 流体输送设备的控制,主要内容,4.0 概述 4.1 泵及压缩机的控制 4.2 离心式压缩机的防喘振控制,4.0概述,什么是流体输送设备： 在石油化工等生产过程中

2、，用于输送流体或提高流体压力的机械设备。 分类： 泵：输送液体，提高压力的机械设备； 风机和压缩机：输送气体，提高压力的机械设备。,4.0概述,流体输送设备的控制要求： 流量定值控制：在工艺生产过程中，通常要求平稳生产，因此希望流体的输送量保持定值，这时就需要采用流量定值控制系统来克服系统中扰动的影响。 比值控制：当要求各种物料保持合适的比例，保证物料平衡，就需要采用比值控制系统。 串级控制：有时要求物料的流量和其他变量保持一定的函数关系，就采用以流量控制作用为副环的串级控制系统。,4.0概述,流量对象的特点： 被控过程接近1:1比例环节,时间常数很小； 广义对象传递函数需要考虑检测环节和执行

3、器环节； 系统的可控性较差，系统工作频率较高。 对应控制器的参数设置： 控制的比例度需设置的较大 如引入积分，则积分时间与对象时间常数在相同的数量级。 通常流量信号含有高频噪音，所以流量控制系统通常不引入微分作用，因为微分作用对高频信号很敏感，有时甚至采用反微分器。,4.1泵和压缩机的基本控制,4.1.1 离心泵的控制 4.1.2 容积式泵的控制 4.1.3 风机的控制 4.1.4.压缩机的控制 4.1.5.变频调速器的应用,4.1.1离心泵的控制,叶轮与机壳之间有缝隙，如果将泵的出口阀关闭，液体就在泵内循环，其排出量为0，压头接近最高值。此时对泵所做的功都转化为热能，使泵内液体发热升温，所以

4、泵在运转时，不宜长期关闭出口阀。,离心泵的工作原理 离心泵由叶轮和机壳构成。叶轮在原动机带动下高速旋转，出口处流体的压头来自旋转叶轮作用于流体产生的离心力。转速越高，离心力越大，压头也越高。,4.1.1离心泵的控制,泵的特性及管路特性 1、泵的压头H和流量Q及转速n间的关系，称为泵的特性。 泵的特性可以用下列经验公式近似：,k1，k2为比例系数,2、管路系统中流体的流量与管路系统阻力的相互关系，称为管路特性。 管路系统的阻力包括： 升扬高度hL； 管路两端的静压差引起的压头hp； 管路中的摩擦损失hf； hf与流量的平方值近似成比例关系。 控制阀压降hv。 hv与流量的平方值近似成比例关系。,

5、4.1.1离心泵的控制,泵的特性及管路特性 管路特性曲线： （HL，管路总阻力） 离心泵的工作点 离心泵系统达到稳定状态时，泵的压头H必然等于系统的总阻力HL，这是建立平衡的条件。这时的平衡工作点从特性曲线上看是管路特性和泵的特性曲线的交点。,离心泵的控制 控制目标：使离心泵的工作点c的流量满足预定需求。,4.1.1离心泵的基本控制,控制方案1：改变控制阀开度，直接节流 改变直接节流阀的开度，从而改变hv，造成管路特性变化，以达到控制目的。,控制阀安装位置： 安装在出口管线，而不是泵的吸入口处。 方案特点：实施简单，但在流量小时，效率较低。,离心泵的控制 控制方案2：改变泵的转速 采用变频调速

6、，从而改变工作点。,4.1.1离心泵的基本控制,方案特点： 管路上无需装控制阀，HL中hv这一项等于零，减小了阻力损耗，泵的机械效率得以提高。,离心泵的控制 控制方案3：改变旁路回流量 实施：泵的出口与入口之间加一个旁路 管道，让一部分排出量重新回到泵的入口，通过控 制这一部分的回流量来稳定排出量。 特点：总的机械效率较低。 采用这种控制方式，必然有一部分能量损耗在旁路管道和阀上。对于功率越大的泵，在减小负荷时，泵所作的虚功越多。,4.1.1离心泵的基本控制,离心泵的控制 三种控制方案比较： 直接节流法：方案简单，调节灵敏，但能耗大，所以一般用于流量变化要求较小的场合； 调速：反应慢，设备费用

7、高，但能耗小。 旁路：方案简单，控制阀口径较小。但对旁路的那部分液体来说，由泵供给的能量完全消耗于控制阀，因此总的机械效率较差。,4.1.1离心泵的基本控制,4.1.2 容积式泵的控制,往复泵的工作原理,4.1.2 容积式泵的控制,容积式泵的工作特性 分类：往复式、直接位移旋转式 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，所以泵的排出量与管路系统无关。 往复式泵：排出量取决于单位时间内的往复次数及冲程的大小； 旋转泵： 排出量取决于转速。 控制特点：不能在出口管线上用节流的方法控制流量 他们的排出量与压头H的关系很小，因此，一旦出口阀被关死，将产生泵损、机毁的危险。,H,Q

8、,n3,n2,n1,4.1.2 容积式泵的控制,容积式泵的控制 调节原动机的转速：此法与离心泵调速控制方法相同。 改变往复泵的冲程：在多数情况下，这种调节冲程方法机构复杂，具有一定难度，只有在一些计量泵等特殊往复泵上才考虑使用。 通过旁路控制：其方案与离心泵旁路控制相同，是最简单易行的控制方式。 利用旁路压力控制：稳定压力， 再利用节流阀来控制流量。这种方案 由于两个控制系统之间相互关联，动 态上有交互影响，为此有必要把他们 的振荡周期错开，压力控制系统应该 慢一些，最好整定成非周期振荡。,4.1.3风机的控制,风机的分类 风机分为：离心式、旋转式、轴流式等； 送风机: 出口压力小于10kpa

9、； 鼓风机: 出口压力在10-30kpa之间。,4.1.3风机的控制,控制方案：类似于离心泵，控制方案有三类。 改变转速： 转速的变化改变风机特性曲线，从而达到了风量或压力的控制。这种方法从能量效率上说最经济，但在设施上比较复杂。 直接节流： 出口节流和进口节流均能达到流量控制的要求。 进口节流：工作点从M1移到M3,送风机； 出口节流：工作点M1移到M2,鼓风机。 流量若大幅度变化，可采用分程控制 旁路控制： 与离心泵的旁路控制方案同。,4.1.4.压缩机的控制,离心式压缩机,往复式压缩机,4.1.4.压缩机的控制,压缩机是指输送压力较高的气体机械，一般产生高于300kPa的压力。压缩机分为

10、往复式压缩机和离心式压缩机两大类。 往复式压缩机适用于流量小，压缩比高的场合， 往复式压缩机常用控制方案有：汽缸余隙控制；顶开阀控制（吸入管线上的调节）；旁路回流量控制；转速控制等。,分程控制系统： 当控制器输出信号在2060kPa时，余隙阀动作。 当余隙阀全部打开，压力还下不来时，旁路阀动作，以保持压力恒定。,控制系统允许负荷波动的范围为60100%,4.1.4.压缩机的控制,离心式压缩机的广泛应用：体积小，流量大，重量轻，运行效率高，维护方便，汽缸内无油气污染等。 一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统： （1）气量控制系统（即负荷控制系统） 气量控制方法有： 出口节流法：改变进口导向叶片

11、的角度，改变进口气流的角度来改变流量，它比进口节流法节省能量，但要求压缩机设有导向叶片装置，这样机组在结构上就要复杂一些； 改变压缩机转速的调节方法：这种方法最节能，实现调速较为简单，应用较为广泛。 压缩机入口管线上设置调节模板：改变阻力亦能实现气量控制，但这种方法过于灵敏，并且压缩机入口压力不能保持恒定，所以较少采用。 采用压缩机出口压力控制来实现。,4.1.4 压缩机的控制,（2）压缩机入口压力控制 入口压力控制方法有： 采用吸入管压力调节转速来稳定入口压力； 设有缓冲罐的压缩机，缓冲罐压力可以采用旁路控制； 采用入口压力与出口流量的选择控制。 （3）喘振控制系统 （详见下节） （4）压缩

12、机各段吸入温度以及分离器的液位控制 气体经压缩后温度升高，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，为此要设置温度控制系统。 为了防止吸入压缩机的气体带液，造成叶轮受损，在各段吸入口均设置冷凝液分离罐，对分离罐液位需要设置液位控制或高液位报警。,4.1.4 压缩机的控制,（5）压缩机密封油、润滑油、调速油的控制系统 一台大型压缩机组一般均附有密封油、润滑油和调速油三个系统； 对应有油箱液位、油冷却器后油温、油压等检测控制系统。 （6） 压缩机振动和轴位移检测、报警、联锁 压缩机是高速运动的机械，转速可达每分钟上万转，一旦转子振动或轴位移超量，若不及时停车，会造成严重损坏

13、； 大型压缩机组设有多个测量探头和一整套报警联锁系统，对转子的振动量和轴位移进行检测。,4.1.5 变频器调速器的应用,问题的提出： 控制阀的压降（约0.022.5Mpa左右）占工艺系统压降的比例较大，导致泵的能量在控制阀上的损失较大 解决方法：变频调速器替代控制阀 变频调速器的优点 ： 能接受控制器的输出信号； 具有大范围平滑无级变速特性，频率变化范围宽，调速精度高 ； 作为执行器，与工艺介质不接触，具有无腐蚀、无冲蚀的优点； 电机转速降低、泵的出口流量减少时，相应消耗的功率便大幅度下降，从而达到显著节电效果。 目前，在生产装置中有的采用变频调速器与控制阀并存的控制方式，一般情况下采用变频调

14、速，异常情况下采用控制阀控制。,4.2离心压缩机的防喘振控制,4.2.1 离心压缩机的喘振 4.2.2 防喘振控制系统的设计,4.2.1 离心压缩机喘振,概述： 什么是喘振： 离心式压缩机有这样的特性：当负荷降低到一定程度时，气体的排送会出现强烈的振荡，因而机身也剧烈震动，这种现象称为喘振。 防喘振的意义： 喘振会严重损坏机体，进而产生严重后果，压缩机在喘振状下运行是不允许的，在操作中一定要防止喘振的产生。,4.2.1 离心压缩机喘振,为什么会产生喘振？ 离心式压缩机的特性曲线：压缩机的压缩比（出口压力 P2与入口压力P1之比）与进口体积流量Q之间的关系。 不同的工作区： 在每种转速下，都有一

15、个P2/P1的最高点，连接最高点的 虚线是一条表征产生喘振的极限曲线。 虚线左侧的阴影部分是不稳定区，称为喘振区； 虚线的右侧为稳定区，称为正常运行区。,4.2.1 离心压缩机喘振,喘振的产生： 若压缩机的工作点在正常运行区： Q会提高压缩比，P2/P1,出口压力P2增加 P2将大于管路阻力，使压缩机排出量增加， 使他恢复到稳定流量QA. 若压缩机在喘振区运行： Q,使QA压缩机所能提供的压力, 瞬时会发生气体倒流，表现为流量为0，同时管网压力也下降，一旦管网压力与压缩机压力相等，压缩机又输送气体到管网，压缩机恢复正常工作,回升压力,重又把倒流进来的气体压出去。此后，又引起P2下降，出口气体又

16、倒流，上述现象重复进行，称为喘振。,4.2.1 离心压缩机喘振,喘振线方程 将不同转速下的喘振点连接，组成该压缩机的喘振线。实际应用时需要考虑安全余量。 如果P2/P1小于 ，工况是安全的，如果P2/P1大于 ，工况就危险了。a,b由压缩机制造厂提供。,式中P2压缩机出口压力； P1压缩机入口压力； 1压缩机入口流量； 1压缩机入口温度； a，b系数。,防喘振保护曲线,4.2.2.防喘振控制系统,设计思想： 只要保证压缩机吸入流量大于临界吸入流量QP，系统就会工作在稳定区，不会发生喘振。 为了使进入压缩机的气体流量保持在QP以上，在生产负荷下降时，须将部分出口气从出口旁路返回到入口，或将部分出口气放空，保证系统工作在稳定区。 控制方法： 固定极限流量防喘振控制 可变极限流量防喘振控制,4.2.2.防喘振控制系统,固定极限流量防喘振控制 保证压缩机的流量始终保持大于某一固定值，即临界流量QP，（最大转速下的喘振点，已经考虑安全余量）。当入口流量小于QP时，则打开旁路阀，使出口的部分气体返回到入口。 缺点：当转速较低时，流量的安全余量过大，能量浪费较大。适用于固定转速的离