第三章流体输送设备的控制(0改)

2019/10/41第三章流体输送设备的控制3.1概述流体输送设备：流体输送设备的控制：液体泵气体风机、压缩机被控对象的特点：在石油化工生产过程中用于输送流体和提高流体压头的机械设备。为保证平稳生产进行的流量、压力控制；为保护输送设备的安全而进行的控制。①对象的时间常数小、可控性较差如流量控制，受控变量和操纵变量常常是同一物料。只是检测点和控制点的位置不同，因此对象的时间常数很小。FCFTSP分馏塔广义对象的特性必须考虑测量环节和控制阀的特性，测量环节和控制阀的时间常数很小，因此广义对象的时间常数较小，可控性较差。2019/10/42因此进行控制器参数整定时，应取较大的比例度，为消除余差引入积分作用。泵的种类主要可分为两大类：②测量信号伴有高频噪声流量测量常采用节流装置，流体通过节流装置，喘动加大，造成测量信号常常杂有高频噪声，影响控制品质，因此应对测量信号加以滤波。③广义对象的静态特性存在着非线性通过选择阀的特性，使广义对象的静特性近似为线性(原因是管道阻力变化影响对象的特性)。3.2泵及压缩机的控制3.2.1泵和管路系统的特性{离心泵——应用较为普遍容积泵往复泵旋转泵{2019/10/43离心泵结构往复泵旋转泵2019/10/44压头转速旋转叶轮作用在液体上的离心力离心力压头叶轮和与壳体之间有空隙，关闭泵的出口阀时，排量为零，压头最高，泵所做的功热。泵的特性：压头与排量及转速之间的关系Hn经验公式：nHQHQ1nH2n3n4n泵与管路联接在一起，它的排量与压头的关系既与泵的特性有关，也与管路特性有关。2221QknkH21,kk比例系数管路特性：指的是管路系统中的流体流量与管路系统阻力之间的关系1、离心泵由叶轮、机壳组成，叶轮在电机带动下高速旋转2019/10/45④控制阀两端的节流压头hv，阀的开度一定时，与流量的平方成反比。VfLpLhhhhH和流量的关系称为管路特性LHQQVhHQHL~cfhphLhQH~当系统平衡时，如图中的C(平衡工作点)点，即泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。LHH工作点应满足一定的工艺要求，通过改变阀的开度(即)改变工作点。Vh如图所示管路系统阻力包括：Lh2p1p①管路两端静压差引起的压头②流体提升一定高度所需压头)()(12grpphp③克服管路摩擦损失所需压头hfLh管路系统总阻力：2019/10/46Q1nH2n3n4n2221QknkHQVhHQHL~cthphLhVfLpLhhhhH(1)直接节流法FCFTSPQH1c2c3c1LH2LH3LH离心泵工作点流量控制方案：2019/10/47(2)调速法QH1c2c3cLH1n2n3n(3)旁路回流法FCFTSPQHxrxr2019/10/48气缚现象：控制阀应安装在泵的出口管线上，对不应安装在泵的入口管线上。如误安装在泵的入口管线上，由于节流压头的存在，使泵的入口压力比无阀时要低，从而使部分液体气化，造成泵的出口压力降低，排量降低，甚至使排量等于零，这种现象称为“气缚”。气蚀现象：或者夹带部分气化的气体到排出端后，因受到压缩会重新凝聚成液体，对泵内机件产生冲击，严重会损坏叶轮和机壳，这种现象称为“气蚀”。2019/10/49⒈何谓泵的特性？用曲线和公式表示出来。⒉何谓谓管路特性？用曲线和公式表示出来。⒊离心泵系统达到稳定状态的条件是什么？如何实现？习题2019/10/4101、离心式压缩机优点：①压缩机的润滑油等不污染被输送的气体②调节性能好，调节气量的变化范围广③运行效率高、维修方便，元器件不易损坏④流量大，体小，重量轻，经济性能较高一台大型离心式压缩机通常有下列控制系统：①负荷控制系统，即气量或出口压力控制直接节流法、旁路回流法、调速法注意：旁路回流时，若多级压缩，不宜从末段出口至第一段入口直接旁路，宜采用分段旁路，或增设降压消音装置等措施；调速时，要求气轮机的转速可调范围能够满足气量调节的需要。缺点：喘振、轴向推力大——固有的、难以消除。常有可能因微小的偏差而造成严重损失，而且事故的出现往往迅速猛烈，单靠人工处理措手不及。必须认真设置相应的控制系统。3.2.2压缩机的控制方案2019/10/411③压缩机组的油路控制系统如密封油、控制油、润滑油等通常也设立相应的油压、油温联锁报警控制系统。④压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与联锁保护系统。②防喘振控制：喘振是离心式压缩机的固有特性，为使压缩机安全运行，必须采取相应的控制。1、轴2、轴封3、工作轮4、扩压器5、蜗壳6、工作轮叶片7、扩压器叶片2019/10/4123.3离心压缩机的防喘振控制1、特性曲线3.3.1离心式压缩机的特性曲线及喘振压缩比：出口绝对压力P2和入口绝对压力P1之比P2/P1特性曲线：压缩比和入口体积流量的关系曲线P1/P2—Q；效率和流量关系曲线—Q；功率和流量之间关系曲线N—Q。对于控制系统设计而言，主要只用到压缩比和入口体积流量的关系。2、喘振当负荷降低到一定程度时，气体的排出量会出现强烈振荡，同时机身也剧烈振动，这种现象叫离心式压缩机的喘振。由特性曲线发现，每一条曲线都对应一个P2/P1值的最高点，在不同转速下，把这些点连起来就得到一条曲线喘振极限曲线。曲线左侧不稳定区，喘振区。,%Q1n2n3n0501000.10.20.312PP喘振区2019/10/413喘振是离心式压缩机的固有特性，事实上少数离心泵也可能喘振，并较易说明喘振原理。少数离心泵其H—Q性能曲线呈驼峰型，其与管路特性可能有两个交点M和M1，M1：当干扰发生Q泵的扬程管路所需压头Q回M1点M：当干扰发生Q泵的扬程管路所需压头Q远离M点当交点处管路特性的斜率大于泵特性的斜率时，是稳定工作点；否则是不稳定工作点。实际上，图中所示的装置特性中，由于泵启动后的关闭扬程H0小于管路的静扬程HM，管路中的流量建立不起来，根本无法工作。理论上讲都是工作点，但M1是稳定工作点，M是不稳定工作点。工作点稳定与不稳定的判别：H0HM2019/10/414离心泵的实际运行中，可能发生的不稳定情况如图：离心泵工作中产生不稳定工况需要两个条件：①泵的H—Q特性曲线呈驼峰状；②管路装置中要有能自由升降的液面或能储存和放出能量的地方。对离心压缩机，其性能曲线大多呈驼峰型，且输送的介质是可压缩的气体，只要串联管路容积较大，就能起到储能作用，故易发生不稳跳动的工况。2019/10/415连接离心式压缩机不同转速下的特性曲线的最高点，即可得到喘振极限线，其左侧部分称喘振区。3.3.2引起喘振的原因⒈负荷减小到一定程度——最常见原因；⒉被压缩气体的吸入状态：如分子量、温度、压力等的变化。⑴吸入气体的分子量变化：,%Q1n2n3n0501000.10.20.312PP喘振区喘振情况与管网特性有关：管网容量越大，喘振的振幅越大，而频率越低；管网容量越小，则相反。同样的吸入气体流量QA下，分子量增大，压缩机进入喘振区。2019/10/416⑵吸入气体温度的变化：⑶吸入气体压力的变化：实际生产过程中，被压缩气体一般来自上一工序，上一工序的操作情况会影响分子量和温度的变化，从而可能引起压缩机的喘振。鉴于目前的防喘振控制系统一般只对减小负荷而设，且分子量的变化无法进行在线测量，故上述情况下，防喘振控制系统会“失灵”。对此需特加重视。在同样的吸入气体流量QA下，当温度减低时，压缩机易出现喘振。影响压缩机的实际压缩比。当吸入压力P1降低时，所需压缩比增大，压缩机易进入喘振区。3.3.3喘振的极限方程及安全操作线喘振极限线：在不同转速下，特性曲线最高点的连线称之。可通过理论推导获得数学表达式。,%Q1n2n3n0501000.10.20.312PP喘振区2019/10/417工程上，为了安全，将极限线右旋一角度，得安全线，作为压缩机允许工作的界限。安全操作线的表达式⒈经验公式：吸入气体的绝对温度1T：吸入体积流量1Q：吸入口、排出口的绝对压力21,PP：为常数，由厂家给出,K此经验公式可针对不同的流量测量方法变为实用公式。安全操作线：可用一抛物线方程近似：12112TQKPP,%Q1n2n3n0501000.10.20.312PP喘振区由于上式中的吸入口气体的体积流量Q1、绝对压力P1和绝对温度T1有一定的关系，可以依照不同的测量方法和仪表，将上式表达成更加适用的公式。2019/10/418⒉用差压法测流量111PQ入口处气体密度常数气体压缩系数111zRTMP1112221PPzRTMQ1122111122121PPzRMKTPPzRTMPPKzRMKm221令：代入气体方程代入经验公式：`)(121PPmP2019/10/419对于Ⅲ型仪表minmax1111164PPuPP416max111PPuP,164max111PuPPmax222164PuPP4)4(44minmaxmaxmaxmax111112121PPPuPPuumuPPPP代入整理得：防喘振控制系统是由若干台仪表构成，为具体设置各有关参数，必须将喘振安全操作线方程化为仪表信号表达的方程式。⒊以仪表信号表示安全线表达式416minmax1111PPPuP2019/10/4203.3.4防喘振控制系统由上述分析可知，压缩机喘振主要是负荷减小引起的，而负荷的升降则是由工艺决定的，为不使压缩机出现喘振，压缩机在任何转速下的实际流量应大于喘振极限所对应的最小流量。根据这一思想，可采用循环流量法来设计压缩机的防喘振控制系统。有两类：固定极限流量法和可变极限流量法1、固定极限流量法采用部分循环法，使压缩机始终保持大于某一定值流量，避免使工作点进入喘振区。如图：PQ12PPQ1n2n3n假设为压缩机固定喘振极限流量，只要满足，压缩机就不会出现喘振。PQPQQ①打开旁路阀，返回部分气体②旁路阀关闭PQQPQQFCFTPQ气关正2019/10/421问题：流量检测点的位置，汇合点之前还是汇合点之后？旁路控制阀采用什么型式阀？特点：可靠性高、投资少、方案简单、适用于固定转速场合；不过转速较低时，能耗过大，负荷变动经常时不够经济。2、可变极限流量法为了减小压缩机的能量损耗，在压缩机负荷波动的场合，可采用调转速的办法来保证压缩机的负荷满足工艺要求，但在不同的转速下，其极限流量不同，因此合理的方案应是在整个压缩机负荷变化范围内，工作点沿如图所示的安全线变化，即保证12121TQKPP)(121PPmP或方案如下：根据压缩机吸入口压力和出口压力计算入口压差，使其满足上述条件。据此，可设计出可变极限流量法防喘振控制系统。)(121PPmPP设测,%Q1n2n3n0501000.10.20.312PP喘振区2019/10/422①旁路阀在压缩机正常运行的整个过程中，测量始终大于设定值，因此必须注意防积分饱和；②在实际的生产过程中，有时不能在压缩机的入口处测量流量必须在出口处测量，但压缩机制造厂所提供的特性曲线规定的是入口测量，因此应将喘振安全操作线方程改写成出口流量；③喘振安全操作线方程式中出入口压力为绝对压力，而测量压力为相对压力，因此应做相应的变换。吸入PT101PT102FC101PdT1011P2P12PP)(12PPm1P排出m例：催化裂化装置上以蒸汽为动力的输送催化气的气压机组防喘振控制方案⑵防喘振流量控制系统——确保气压机安全运行。注意：⑴气压机入口压力控制系统——用压力控制器改变蒸汽透平的进气量来调节气压机转速，使入口压力保持恒定。——由两个控制系统组成：)(121PPmPP设测2019/10/423为使控制有效，要求入口气温稳定。所用防喘振安全操作线方程：运算单元的作用：U1:将气压机出口表压转换成绝压1013.0maPPU2:将气压机入口表压转换成绝压再除U1的输