第15、16章流体输送设备和传热设备控制2

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15.2.12221QRnRH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离心泵特性曲线排出量Q压头Han3n4n2n1a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FCHQHL1HL2C1C2HL3C3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●优点：调节方便●缺点：机械效率低（消耗在阀上）●场合：常用，但排量小于正常排量的30%时要调整教学进程FC调转速电动机HLn3n2n1HQ(a)流量特性(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●优点：机械效率高，节能●缺点：调速设备费用高●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15.2.1FC●优点：控制阀口径，调节方便●缺点：回路，能量消耗大（未充分使用）●场合：有一定应用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n1n2n3排出量QH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15.3.1p2/plp2/pl～QM1MTQMQ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QQp1Qp2Qp3p2/p1n1n2n3喘振区喘振现象及原因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管路特性喘振线T1，M1，p1p2/p1Q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）管路阻力的变化阻力p2/p1Q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Q1Qp控制喘振：限制压缩机流量不小于极限流量Q1Qp，教学进程Q1Qp，旁路阀关死Q1Qp，旁路阀打开，部分出口气体返回到入口，使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）固定极限流量排出循环压缩机吸入FC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12112TQbapp21211012QaQaapp21QH多变防喘振控制系统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11212pprKbappp2/p1Q2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。P2+p2-ap1∑×r/bk2p1-Δplr（p2-ap1）/bk2FC防喘振控制系统15.3.2)(1221appbKrp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15.3.22121bKrapppp2+∑p1–r/bK2Δplp2-ap1÷FC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。p2×r/bK2Δp1p2r/bK2FC防喘振控制系统15.3.2221pbKrp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LSF1CF2CF1F2P2P1P3∑∑BA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。P1P2F1F2∑FCABLS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G2c2T2iG1c1T1iG1c1T10G2c2T20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221111121101211cGcGKFcGTTTTiiiq=KFΔT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22111111012111cGcGKFcGTTi2211112101211cGcGKFcGTTi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：KFcG11KFcG2231iiiTTTT12110KFcG22iiiTTTT12110111KFcG24图16-4图16-5教学进程16.2.2动态特性分析T1i→T1o：ssGWeKeKsG1111)(式16-11动态纯滞后环节T2i→T1o、G1→T1o、G2→T1osessKsG2)1)(1()(21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、旁路控制介质流量工业介质G1载热体G2TC图16-8①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②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——串级控制方案图图16-9工业介质G1载热体G2TC教学进程蒸汽加热器的控制16.3.2①控制载热体流量蒸汽发生相变，可同时通过ΔT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，工业常用蒸汽G2TC凝液G1图16-12教学进程②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G2凝液TCFCG1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，带走介质热量气氨TC液氮图16-16①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16.3.3②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TCLC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①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τττWHH1Hτtt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1)()()()()()(2221sTKsKsDsHsDsHsDsHf16.4.2锅炉汽包水位的控制②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H1H2H教学进程③对给水扰动控制滞后蒸汽气泡省煤器给水LC16.4.2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：①不能克服虚假水位带来的后果②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”I=C1IC±C2IF±I0蒸汽ICIFI0LC给水静态前馈教学进程GCC1GVGPCGmFC2GmG