流体输送设备的控制
     控制方案的确定是实现化工生产过程自动化的重要环节。要设计出一个好的控制方案,必须深入了解生产工艺,按化学工程的内在机理来探讨其自动控制方案。化工单元操作按其物理和化学变化及加工方式来分,主要有动量传递过程、热量传递过程、质量传递过程和化学反应过程。操作设备种类繁多,控制方案也因不同对象而异。这里只选择一些典型化工单元为例进行讨论。有关单元设备的结构、原理和特性,在有关课程中已经学过。本章只从自动控制的角度出发,根据对象特性和控制要求,分析典型化工操作单元中若干具有代表性的设备的控制方案,从中阐明设计控制方案的共同原则和方法。
 

                  第一节  流体输送设备的控制

    
 
  在化工生产中,各种物料大多数是在连续流动状态下,或是进行传热,或是进行传质和化学反应等过程。为使物料便于输送、控制,多数物料是以气态或液态方式在管道内流动。倘若是固态物料,有时也进行流态化。流体的输送,是一个动量传递过程,流体在管道内流动,从泵或压缩机等输送设备获得能量,以克服流动阻力。泵是液体的输送设备,压缩机则是气体的输送设备。

    流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。在连续性化工生产过程中,除了某些特殊情况,如泵的启停、压缩机的程序控制和信号联锁外,对流体输送设备的控制,多数是属于流量或压力的控制,如定值控制、比值控制及以流量作为副变量的串级控制等。此外,还有为保护输送设备不致损坏的一些保护性控制方案,如离心式压缩机的“防喘振”控制方案。

    一、离心系的控制方案

    离心泵是最常见的液体输送设备。它的压头是由旋转翼轮作用于液体的离心力而产生的。转速越高,则离心力越大,压头也越高。

离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上。流量控制在化工厂中是常见的,例如进入化学反应器的原料量需要维持恒定、精馏塔的进料量或回流量需要维持恒定等。

    离心泵的流量控制大体有三种方法。

    1.控制系的出口阀门开度

通过控制泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图1所示。当干扰作用使被控变量(流量)发生变化偏离给定值时,控制器发出控制信号,阀门动作,控制结果使流量回到给定值。

                    

    改变出口阀门的开启度就是改变管路上的阻力,为什么阻力的变化就能引起流量的变化呢?这得从离心泵本身的特性加以解释。

    在一定转速下,离心泵的排出流量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系,如图2曲线A所示。在不同流量下,泵所能提供的压头是不同的,曲线A称为泵的流量特性曲线。泵提供的压头又必须与管路上的阻力相平衡才能进行操作。克服管路阻力所需压头大小随流量的增加而增加,如曲线1所示。曲线1称为管路特性曲线。曲线A与曲线1的交点C1即为进行操作的工作点。此时泵所产生的压头正好用来克服管路的阻力,Cl点对应的流量Q1即为泵的实际出口流量。

当控制阀开启度发生变化时,由于转速是恒定的,所以泵的特性没有变化,即图2中的曲线A没有变化。但管路上的阻力却发生了变化,即管路特性曲线不再是曲线1,随着控制阀的关小,可能变为曲线2或曲线3了。工作点就由C1移向C2或C3,出口流量也由Ql改变为Q2或Q3,如图2所示。以上就是通过控制泵的出口阀开启度来改变排出流量的基本原理。

     

  图2  泵的流量特性曲线          图3  改变泵的转速控制流量

        与管路特性曲线
 

    采用本方案时,要注意控制阀一般应该安装在泵的出口管线上,而不应该安装在泵的吸入管线上(特殊情况除外)。这是因为控制阀在正常工作时,需要有一定的压降,而离心泵的吸入高度是有限的。

    控制出口阀门开启度的方案简单可行,是应用最为广泛的方案。但是,此方案总的机械效率较低,特别是控制阀开度较小时,阀上压降较大,对于大功率的泵,损耗的功率相当大,因此是不经济的。

    2.控制泵的转速

    当泵的转速改变时,泵的流量特性曲线会发生改变。图3中曲线1、2、3表示转速分别为n1、n2、n3时的流量特性,且有nl>n2>n3。在同样的流量情况下,泵的转速提高会使压头H增加。在一定的管路特性曲线B的情况下,减小泵的转速,会使工作点由C1移向C2或C3,流量相应也由Q1减少到Q2或Q3

    这种方案从能量消耗的角度来衡量最为经济,机械效率较高,但调速机构一般较复杂,所以多用在蒸汽透平驱动离心泵的场合,此时仅需控制蒸汽量即可控制转速。

    3.控制泵的出口旁路

    如图4所示,将泵的部分排出量重新送回到吸入管路,用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量。

控制阀装在旁路上,由于压差大,流量小,所以控制阀的尺寸可以选得比装在出口管道上的小得多。但是这种方案不经济,因为旁路阀消耗一部分高压液体能量,使总的机械效率降低,故很少采用。

     

 图4改变旁路阀控制流量    图5 改变转速的方案
 

     二、往复泵的控制方案

    往复泵也是常见的流体输送机械,多用于流量较小、压头要求较高的场合,它是利用活塞在气缸中往复滑行来输送流体的。

    往复泵提供的理论流量可按下式计算:

            

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。

    由上述计算公式中可清楚地看出,从泵体角度来说,影响往复泵出口流量变化的仅有n、F、s三个参数,或者说只能通过改变n、F、s来控制流量。了解这一点对设计流量控制方案很有帮助。常用的流量控制方案有三种。

    1.改变原动机的转速

    这种方案适用于以蒸汽机或汽轮机作原动机的场合,此时,可借助于改变蒸汽流量的方法方便地控制转速,进而控制往复泵的出口流量,如图5所示。当用电动机作原动机时,由于调速机构较复杂,故很少采用。

    2.控制泵的出口旁路

如图6所示,用改变旁路阀开度的方法来控制实际排出量。这种方案由于高压流体的部分能量要白白消耗在旁路上,故经济性较差。

      

  图6  改变旁路流量              往复泵的特性曲线
 

     3.改变冲程S

    计量泵常用改变冲程S来进行流量控制。冲程S的调整可在停泵时进行,也有可在运转状态下进行的。

    往复泵的前两种控制方案,原则上亦适用于其他直接位移式的泵,如齿轮泵等。

    往复泵的出口管道上不允许安装控制阀,这是因为往复泵活塞每往返一次,总有一定体积的流体排出。当在出口管线上节流时,压头H会大幅度增加。上图是往复泵的压头H与流量Q之间的特性曲线。在一定的转速下,随着流量的减少压头急剧增加。因此,企图用改变出口管道阻力既达不到控制流量的目的,又极易导致泵体损坏。

   三、压气机的控制方案

    压气机和泵同为输送流体的机械,其区别在于压气机是提高气体的压力。气体是可以压缩的,所以要考虑压力对密度的影响。

    压气机的种类很多,按其作用原理不同可分为离心式和往复式两大类;按进、出口压力高低的差别,可分为真空泵、鼓风机、压缩机等类型。在制定控制方案时必须考虑到各自的特点。

    压气机的控制方案与泵的控制方案有很多相似之处,被控变量同样是流量或压力,控制手段大体上可分为三类。

    1.直接控制流量

对于低压的离心式鼓风机,一般可在其出口直接用控制阀控制流量。由于管径较大,执行器可采用蝶阀。其余情况下,为了防止出口压力过高,通常在入口端控制流量。因为气体的可压缩性,所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。在控制阀关小时,会在压缩机入口端引成负压,这就意味着,吸入同样容积的气体,其质量流量减少了。流量降低到额定值的50%~70%以下时,负压严重,压缩机效率大为降低。这种情况下,可采用分程控制方案,如图7所示。出口流量控制器FC操纵两个控制阀。吸入阀只能关小到一定开度,如果需要的流量更小,则应打开旁路阀2,以避免入口端负压严重。两只阀的特性见图8。

       

     图7  分程控制方案                  图8  分程阀的特性
 

    为了减少阻力损失,对大型压缩机,往往不用控制吸入阀的方法,而用调整导向叶片角度的方法。

    2.控制旁路流量

它和泵的控制方案相同,见图9。对于压缩比很高的多段压缩机,从出口直接旁路回到入口是不适宜的。这样控制阀前后压差太大,功率损耗太大。为了解决这个问题,可以在中间某段安装控制阀,使其回到入口端,用一只控制阀可满足一定工作范围的需要。

                     


   
3.调节转速

压气机的流量控制可以通过调节原动机的转速来达到,这种方案效率最高,节能最好,问题在于调速机构一般比较复杂,没有前两种方法简便。

    四、离心式压缩机的防喘振控制

    1.离心式压缩机的特性曲线及喘振现象

    近年来,离心式压缩机的应用日益增加,对于这类压缩机的控制,还有一个特殊的问题,就是“喘振”现象。

    图10是离心式压缩机的特性曲线,即压缩机的出口与入口的绝对压力之比p2/p1与进口体积流量Q之间的关系曲线。图中n是离心机的转速,且有n1<n2<n3。由图可见,对应于不同转速n的每一条p2/p1~Q曲线,都有一个最高点。此点之右,降低压缩比p2/p1会使流量增大,即ΔQ/Δ(p2/p1)为负值。在这种情况下,压缩机有自衡能力,表现在因干扰作用使出口管网的压力下降时,压缩机能自发地增大排出量,提高压力建立新的平衡;此点之左,降低压缩比,反而使流量减少,即ΔQ/Δ(p2/p1)为正值,这样的对象是不稳定的,这时,如果因干扰作用使出口管网的压力下降时,压缩机不但不增加输出流量,反而减少排出量,致使管网压力进一步下降,因此,离心式压缩机特性曲线的最高点是压缩机能否稳定操作的分界点。在图10中,联接最高点的虚线是一条表征压缩机能否稳定操作的极限曲线,在虚线的右侧为正常运行区,在虚线的左侧,即图中的阴影部分是不稳定区。

    

   图10 离心式压缩机特性曲线            图11  喘振现象示意图
 

     对于离心式压缩机,若由于压缩机的负荷(即流量)减少,使工作点进入不稳定区,将会出现一种危害极大的“喘振”现象。图   11是说明离心式压缩机喘振现象的示意图。图中QB是在固定转速n的条件下对应于最大压缩比(p2/p1B的体积流量,它是压缩机能否正常操作的极限流量。设压缩机的工作点原处于正常运行区的点A,由于负荷减少,工作点将沿着曲线ABC方向移动,在点B处压缩机达到最大压缩比。若继续减小负荷,则工作点将落到不稳定区,此时出口压力减小,但与压缩机相连的管路系统在此瞬间的压力不会突变,管网压力反而高于压缩机出口压力,于是发生气体倒流现象,工作点迅速下降到C。由于压缩机在继续运转,当压缩机出口压力达到管路系统压力后,又开始向管路系统输送气体,于是压缩机的工作点由点C突变到点D,但此时的流量QD>QB,超过了工艺要求的负荷量,系统压力被迫升高,工作点又将沿DAB曲线下降到C。压缩机工作点这种反复迅速突变的过程,好象工作点在“飞动”,所以产生这种现象时,又被称作压缩机的飞动。人们之所以称它为喘振,是由于出现这一现象时,由于气体由压缩机忽进忽出,使转子受到交变负荷,机身发生振动并波及到相连的管线,表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。如果与机身相连接的管网容量较小并严密,则可听到周期性的如同哮喘病人“喘气”般的噪声;而当管网音量较大,喘振时会发生周期性间断的吼响声,并使止逆阀发出撞击声,它将使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈振动,甚至使压缩机遭到破坏。

    喘振是离心式压缩机所固有的特性,每一台离心式压缩机都有其一定的瑞振区域。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因;此外,被输送气体的吸入状态,如温度、压力等的变化,也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲,吸入气体的温度或压力越低,压缩机越容易进入喘振区。

    2.防喘振控制方案

    由上可知,离心式压缩机产生端振现象的主要原因是由于负荷降低,排气量小于极限值QB而引起的,只要使压缩机的吸气量大于或等于在该工况下的极限排气量即可防止喘振。工业生产上常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种,现简述如下。

(1)固定权限流量法  对于工作在一定转速下的离心式压缩机,都有一个进入喘振区的极限流量QB,为了安全起见,规定一

个压缩机吸入流量的最小值QP,且有QP<QB固定极限流量法防喘振控制的目的就是在当负荷变化时,始终保证压缩机的入口流量Q1不低于 QP值。图12是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案,这种控制方案与图9所示的旁路控制在形式上相同,但其控制目的、测量点的位置不一样。在这种方案中,测量点在压缩机的吸入管线上,流量控制器的给定值为QP,当压缩机的排气量因负荷变小且小于QP时,则开大旁路控制阀以加大回流量,保证吸入流量Q1>QP,从而避免喘振现象的产生。

本方案结构简单,运行安全可靠,投资费用较少,但当压缩机的转速变化时,如按高转速取给定值,势必在低转速时给定值偏高,能耗过大;如按低转速取给定值,则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,当压缩机的转速不是恒定值时,不宜采用这种控制方案。

                      
 图12
喘振旁路控制       图13防喘振曲线
 

(2)      可变极限流量法  当压缩机的转速可变时,进入喘振区的权限流量也是变化的。图l3上的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机特性曲线的最高点的连线。只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧,就可以避免喘振发生。但为了安全起见,实际工作点应控制在安全操作线的右侧。安全操作线近似为抛物线,其方程可用下列近似公式表示:

                               (2)

式中Tl——入口端绝对温度;

     Q1——入口流量;

     a,b——系数,一般由压缩机制造厂提供。

p1、p2、T1、Q1可以用测试方法得到。如果压缩比,工况是安全的;如果压缩比,其工况将可能产生喘振。

假定在压缩机的入口端通过测量压差ΔP1来测量流量Q1,ΔP1与Q1的关系为:

         (3)

式中  P——介质密度;

      K——比例系数。

根据气体方程可知:

   

式中  z——气体压缩因子;

      R——气体常数;

     T1——入口气体的绝对温度;

     P1——入口气体的绝对压力;

     M——气体分子量。

将上式代入式(3),可得:

   (4)

其中  ,是一个常数。

将式(4)代入式(2),得

           (5)

因此,为了防止喘振,应有:

             (6)

14就是根据式(6)所设计的一种防喘振控制方案。压缩机入口、出口压力plp2经过测量、变送器以后送往加法器∑,得到(p2-ap1)信号,然后乘以系数r/bK2,作为防喘振控制器FC的给定值。控制器的测量值是测量入口流量的压差经过变送器

                  
14  变极限流量防喘振控制方案

后的信号。当测量值大于给定值时,压缩机工作在正常运行区,旁路阀是关闭的;当测量值小于给定值时,这时需要打开旁路阀以保证压缩机的入口流量不小于给定值。这种方案属于可变极限流量法的防喘振控制方案,这时控制器FC的给定值是经过运算得到的,因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值,而且由于这种方案将运算部分放在闭合回路之外,因此可象单回路流量控制系统那样整定控制器参数。

   

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日期: 2009/6/1 9:09:41
作者: 史继斌
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