流体输送设备的控制.ppt
2023/6/29,1,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：,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。,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。,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。,2023/6/29,2,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：,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。,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,1、离心泵,往复泵 旋转泵,由叶轮、机壳组成，叶轮在电机带动下高速旋转,2023/6/29,3,离心泵结构,往复泵,旋转泵,2023/6/29,4,压头,转速,旋转叶轮作用在液体上的离心力,离心力,压头,泵的特性：压头 与排量及转速 之间的关系,经验公式：,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。,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,如图所示管路系统阻力包括：,管路两端静压差引起的压头,流体提升一定高度所需压头,克服管路摩擦损失所需压头hf,2023/6/29,5,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。,和 流量的关系称为管路特性,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。,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。,2023/6/29,6,(1)直流节流法,离心泵工作点流量控制方案：,2023/6/29,7,(2)改变泵的转速n,(3)通过旁路控制,2023/6/29,8,2、离心式压缩机,优点：压缩机的润滑油等不污染被输送的气体 调节性能好，调节气量的变化范围广 运行效率高、维修方便，元器件不易损坏 流量大，体积小，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：,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,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。,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,2023/6/29,9,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。,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,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 单级离心式制冷压缩机,2023/6/29,10,3.3 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P2/P1Q；效率和流量关系曲线Q；功率和流量之间关系曲线NQ。,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。,2023/6/29,11,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HQ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：,2023/6/29,12,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：泵的HQ特性曲线呈驼峰状；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。,2023/6/29,13,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,负荷减小到一定程度最常见原因；,被压缩气体的吸入状态：如分子量、温度、压力等的变化。,吸入气体的分子量变化：同样的吸入气体流量QA下，分子量增大，压缩机进入喘振区。,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。,2023/6/29,14,吸入气体温度的变化：,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。,2023/6/29,15,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,经验公式,：吸入气体的绝对温度,：吸入体积流量,：吸入口、排出口的绝对压力,：为常数，由厂家给出,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：,2023/6/29,16,用差压法测流量,令：,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。,代入气体方程,代入经验公式：,2023/6/29,17,3.3.4 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，为使压缩机不出现喘振，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：,假设 为压缩机达到最高转速所对应的喘振极限流量，只要满足，压缩机就不会出现喘振。,打开旁路阀，返回部分气体 旁路阀关闭,2023/6/29,18,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？为什么？,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,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：,2023/6/29,19,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；,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；,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。,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,防喘振流量控制系统确保气压机安全运行。,注意：,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：,2023/6/29,20,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,U2:将气压机入口表压转换成绝压再除U1的输出，完成P2/P1运算。,U3:对U2输出信号作乘系数加偏置运算，结果作为FC的设定值。,U4:将气压机入口表压转换成绝压再除流量差压信号P，完成P/P1运算，结果作为FC的测量值。，,2023/6/29,21,谢 谢！,2023/6/29,22,3.4 压缩机的串并联运行及其控制,3.4.1 压缩机的串联运行,一些生产过程中，采用一个离心式压缩机压头不能满足要求时，就需要两台或两台以上压缩机串联运行，因此每台压缩机都应防喘振，才能保证设备的正常运行。因一台提供的压头不够，故不能采用两台单独的旁路回流量控制。,若每一台都有自己的旁路,第二台的吸入流量可能会很低,使防振控制不易实施。常采用第二台出口到第一台入口一个旁路返回，而每一台有自己的防喘振控制器，两台控制器的输出经低LS输出去控制旁路阀。LS的作用是只要有一台出现喘振就打开旁路阀，以防喘振发生。,2023/6/29,23,3.4.2 压缩机的并联运行,下图中，A、B机均设防喘振控制，各有自己的旁路管线，因此无论哪一台压缩机打开旁路，均将影响压缩机的吸入条件及两台压缩机的性能。,在生产过程中，当一台压缩机的流量(气体量)不能满足要求时，就需两台或两台以上的压缩机并联运行。,并联运行与单机运行具有相似的控制问题，由于每一台压缩机的变化都将影响其它台的操作情况，因而控制问题更为复杂。,2023/6/29,24,为解决这一关联问题，需对负荷作合理分配，各有适当回流量，而总输出量为2QB2。,离心式压缩机并联运行时的负荷分配,当两台压缩机运行在60%负荷情况下，将有两个方面的问题需要解决：,两台压缩机负荷的合理分配,A、B压缩机在同转速下稍有差异，B较A更易出现喘振。,当总量减少时，B流量由QB1下降到QB2时将出现喘振，但A却仍处于安全运行状态。当B防喘振系统打开旁路阀时，为达到负荷合理分配，需加快A的转速，B也适当加快，在增大流量的基础上打开旁路阀，并保持出口压力P2稳定。,A增加到 QA2+0.3(QB2-QA2);B增加到 QB2+0.7(QB2-QA2),看图：,2023/6/29,25,控制方案如图：图中表示B机的负荷分配方案。,本方案现场实际调试和运行表明，在打开旁路有气体回流、影响吸入压力不大的情况下是行之有效的。,离心式压缩机的串、并联运行方案实在工艺上单机无法满足要求时提出的，串亮是为增压，并联是为扩大输出气量。从效率角度看都不是推荐的使用方法，并给防喘振控制系统带来复杂性。,在最大效率下操作,2023/6/29,26,方案成立的前提是两台压缩机的特性必须相同或十分相似。,切换开关的作用是可以实现两台压缩机独立运行时的防喘振控制,离心式压缩机并联运行的防喘振控制方案,构成：一台运算器、一台防喘振流量控制器、一台低选器、一个切换开关、一个控制阀。,当开关位于自动时，构成一个自动选择性控制系统。,2023/6/29,27,1、催化裂化装置气压机防喘振控制,其实际的方案如图：,两个控制系统：,气压机转速控制，即压力控制系统,防喘振控制系统，使系统满足：,求和运算还包括将表压转换绝对压力。,两边除以P1,FC的测量值,FC的给定值,3.5 实例分析,2023/6/29,28,习 题,何谓泵的特性？用曲线和公式表示出来。何谓谓管路特性？用曲线和公式表示出来。离心泵系统达到稳定状态的条件是什么？如何实现？大型离心式压缩机通常有几种控制系统？什么是离心式压缩机的“喘振”？引起喘振的因素有哪些？画图说明离心泵工作点稳定与不稳定的判别方法。离心泵工作中产生不稳定工况的条件是什么？压缩机防喘振的基本思想是什么？常用方法有几种？试画出固定极限流量法和可变极限流量法两种防喘振控制方案的示意图，并说明设计防喘振控制系统时应注意的问题。离心式压缩机的串、并联运行方案的目的各是什么？,
