流体输送设备的控制
第 2 篇过程控制工程
?石油、化工等生产过程，是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的生产线来完成的。?单元操作主要有：流体输送、传热、传质和化学反应等。
?本篇主要介绍各典型单元操作的控制：典型单元操作的背景、控制的需要、动静态特性的分析、整体控制方案的确定。
?单元操作中的控制方案设置主要考虑的四个方面：物料平衡控制、能量平衡控制、质量控制、约束条件控制。
第10章流体输送设备的控制
10.1 概述
?流体：输送的物料流和能量流。流体分为液体、气体。
?流体输送设备：用于输送流体和提高流体压头的机械设备。流体输送设备分：泵（输送液体和提高其压头的机械）、风机和压缩机（输送气体并提高其压力的机械）。
?对流体输送设备的控制主要保证物料平衡的流量和压力控制。
?离心式压缩机的防喘振控制是保护设备安全的约束控制。
由于流体输送设备的控制主要是保证物料平衡的流量控制，因此流量控制系统中的有关问题再作简要叙述：
1、流量控制对象的被控变量和操纵变量是同一物料的流量，因此控制通道的时间常数很小，基本上是放大倍数接近1的放大环节。所以广义对象特性中测量变送及控制阀的惯性滞后不能忽略，各环节的时间常数在数量级上相同且数值不大，组成的控制系统可控性较差、频率较高。为此控制器的比例度必须放得大些，可引入积分作用消除余差。控制阀一般不安装阀门定位器，以免造成振荡。
2、流量测量常用节流装置，由于流体通过节流装置时喘动加大，使被控变量的信号常有脉动情况出现，并伴有高频噪声。所以应考虑对信号的滤波，在控制系统中也不能引入微分作用。工程上有时还在变送器与控制器之间接入反微分器（相当于惯性环节），以提高系统的控制质量。
3、流量系统的广义对象静态特性的非线性问题。
4、对于流量信号的测量精度要求，一般除直接作为经济核算外，无需过高，只要稳定，变差小就行。
10.2 泵和压缩机的控制
泵可分为离心泵和容积式泵两大类。
一、离心泵的控制方案
1、离心泵工作原理
离心泵主要由叶轮和机壳组成，叶轮在原动机带动下作高速旋转运动，离心泵的出口压力由旋转叶轮作用于液体而产生离心力，转速越高，离心力越大，压头也越高。
2、离心泵特性
由于离心泵的叶轮和机壳之间存在空隙，泵的出口阀全闭，液体在泵体循环，泵的排量为零，压头最大；随着出口阀的逐步开启，排出量随之增大，出口压力将慢慢下降。
泵的压头H，排量Q和转速n之间的函数关系:
H=R1n2–R2Q2
3、管路特性
项阻力：
1)管路两端的静压差引起的压头h p ； 2)管路两端的静压柱高度h L ； 3)管路中的摩擦损失压头h f ； 4)控制阀两端节流损失压头h v
排出量Q → ↑压头H
n 1 n 2 n 3
n 4 a a’ H L =h p +h L +h f +h v g
p p h p ρ12-
=排出量Q →
↑压头H
管路特性曲线
当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H 必然等于H L ，这是建立平衡得条件。左图中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C ，即是泵的平衡工作点。工作点C 的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hv 或其它手段来满足这一要求，这是离心泵的压力（流量）的控制方案的主要依据。4、离心泵的控制方案1）直接节流法
注意：直接节流法的控制阀应安装在泵的出口管道上，而不能装在泵的吸入管道上。否则会出现“气缚”及“气蚀”现象。?控制阀一般宜装在检测元件（如孔板）的下游，这样将对保证测量精度有好处。
?直接节流法的优点是简单易行。但在小流量时总的机械效率较低。一般不宜用在流量低于正常排量的30%的场合。
2）改变泵的转速n 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叶片的角度；若以电动机作原动机时，采用变频调速等装置。
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。
采用这种方法，管道上无需装控制阀，减少了阻力损耗，泵的机械效率得以提高。然而，调速装置的设备费比较高，故这种方式多应用于大功率、重要的泵装置上。 3）改变旁路回流量
排出量Q → ↑压
头H
排出量Q → ↑压头H
n 1
n 2 n 3
n 4 a
a’
采用这种控制方式，必然有一部分能量损耗在旁路管道和控制阀上，所以泵的机械效率也是比较低的。但它具有采用小口径控制阀的优点。
二、容积式泵的控制方案?容积式泵有两类：一类是往复泵；另一类是直接位移旋转泵。 ?它们有共同的结构特点：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，所以泵的排量大小与管路系统基本无关。
?往复泵流量只取决于单位时间的往复次数及冲程的大小； ?旋转泵流量仅取决于转速。
由于这类泵的排量与管路阻力基本无关，故绝不可在出口处安装控制阀来控制流量，一旦出口阀关死，将造成泵损、机毁的危险。 容积式泵常用的控制方案： ①改变原动机的转速； ②改变往复泵的冲程； ③ 调节回流量。
④采用旁路调节来控制出口压力，然后用直接节流阀控制其流量
三、压缩机的控制方案?压缩机与泵一样，也有往复式与离心式之分。 ?压缩机的流量（压力）控制方案与泵基本相似，即调速、旁路、节流等。
?往复式压缩机主要用于流量小、压缩比较高的场合，可采用吸入管节流的控制方案。 ?离心式压缩机向着高压、高速、大容量和高度自动化方向发展。与往复式压缩机相比较，具有以下优点：
?体积小，重量轻，流量大；
?运行效率高，易损件少，维修简单；
?供气均匀，运转平稳，气量控制的变化围广； ?压缩机的润滑油不会污染被输送的气体； ?有较好的经济性能。 离心式压缩机的缺点：
往复泵出口压力和流量控制
? 喘振；
? 轴向推力大等。
大型离心式压缩机需要设立的自控系统： ①气量控制系统； ②防喘振控制系统； ③压缩机油路控制系统；
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。
10.3 离心式压缩机的防喘振控制
一、喘振现象及原因?当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排出量时多时少，忽进忽出，发生强烈震荡，并发出如同哮喘病人“喘气”的噪声。这种现象就是离心式压缩机的喘振，或称“飞动”。
?喘振是离心式压缩机的固有特性，由特性曲线呈驼峰型而引起的；如图
从稳定工作点、部能量平衡来解释：M1点是稳定工作点：
M 点是不稳定工作点：
把不同转速下特性曲线的极值点连接起来，所得曲线称为喘振极限线。引起离心式压缩机喘振的直接原因是负荷的下降，使工作流量Q 1小于极限流量Q p 。
引起离心式压缩机喘振得直接原因是负荷的下降，另外还有工艺上的原因：
M
排出量Q → ↑ n 1
n 2
n 3
P 2/p 1
Q p1 Q p2 Q p3 喘振区
工作区
离心式压缩机喘振极限线
a ）气体的吸入状态的变化；
b ）管网阻力的变化使管道特性发生变化。
二、防喘振控制系统?喘振控制系统设计思路：
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Q p 。即当负荷减少时，采取部分回流的方法，保证Q>Q p 。
1、固定极限流量防喘振控制
2、可变极限流量防喘振控制
1、 固定极限流量防喘振控制
具有实现简单、使用仪表少、可靠性高的优点。但当旁路阀打开，部分气体回流，造成能量的浪费。
适用于固定转速的场合或负荷不经常变化的生产装置。
Q
吸入状态变化与喘振关系 Q
管路阻力变化与喘振关系
固定极限流量防喘振控制方案 Q p
喘振极限值
2、可变极限流量防喘振控制 它是在整个压缩机负荷变化围，设置极限流量跟随转速而变的一种防喘振控制。
实现可变极限流量防喘振控制，关键是确定压缩机喘振极限线方程。需解决两个问题： ①安全操作线的数学方程的建立；
② 用仪表等技术工具实现上述数学方程的运算。
安全操作线可用一个抛物线方程来近似，它由生产厂给出，常用的几种形式：
下面以（10-3）所示的操作线，说明如何组成一个可变极限流量防喘振控制系统。（10-3）经推导得到：
喘振极限线于安全线 Q 2
2
1212110121
2112Q H Q a Q a a p p T Q b a p p ?=++=+=多变（10-3） （10-4） （10-5）
()()12122
1ap p m ap p bK r
p -=-=?
可变极限流量防喘振控制系统之一