典型化工单元的控
制方案
1
第九章典型化工单元的控制方案
石油、化工生产过程是最具有代表性的过程工业。
该生产过程是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的。
按照石油、化工生产过程中的物理和化学变化来分, 主要有流体输送过程、传热过程、传质过程和化学反应过程四类。
下面将以这四种基本单元操作中的代表性装置为例, 讨论其基本控制方案。
第一节流体输送设备的控制方案
石油、化工生产过程中, 大部分物料都是以液、气形态在密闭的管道、容器中进行物质、能量的传递。
为了输送液、气形态物料, 就必须用泵、压缩机等设备对流体做功, 使得流体获得能量, 从一端输送到另一端。
输送流体的设备统称为流体输送设备。
其中输送液体的机械称为泵, 输送气体的机械称为风机和压缩机。
流体输送设备的控制主要是流量的控制。
控制系统的被控对象一般是管路, 其被控变量与操纵变量是同一物料的流量。
流量控制系统被控对象的的时间常数很小, 因此基本上是能够看作是一个放大环节。
另外还需注意的是流量控制系统的广义对象静态特性是非线性的, 特别是采用节流装置而不加开方器进行流量的测量变送时更为明显。
一、泵的常规控制
按作用原理可将泵分为:
1.往复式泵: 活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵和比例泵
等。
2.旋转式泵: 齿轮泵、螺杆泵、转子泵和叶片泵等。
3.离心泵。
根据泵的特性又可分为离心泵和容积泵两大类。
石油、化工等生产过程中离心泵的使用最为广泛, 因此下面侧重介绍离心泵的特性及其控制方案。
1．离心泵的控制方案
离心泵主要由叶轮和泵壳组成, 高速旋转的叶轮作用于液体而产生离心力, 在离心力的作用下使得离心泵出口压头升高。
转速越高, 离心力越大, 压头也越高。
因离心泵的叶轮与机壳之间存有空隙, 因此当泵的出口阀完全关闭时, 液体将在泵体内循环, 泵的排量为零, 压头接近最高值。
此时对泵所作的功被转化为热能向外散发, 同时泵内液体也发热升温, 故离心泵的出口阀能够关闭, 但不宜处于长时间关闭的运转状态。
随着出口阀的逐步开启, 排出量也随之增大, 而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, 称为泵的特性, 可用图9．1-1来表示。
H=R 1n 2-R 2Q 2
(9—1)
式(9—1)中 R 1、 R 2为比例常数。
由于泵输送的是流体, 总是与工艺系统管路一起工作的, 分析泵的实际排量与出口压头时, 除了与泵本身的特性有关外, 也需考虑到与其相连接的管路特性。
因此必须对管路特性作一些分析。
管路特性就是管路系统中流体流量与管路系统阻力之间的关系。
一般管路系统的阻力包含四项内容, 如图9．1-2所示。
四项阻力分别为:
压头图9．1-2 管路特压图9．1-1 离心泵特性
①管路两端的静压差引起的压头h p。
g p
p h
pρ1
2-
=
式中p1、p2分别是管路系统的入口与出口处的压力, ρ为流体的密度, g为重力加速度。
由于工艺系统在正常操作时p1、 p2基本稳定, 因此这项也是比较平稳的。
②管路两端的升扬高度h L。
工艺系统中管路和设备安装就绪后, 这项将是恒定的。
③管路中的摩擦损失压头h f。
h f与流量的平方值近似成比例关系。
④控制阀两端节流损失压头h v。
在阀门开度一定时, h v也与流量的平方值成正比关系, 当阀门的开度变化时, h v也跟着变化。
管路总阻力为H L, 则:
H L＝h p十h L十h v十h f
(9—2)
式(9—2)即为管路特性的表示式, 图9．1-2中画出了它的特性曲线。
当系统达到稳定工作状态时, 泵的压头H必然等于H L, 这是建立平衡的条件。
图9．1-2中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C, 即是泵的一个平衡工作点。
工作点C的流量应符合工艺预定的要求, 能够经过改变h v或其它的手段来满足这一要求, 这也是离心泵的压力(流量)的控制方案的主要依据。
(1)直接节流法
改变直接节流阀的开度, 即改变了管路特性, 从而改变了平衡工作点C的位置, 达到控制的目的。
图9．1-3表示了系统工作点的移动情况及控制方案的实施。
需要注意的是, 这种直接节流法的节流阀应安装在泵的出口管线上, 而不能装在泵的吸入管道上。
否则由于h v的存在会出现”气缚”及”气蚀”现象, 对泵的正常运行和使用寿命都是至关重要的。
气缚是指由于h v的存在, 使泵的入口压力下降, 从而可能使液体部分气化, 造成泵的出口压力下降, 排量降低甚至到零, 离心泵的正常运行遭到破坏。
气蚀是指由于h v的存在, 造成部分气化的气体到达排出端时, 因受到压缩而重新凝聚成液体, 对泵内的机件会产生冲击, 将损伤泵壳与叶轮, 犹如高压差控制阀所受到的那种气蚀。
因此气蚀将会引起泵的损坏。
基于以上的原因, 直接节流阀必须安装在离心泵的出口管线上。
直接节流法控制方案的优点是简便而易行。
但在小流量运行时, 能量部分消耗在节流阀上, 使总的机械效率较低。
因此这种方案在离心泵的控制中是较为常见的, 但当流量低于正常排量30％时, 不宜采用本方案。
(2)改变泵的转速n
这种控制方案以改变泵的特性曲线, 移动工作点, 来达到控制流量的目的。
图9．1-4表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况。
改变泵转速常见的方法采用变频调速等装置对电动机进行调
速。
改变泵转速来控制离心泵的排量或压头, 这种控制方式具有很大的优越性。
主要是管路上无需安装控制阀, 因此管路系统总阻力H L 中h v
等于零, 减少了管路阻力的损耗, 泵的机械效率高, 从节能角度是极为有利的。
(3)改变旁路回流量
图9．1-5所示为改变旁路回流量的控制方案。
它是在泵的出口与入口之间加一旁路管道, 让一部分排出量重新回到泵的入口。
这种控制方式实质也是改变管路特性来达到控制流量的目的。
当旁路控制阀开度增大时, 离心泵的整个出口阻力下降, 排量增加, 但与此同时, 回流量也随之加大, 最终导致送往管路系统的实际排量减少。
显然, 采用这种控制方式必然有一部分能量损耗在旁路管路和阀上, 因此, 的优点,
(b)控制方H
(a)流量特性
图9．1-4 调节转速式控制
图9．1-6 往复泵出口压力和流。