流体输送控制课件

4流体输送设备的控制1/16/202414.1概述在石油、化工生产过程中，因工艺的需要，常需要将流体由低处送至高处，由低压设备送到高压设备，为了到达这些目的，必须对流体做功，以提高流体的能量，完成输送任务。流体输送控制系统的控制目标是保持被控流量保持恒定〔定值控制〕或跟随另一个流体流量变化〔比值控制〕保证流体输送设备的平安运行

1/16/20242流体输送设备用于输送流体和提高流体压头的机械设备通称为流体输送设备。输送液体和提高其压力的机械称为泵，输送气体并提高其压力的机械称为风机和压缩机。4.1概述1/16/202431/16/20244流量控制系统的特点控制通道的对象时间常数小 只需采用PI调节器，无须引入微分作用；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，以减小调节阀的振动；4.1概述静态非线性 应考虑选用适宜的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。1/16/202454.2泵和压缩机的根本控制4.2.1、离心泵的根本控制离心泵的工作原理工作前，泵体和进水管必须灌满水形成真空状态，当叶轮快速转动时，叶片促使水很快旋转，旋转着离心泵的工作原理是：离心泵所以能把水送出去是由于离心力的作用。水泵在的水在离心力的作用下从叶轮中飞出，泵内的水被抛出后，叶轮的中心局部形成真空区域。水源的水在大气压力或水压的作用下通过管网压到了进水管内。这样循环不已，就可以实现连续抽水。1/16/20246离心泵的工作点

离心泵特性与管路特性的交点。交点与泵转速、管路阻力及分布、控制阀开度等有关4.2.1、离心泵的根本控制1/16/202491、直接节流法控制原理：通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。即改变hv从而改变工作点，关小控制阀，hv增加，流量下降，压头上升4.2.1、离心泵的根本控制HL1HL2HL3C1C2C3HQFC1/16/202410控制阀不应装在泵的吸入口可防止气缚和气蚀节流装置安装在阀上游，有利于提高测量精度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。4.2.1、离心泵的根本控制注意：1/16/202411优点：采用阀门调节流量快速简便，且流量可连续变化，适合化工连续生产的要求，因此应用广泛。缺点：是当关小阀门时，管路阻力增加，消耗局部额外的能量，实际上是人为增加管路阻力来适应泵的特性。且在调节幅度较大时，往往使离心泵不在高效区下工作，机械效率差不是很经济。4.2.1、离心泵的根本控制1/16/202412调节泵的转速

调节原理：改变泵的转速，使离心泵流量特性形状变化，以控制管道流量。特点：节能，调节平稳，但投资较大。4.2.1、离心泵的根本控制FC调转速1/16/202413采用的调速方法①当电动机为原动机时，采用电动调速装置②当汽轮机为原动机时，采用调节导向叶片角度或蒸汽流量。③采用变频调速器，或利用原动机与泵联结轴的变速器。4.2.1、离心泵的根本控制1/16/202414特点采用这种控制方案时，在液体输送管线上不需要安装控制阀，因此，不存在hv项的阻力损耗，机械效率较高。该控制方案在重要的大功率离心泵装置中，有逐渐扩大采用的趋势。但具体实现这种方案较复杂，所需设备费用亦较高。4.2.1、离心泵的根本控制1/16/202415旁路控制原理：改变管路特性，以改变交点，进而改变管道中的流量4.2.1、离心泵的根本控制1/16/202416特点结构简单，控制阀口径相对较小，但由泵供给的能量消耗于控制阀旁路的那局部液体，因此，总机械效率较低。当流体黏度高或液体流量测量较困难，而管路阻力较恒定时，该控制方案可采用压力作为被控变量，稳定出口压力，间接控制流量。4.2.1、离心泵的根本控制1/16/2024174.2.2、容积式泵的控制方案

容积式泵有两类，一类是往复泵，包括活塞式、柱塞式等，另一类是直接位移式旋转泵，包括椭圆齿轮式、螺杆式等。这类泵的排量与管路阻力根本无关，故绝不能采用出口处直接节流的方法来控制排量，一旦出口阀关死，将造成泵损、机毁的危险。1/16/202418容积式泵流量特性4.2.2、容积式泵的控制方案

特性：泵的排出量是脉冲式的，与管路系统无关往复泵特性：与转速、冲程大小及活塞截面积等有关旋转泵特性：与转速及空腔大小等有关1/16/202419容积式泵常用的控制方式

4.2.2、容积式泵的控制方案

不能单独用泵出口的节流控制调节原动机转速或往复泵冲程：多数情况下，这种方法调节冲程机构较复杂，且有一定的难度，只有在一些计量泵等特殊往复泵才考虑采用。旁路控制：与离心泵旁路控制相同旁路控制压力：出口节流控制流量，系统有关联采用双阀〔一气开一气关〕或三通控制阀，既旁路又节流1/16/2024204.2.2、容积式泵的控制方案1/16/202421容积式泵的流量控制特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案。4.2.2、容积式泵的控制方案

1/16/202422往复泵的流量控制特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或上述控制方案。4.2.2、容积式泵的控制方案

式中n——每分钟的往复次数；F——气缸的截面积，m2；s——活塞冲程，m。1/16/202423压缩机的分类:★往复式压缩机：流量小，压缩比高场合★离心式压缩机：流量大，体积小，效率高，维护方便4.2.3、压缩机的控制

1/16/202424

4.2.3、压缩机的控制

1/16/2024254.3、离心式压缩机防喘振控制离心压缩机的工作特性：工作特性指一定转速下，出口压力与流量的关系离心压缩机的喘振现象离心压缩机运行中，负荷减小到某一值时，气体排出流量减少并倒流，造成压缩机剧烈振动的现象，又称飞动喘振的原因：内因：叶轮结构和介质特性造成一定的工作特性外因：流量减小或被压缩气体介质的特性变化1/16/202426

喘振的影响流量不稳定，出现周期性的脉动流量使压缩机设备损坏。如1986年美国压缩机喘振损失100万美元使相应管网设备损坏4.3、离心式压缩机防喘振控制A处，如Q↓，那么P↑，到B点，Q↓，那么气体倒流到C点，Q=0，气体累积，C→D→A，Q↑→Q↓，气体在叶轮中反复冲击，造成吼叫喘振声。C到D变化快，故称飞动1/16/202427喘振：在入口流量小于喘振流量Qp时离心压缩机出现的流量脉动现象。振动：高速旋转设备固有特性。旋转设备高速运转到达某一转速时，使转轴强烈振动的现象。它是因旋转设备具有自由振动频率〔称为自由振动频率〕，转速到达该自由振动频率的倍数时，出现的谐振。转速继续升高或降低时，这种振动会消失。阻塞：压缩机流量过大时，气体流速接近或到达音速〔315m/s〕，压缩机叶轮对气体所做功全部用于克服流动损失，气体压力不再升高的现象。4.3、离心式压缩机防喘振控制振动、喘振和阻塞1/16/2024284.3.1、离心式压缩机的特性曲线P2/P1为压缩机出口压力与进口压力〔均为绝压〕之比，或称压缩比；n为压缩机的转速；Q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，可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。1/16/202429流体输送设备的喘振现象例如泵刚启动时，液位为1-1，对应管路特性为I，工作点为QM，QA<QM.液位为2-2，对应管路特性为Ⅱ，工作点为QN，QA<QN.液位为3-3，对应管路特性为Ⅲ，工作点为QO，4.3.1、离心式压缩机的特性曲线工作点的变化过程：QM→QN→QO→QP→QN→QO→...1/16/202430产生喘振的条件流体输送设备的特性曲线为驼峰型 即管路特性与输送设备的特性曲线存在两个交点；管线中存在能贮存和释放能量的容器。4.3.1、离心式压缩机的特性曲线1/16/2024314.3.2、防喘振操作线方程P2：出口压力

P1进口压力

Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。实际喘振线是过原点的一根抛物线表示工作在稳定区表示工作在非稳定〔喘振〕区1/16/2024324.3.2、防喘振操作线方程Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。1/16/202433固定极限流量防喘振控制：吸入流量Q>Qp,不开旁路阀

策略：最大转速和最高温度下的喘振流量作为固定极限流量Qp

固定极限防喘振控制系统4.3.2、防喘振控制方案1/16/202434固定极限防喘振控制系统当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀翻开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值.问题：调节阀选型，控制器作用方向选择，与防积分饱和方法？4.3.2、防喘振控制方案1/16/202435

与一般旁路控制的区别：一般旁路控制固定极限流量防喘振控制控制出口流量，流量过大开旁路阀控制进口流量，流量过小开旁路阀旁路阀正常时有一定开度正常时，旁路阀关闭偏差不会长期存在，无积分饱和正常时偏差长期存在，有积分饱和固定极限防喘振控制系统4.3.2、防喘振控制方案1/16/202436固定极限防喘振控制系统固定极限流量的防喘振控制方案结构简单，运行平安可靠，系统投资费用较少可靠这种方法主要适用于固定转速的场合。当压缩机的转速变化时，如按高转速取给定值，势必低转速时给定值偏高，能耗过大；如按低转速取给定值，那么在高转速时仍有因给定值偏低而使压缩机产生喘振的危险。因此，当压缩机的转速不恒定时，一般不宜采用这种控制方案。4.3.2、防喘振控制方案1/16/202437采用差压计测流量时的平安操作线4.3.2、防喘振操作线方程可变极限防喘振控制系统1/16/202438可变极限防喘振控制系统问题：假设流量测量在出口处，如何推导得到防喘振平安操作线？4.3.2、防喘振控制方案1/16/202439可变极限防喘振控制系统特点：采用孔板测量入口流量，可不必采用开方器按计算指标计算设定值的单回路控制系统控制回路中不含计算单元，参数整定简单有些场合，计算式可简化：a=0，

a=1，4.3.2、防喘振控制方案1/16/202440问题的提出：入口流量无法测量〔如无正常位置、入口压力低不允许大的压损等〕采用出口流量的测量实现可变极限流量防喘振控制测量出口流量的可变极限流量防喘振控制4.3.2、防喘振控制方案依据：出口处测得的重量流量和入口处测得的重量流量是相等的设入口和出口孔板的校正系数K1和K2相等1/16/202441特点：采用孔板测量出口流量，可允许较大的压力损失

可用于高压缩比的场合

需要考虑出口和入口温度〔重度变化〕的影响有些场合，计算式可更简化测量出口流量的可变极限流量防喘振控制4.3.2、防喘振控制方案1/16/202442串联运行时的防喘振控制

当一台压缩机的出口压力不够时，采用两台或两台以上的压缩机串联运行

各个压缩机单独设置各自的旁路阀：如上各自设置

设置一个旁路阀，从第

二级出口到第一级入口

间设置旁路阀。采用低

选器选择两个控制器中

的低值信号送旁路阀

4.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制1/16/2024434.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制1/16/202444并联运行时的防喘振控制

当流量不够时，采用两台或两台以上的压缩机并联运行

单独设置各自的旁路阀

选用低选器，共用一个

旁路阀，可实现单台压缩

机运行

4.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制1/16/2024454.3.3离心压缩机串并联时的防喘振控制1/16/202446尽量不要采用压缩机的串并联运行串联运行时，后级的管网容量小。易发生喘振并联运行时，两台压缩机应尽量特性一致存在积分饱和问题，可采用低选器输出作为积分外反响从平安角度出发，常选用低选器，相应的流量控制器常选用正作用控制器串并联运行增加控制的复杂性和工艺操作的复杂性实施离心压缩机串并联运行时的本卷须知1/16/202447二氧化碳压缩机用于二氧化碳的压缩，用气量用汽轮机转速控制1、吸入总管压力控制:压力高时放空〔选气关阀〕2、吸入流量FC与汽轮机转速SC的串级控制〔工况正常时〕3、吸入流量F