1、过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组流体输送设备简述流体输送设备简述v流体流体：物料流和能量流。流体有液体和气体之分物料流和能量流。流体有液体和气体之分.通常固通常固体物料也转化成流态的形式在管道中输送。体物料也转化成流态的形式在管道中输送。v流体输送设备流体输送设备：用于输送流体和提高其压头的机械设备用于输送流体和提高其压头的机械设备。v泵泵：输送液体并提高其压力的机械设备。输送液体并提高其压力的机械设备。v风机和压缩机风机和压缩机：输送气体并提高其压力的机械设备。输送气体并提高其压力的机械设备。v流体输送设备控制方案流体输送设备控制方案：是为了实现物料平
2、衡的流量、是为了实现物料平衡的流量、压力控制，以及诸如离心式压缩机的防喘振控制这样为压力控制，以及诸如离心式压缩机的防喘振控制这样为了保护输送设备安全的控制方案。了保护输送设备安全的控制方案。过程控制工程过程控制工程课程组课程组流量控制系统的特点流量控制系统的特点v 控制通道的对象时间常数小控制通道的对象时间常数小只需采用只需采用PIPI调节器，无须引入微分作用；比例大些，积分时间调节器，无须引入微分作用；比例大些，积分时间0.10.1至数分至数分钟。钟。v 测量信号通常带有高频噪声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，应考虑对测量信号的滤波或在
3、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；控制器不加微分作用以减小调节阀的振动；控制器不加微分作用v 静态非线性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。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。v 流量控制系统测量仪表精度无需很高流量控制系统测量仪表精度无需很高过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性v泵的分类泵的分类泵泵离心泵离心泵旋转泵旋转泵往复泵往复泵活塞式活塞式柱塞式柱塞式椭圆齿轮式椭圆齿轮式螺杆式螺杆式容积泵容积泵特性特性及控制方案及控制方案过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵
4、的静态特性离心泵离心泵螺杆泵螺杆泵活塞式泵活塞式泵隔膜式泵隔膜式泵过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性v离心泵的组成离心泵的组成 它主要由叶轮和机壳构成。它主要由叶轮和机壳构成。v离心泵工作原理离心泵工作原理 叶轮在原动机带动下做高速旋转运动，出口处流体的压头来自于旋转叶轮在原动机带动下做高速旋转运动，出口处流体的压头来自于旋转叶轮作用于液体而产生的离心力。转速越高，离心力越大，压头也越叶轮作用于液体而产生的离心力。转速越高，离心力越大，压头也越高。叶轮与外壳之间有空隙高。叶轮与外壳之间有空隙,关死泵的出口阀，排量为零，压头最高关死泵的出口阀，排量为零，压头最高
5、，此时泵所做的功全部转化为热能而散发，同时也使泵内液体温度升，此时泵所做的功全部转化为热能而散发，同时也使泵内液体温度升高。所以离心泵不宜长时间关闭，出口阀随着排量逐渐增大，泵所能高。所以离心泵不宜长时间关闭，出口阀随着排量逐渐增大，泵所能提供的压头会慢慢下降。提供的压头会慢慢下降。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性v泵的特性泵的特性 泵的压头泵的压头H、排量排量Q和转速和转速n之间的函数关系之间的函数关系2221QKnKHH为泵的压头，即泵前后的流体静压差；为泵的压头，即泵前后的流体静压差；
6、n 为离心泵转速；为离心泵转速；Q为泵的排出量。为泵的排出量。HL为管路压头损失，也是泵的最大输出功率为管路压头损失，也是泵的最大输出功率线，即在给定的转速下，线，即在给定的转速下，H*Q在该压头下达在该压头下达到最大。到最大。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性v管路特性管路特性泵与管路联接在一起，它的泵与管路联接在一起，它的排量与压头排量与压头的关系既与的关系既与泵的特性泵的特性有关，也与有关，也与管路特性管路特性有关。有关。管路特性管路特性：管路系统中的流体流量与管路系统阻力之间的关系。管路系统中的流体流量与管路系统阻力之间的关系。管路系管路系统的阻力包括
7、统的阻力包括:管路两端的静压差引起的压头管路两端的静压差引起的压头hp管路两端的静压柱高度管路两端的静压柱高度hL ；管路中的摩擦损失压头管路中的摩擦损失压头hf ；控制阀两端节流损失压头控制阀两端节流损失压头hv ；p2p1hLhvhfp2p1过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性fVLpLhhhhH管路系统总阻力为：管路系统总阻力为：HLhfChvhphLHHL H和和排出量排出量 Q转速为转速为n时泵的特性时泵的特性hLhvhfp2p1过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的静态特性离心泵的静态特性HLhfChvhphLHHL H和和排出量排出量 Q转速
8、为转速为n时泵的特性时泵的特性当系统达到稳定工作状态时，泵的压头当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H必然等于必然等于HL，这是建立平衡的条件。，这是建立平衡的条件。左图中泵的特性曲线与管路特性曲线的左图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点交点C，即是泵的平衡工作点。，即是泵的平衡工作点。工作点工作点C的流量应符合工艺预定的要求，的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变可以通过改变hv或其它手段来满足这一或其它手段来满足这一要求，这是离心泵的压力（流量）的控要求，这是离心泵的压力（流量）的控制方案的主要依据。制方案的主要依据。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v（
9、1）直接节流法）直接节流法 通过改变阀开度，改变管路中的压头损失，进而通过改变阀开度，改变管路中的压头损失，进而改变泵的工作点。改变泵的工作点。特点：特点：简单，效率低，能耗大。简单，效率低，能耗大。注：注：不可将阀装在入口处。出现不可将阀装在入口处。出现气缚和气蚀气缚和气蚀现象现象 控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选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。择控制阀的尺寸。孔板装在阀上游，以减弱下游压力波动产生孔板装在阀上游，以减弱下游压力波动产生影响影响过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v 气缚现象：气缚现象：控制阀应安装在泵的出口管线上，
10、对不应安装在泵的入口管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，这种现象称为量降低，甚至使排量等于零，这种现象称为“气缚气缚”。v 气蚀现象：气蚀现象：所夹带部分气化的气体到排出端后，因受到压缩会重新凝聚所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
11、为成液体，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“气蚀气蚀”。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v（2）调速法）调速法 改变泵转速的方法有两类：改变泵转速的方法有两类：一类是调节原动机的转速：以汽轮机为原动机时可调节蒸汽流量或导向一类是调节原动机的转速：以汽轮机为原动机时可调节蒸汽流量或导向叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用变频调速变频调速等装置。等装置。另一类是原动机与泵之间的联轴调速结构上改变转速比来控制转速。另一类是原动机与泵之间的联轴调速结构上改变转速比来控制转速。过程控制工程过程控制工程课程组
12、课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v（2）调速法）调速法调节原理调节原理：采用变频调速器通过改变泵采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。的转速，以控制管道流量。特点特点：（管路无需装控制阀（管路无需装控制阀节阀，节阀，HL中中hL这一项等于零，减少了阻力损耗，泵这一项等于零，减少了阻力损耗，泵的机械效率提高）节能，调节平稳，的机械效率提高）节能，调节平稳，实实施复杂，适合于大功率泵，施复杂，适合于大功率泵，但投资较大。但投资较大。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v（3）旁路法）旁路法 改变管路特性达到控制流量的目的改变管路特性达到控制流量的目的
13、。FCxrxrPCxHQ旁路控制方式的流量特性旁路控制方式的流量特性rxrn过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心泵的控制方案离心泵的控制方案v直接节流法直接节流法，简单易行，控制灵敏，但能耗大，所以用于流量，简单易行，控制灵敏，但能耗大，所以用于流量变化较小的场合变化较小的场合v调速法调速法反应慢，设备费用高，但能耗小反应慢，设备费用高，但能耗小 因此对于流量变化幅度大且要求控制灵敏度高的场合，可以因此对于流量变化幅度大且要求控制灵敏度高的场合，可以采采用直接节流和调速法相结合。用直接节流和调速法相结合。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v主要内容主要内容
14、 1 1.离心式压缩机的特性曲线离心式压缩机的特性曲线 2.2.离心式压缩机的喘振现象离心式压缩机的喘振现象通过这讲的学习，我们通过这讲的学习，我们可以得到以下收获：可以得到以下收获：过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v 6060年代后，开始在化工中迅速推广，尤其大中型厂。排量大，均匀，可年代后，开始在化工中迅速推广，尤其大中型厂。排量大，均匀，可用蒸汽燃汽机驱动，便于能量回收。大型合成氨厂、乙烯厂、原料气压用蒸汽燃汽机驱动，便于能量回收。大型合成氨厂、乙烯厂、原料气压机、空压机、工厂的心脏设备，控制要求高。机、空压机、工厂的心脏设备，控制要求高。v 构造与离
15、心泵基本相同，工作原理也基本相同：构造与离心泵基本相同，工作原理也基本相同：离心力离心力。v 通常把离心式压缩机与原动机的组合体称为通常把离心式压缩机与原动机的组合体称为离心压缩机组离心压缩机组。过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v 优点优点 1.1.体积小，重量轻，流量大；体积小，重量轻，流量大；2.2.运行效率高，易损件少，维修简单；运行效率高，易损件少，维修简单；3.3.供气均匀，运转平稳，气量控制的变化范围广；供气均匀，运转平稳，气量控制的变化范围广；4.4.压缩机的润滑油不会污染被输送的气体；压缩机的润滑油不会污染被输送的气体；5.5.有较好的经济性
16、能。有较好的经济性能。v 缺点缺点 1.1.喘振；喘振；2.2.轴向推力大等轴向推力大等.过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v一般离心式压缩机所要设计的控制系统包括：一般离心式压缩机所要设计的控制系统包括：(1)(1)气量或出口压力控制系统，即负荷控制系统。控制类似离心泵排量气量或出口压力控制系统，即负荷控制系统。控制类似离心泵排量和出口压力控制方案。和出口压力控制方案。(2)(2)防喘振控制系统防喘振控制系统 (3)(3)压缩机组的油路控制系统压缩机组的油路控制系统 (4)(4)压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及震动的指示与连锁保护系统压缩机主轴的轴向推力、轴
17、向位移及震动的指示与连锁保护系统过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v离心式压缩机的特性离心式压缩机的特性P2/P1 为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）之比，或称压缩比；之比，或称压缩比；n 为压缩机的转速；为压缩机的转速；Q 为压缩机出口流量。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直接节流法、旁路回流法与变频调速等。离心式压缩机的特性曲线是指：离心式压缩机的特性曲线是指：出口绝压出口绝压P2与入口绝压与入口绝压P1之比
18、（或称之比（或称压缩比）和入口体积流量的关系曲线压缩比）和入口体积流量的关系曲线。过程控制工程过程控制工程课程组课程组v离心式压缩机的特性离心式压缩机的特性 吸入流量（扩充量）为吸入流量（扩充量）为 ，压缩比为，压缩比为转子转速为转子转速为n ，关系如图（呈驼峰型）。，关系如图（呈驼峰型）。有一最高点：有一最高点：B 当当 时，时，当当 时，时，BQQ BQQ Q12PP离心式压缩机原理离心式压缩机原理Q12PPQ12PPABDC12PPQAQBQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组v离心式压缩机的喘振离心式压缩机的喘振 当当 时时,时，时，转子内部充入大量气体，又重新排出对应点为转子内部充入
19、大量气体，又重新排出对应点为 但吸入量仍不足，但吸入量仍不足，工作点迅速变化，压缩机发生工作点迅速变化，压缩机发生激烈抖动，现象叫喘振。激烈抖动，现象叫喘振。QAQBQ12PP1P2PDQQBQ离心式压缩机原理离心式压缩机原理QBQQQABDC12PPQAQBQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v 喘振极限曲线和喘振控制线（安全工作线）喘振极限曲线和喘振控制线（安全工作线）不同的不同的n对应不同的对应不同的B最高点，如图：最高点，如图：把把B线连接起来，得喘振线，喘振线的左侧为不允线连接起来，得喘振线，喘振线的左侧为不允许进入的喘振区。许进入的喘振区。为了防止
20、喘振的发生，在各为了防止喘振的发生，在各n个个 ，可在，可在其右侧画出另一线，取其右侧画出另一线，取1.05 1.10 ，作为安，作为安全工作线，称控制线。控制不过此线的左侧即可全工作线，称控制线。控制不过此线的左侧即可防防止喘振。止喘振。BQQBQBQn1n2n3Q 21.02.03.0P2/P1喘振极限线安全操作线B1B3B2过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机原理离心式压缩机原理v 引起喘振的原因引起喘振的原因负荷减小到一定程度负荷减小到一定程度最常见原因最常见原因被压缩气体的吸入状态被压缩气体的吸入状态 吸入气体的分子量变化吸入气体的分子量变化 分子量增大，压缩机进入喘振区
21、。分子量增大，压缩机进入喘振区。吸入气体温度的变化吸入气体温度的变化 当温度减低时，压缩机易出现喘振。当温度减低时，压缩机易出现喘振。吸入气体压力的变化吸入气体压力的变化 当吸入压力降低时，所需压缩比增大，当吸入压力降低时，所需压缩比增大，压缩机易进入喘振区。压缩机易进入喘振区。3.3.喘振情况与管网特性有关喘振情况与管网特性有关T1、M1、p1Q喘振线喘振线管路特性管路特性吸入状态变化与喘振关系吸入状态变化与喘振关系12PPQ喘振线喘振线管路特性管路特性管路阻力变化与喘振关系管路阻力变化与喘振关系阻力阻力 12PP过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机防喘振控制方案离心式压缩机防喘
22、振控制方案v 防喘振控制的基本思想防喘振控制的基本思想基本方案基本方案(1.051.10)mBQQQ条件：条件：+AmQQQQ旁办法：办法：,=0AmQQQ旁mAQQQ旁在任何转速条件下，通过压缩机的实际流量都不小于喘振极限流在任何转速条件下，通过压缩机的实际流量都不小于喘振极限流量量QB。即当负荷减少时，采取部分回流的方法，保证。即当负荷减少时，采取部分回流的方法，保证Q入入QB。压缩机排出吸入循环FCQAQ旁QmQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组固定极限流量防喘振控制固定极限流量防喘振控制测吸入流量的方案测吸入流量的方案 保持保持 ,=,=0(=0(正作用正作用,气关气关),0，则，则
23、100n1n2n3Q喘振区1.02.03.0P2/P1QB“气关气关”“正正”压缩机排出吸入循环FCQAQ旁QmQspQQmQmQQspQ旁Q旁QQAQAQspQQ旁mQspQQmQ会围绕会围绕 振荡。振荡。QmQ过程控制工程过程控制工程课程组课程组可变极限流量可变极限流量防喘振控制防喘振控制给定值随给定值随12PP变化的方案变化的方案 对于对于n变化的压缩机，应将变化的压缩机，应将mQBQ随随作相应的变化，所以叫可变极限流量法作相应的变化，所以叫可变极限流量法 规定，可以较有规律，可近似处理规定，可以较有规律，可近似处理。mQ 喘振极限曲线不一定光滑的喘振极限曲线不一定光滑的,而而线则是人为
24、线则是人为 数学模型近似数学模型近似12PPmQ 用计算装置模拟用计算装置模拟过程控制工程过程控制工程课程组课程组可变极限流量防喘振控制可变极限流量防喘振控制222211211121=PPaPPhPaPmKTp 直线型安全工作线直线型安全工作线可写出直线方程：可写出直线方程：KaPPQm1221=mPKQaP或或21PaPQK由喘振约束条件由喘振约束条件 mQQ，则，则 111=h TQkPFCFC（调节器）以（调节器）以1h为测量，为测量，1222121TKaPPP为给定值，构成控制方案。为给定值，构成控制方案。可变极限流量防喘振控制可变极限流量防喘振控制221PaP1mPm2211PmPa
25、P1h过程控制工程过程控制工程课程组课程组可变极限流量防喘振控制可变极限流量防喘振控制2211=mQPabPTp 抛物线型安全工作线抛物线型安全工作线可写出抛物线方程：可写出抛物线方程：若用节流装置测流量若用节流装置测流量 111=h TQkP1212rhPaPbk由喘振约束条件由喘振约束条件 mQQ 22111PhakPP令令2=rmbk121hmPaP作为设定值作为设定值121121()()hm PPhm PP阀关阀关阀开阀开h1过程控制工程过程控制工程课程组课程组防喘振控制系统实例防喘振控制系统实例分析分析该系统包括两个控制回该系统包括两个控制回路：路：（1 1）采用调速方法控制）采用调
26、速方法控制气压机的入口压力；气压机的入口压力；（2 2）采用可变极限流量）采用可变极限流量法的气压机变防喘振控法的气压机变防喘振控制系统。制系统。气压机蒸 汽透 平PCU2U3U1U4GCPdP1,mP2,mP2P2P1PdP1m -maP2P1)(1211mPPmPPd过程控制工程过程控制工程课程组课程组离心式压缩机防喘振控制方案离心式压缩机防喘振控制方案v 在防喘振控制系统中，当测量值大于给定值时，旁路阀始终关闭；而当在防喘振控制系统中，当测量值大于给定值时，旁路阀始终关闭；而当测量值小于给定值时，则控制器去开启控制阀到一定位置，故能防止喘测量值小于给定值时，则控制器去开启控制阀到一定位置，故能防止喘振的出现，确保压缩机的安全运行。振的出现，确保压缩机的安全运行。v 在设计防喘振控制系统时，尚需注意以下问题：在设计防喘振控制系统时，尚需注意以下问题：防喘振控制器的防积分饱和；防喘振控制器的防积分饱和；相对压力与绝对压力的转换；相对压力与绝对压力的转换；有时不能在入口处测量流量，而必须改出口处测量时，需要将喘振安有时不能在入口处测量流量，而必须改出口处测量时，需要将喘振安全操作线方程进行改写。全操作线方程进行改写。
