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1、过程控制技术 典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本控制方案 工业生产过程是由一系列基本单元操作的设备所组成的生产线来进行的 这些单元的操作主要有动量传递过程 传热过程 传质过程和化学反应过程 单元操作的控制方案的确定是实现生产过程自动化的重要环节 要确定出一个好的控制方案 必须深入了解生产工艺 按照单元设备的内在机理来探讨其自动控制方案 本章主要从自动控制的角度出发 选择一些典型的生产过程操作单元为例 根据对象的特性和控制的要求 分析典型操作单元中具有代表性的设备的基本控制方案 从中阐明确定控制方案的共性原则和方法 以便从中更广泛地获取一些应用过程控制技术的经验 7典型单元的基本控制方案
2、7 1流体输送设备的控制在工业生产过程中 各种物料多数是在连续流动状态下进行传热过程 传质过程或者是化学反应过程 为了使物料便于输送 控制 多数是以气态或液态方式在管道内流动 流体的输送是一个动量传递过程 流体在管道内流动是从泵或压缩机等流体输送设备的运行中获得能量 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 7典型单元的基本控制方案 流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头 在连续性的工业生产过程中 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保护外 对流体输送设备的控制多数是属于流量或压力控制 如简单控制 比值控制或流量作为副环的串级控制等 此外 还有为
3、保护输送设备不被损坏的一些控制方案 如离心压缩机的 防喘振 控制 7典型单元的基本控制方案 7 1 1离心泵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 压头也就越高 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 可用如图7 1来表示 图中 n3 n2 n1 7典型单元的基本控制方案 离心泵的特性也可用下列经验公式来表示 H K1n K2Q 7典型单元的基本控制方案 控制离心泵的阀门开度通过控制离心泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图7 2所示 当干扰作用使被控变量发生变化偏离给定值时 控制器发出控制信号指挥控制阀动
4、作 控制结果使得流量回到给定值上 7典型单元的基本控制方案 当控制阀开启度发生变化时 由于泵的转速是恒定的 所以离心泵的特性没有改变 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Q1改变为Q2或Q3 如图7 3所示 以上就是通过控制离心泵的出口控制阀开启度来改变排出流量基本原理 7典型单元的基本控制方案 采用本控制方案时 要注意控制阀一般应该安装在泵的出口管路上 而不应该安装在泵的吸入管路上 否则由于控制阀节流作用可能会使流体出现 气缚 及 气蚀 现象 如果泵的进口压力过低而使液体部分汽化 使泵丧
5、失排送能力 这叫气缚 液体夹带着蒸汽压到出口又急剧地冷凝 冲蚀着翼轮和泵壳 这叫汽蚀 这两种现象会对泵的正常运行造成不良影响并且影响泵的使用寿命 7典型单元的基本控制方案 控制离心泵的转速当离心泵的转速改变时 泵的流量特性曲线会发生改变 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 如图7 4表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况 7典型单元的基本控制方案 改变泵的转速以控制流量的方法有 用电动机作原动机时 采用变频调速装置 用汽轮机作原动机时 可调节导向叶片角度或蒸汽流量 也可利用在原动机与离心泵之间的联轴变速器 设法改变转速比 采用这种控制方案时 在输送管路上不需
6、安装控制阀 减少了管路阻力的损耗 泵的机械效率较高 所以在大功率的离心泵装置中得到了应用 但要具体实现这种控制方案都比较复杂 所需设备费用亦较高 7典型单元的基本控制方案 3 控制离心泵的出口旁路如图7 5所示为改变旁路回流量的控制方案 它是在离心泵的出口与入口之间加一旁路管路 让一部分排出流量重新回流到泵的入口 这种控制方式实质也是通过改变管路特性来达到控制流量的目的 显然 采用这种控制方案必然有一部分能量损耗在旁路管路上 所以机械效率也是较低的 但是具有可采用小口径控制阀的优点 因此在实际生产过程中还有一定的应用 7典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本控制方案 7 1 2往复泵的控制方
7、案往复泵也是常见的流体输送设备 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做往复运动来输送流体的 往复泵提供的理论流量可按下面公式计算 Q理 60nFS m h 7典型单元的基本控制方案 从上述的计算公式中可清楚地得知 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 常用的往复泵流量控制方案有三种 改变原动机的转速 图7 6所示 控制泵的出口旁路 图7 7所示 改变冲程S计量泵常用改变冲程S来进行控制流量 由于控制冲程的机构复杂 其他用途的往复泵很少选择该方案 7典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本
8、控制方案 由于往复泵以及其它容积式泵均有一个共同的结构特点 即是泵的运动部件与机壳之间的间隙很小 液体不能在缝隙中流动 所以绝对不能采用出口处直接安装控制阀节流的方法来控制流量 一旦出口处阀门关死 将可能造成泵损机毁的严重后果 7典型单元的基本控制方案 7 1 3压缩机的控制方案压缩机和泵都是输送流体的设备 其区别在于压缩机是用来提高气体的压力 气体是可以压缩的 所以在操作时要考虑压力对其密度的影响的因素 压缩机的种类很多 按其工作原理的不同可分为离心式和往复式两大类 按其进 出口压力高低的差别可分为鼓风机 压缩机等类型 在制定控制方案时必须要考虑到各自的特点 7典型单元的基本控制方案 压缩机
9、的控制方案与离心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 控制手段一般可分为三类 直接控制流量对于低压的离心式鼓风机 一般可在其出口处直接控制流量 气体输送的管径通常都较大 执行器可采用蝶阀 其它情况下 为了防止鼓风机出口压力过高 可在入口端控制流量 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 负压严重而使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 8所示 出口流量控制器控制着两个控制阀 吸入阀1只能关小到一定开度 如果需要
10、的流量还要小 则应打开旁路阀2 以避免入口端负压严重 7典型单元的基本控制方案 控制转速压缩机转速的改变能使其出口的流量和压力发生变化 控制转速就能控制压缩机的出口流量和压力 这种控制方案从能量效率上说最经济 但在设施上较复杂 大功率的风机 尤其用蒸汽透平带动的大功率风机应用调速的方案较多 控制旁路流量用旁路控制回流的办法控制流量的方案与离心泵的一样 7典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本控制方案 7 1 4离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的喘振现象离心式压缩机的固有特性 当负荷降低到一定程度时 气体的排送会出现强烈的震荡而引发压缩机剧烈振动 这种现象称为喘振 压缩机的喘振会严重损坏机
11、体 进而产生严重的后果 压缩机在喘振状态下运行是不允许的 在生产过程中一定要防止喘振的发生 因此 在离心式压缩机的控制方案中 防喘振控制是一个重要的课题 7典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本控制方案 为什么会发生喘振呢 离心式压缩机的特性曲线即压缩比 P2 P1 与进口体积流量Q之间的关系曲线如图7 9所示 图中n是离心式压缩机的转速 由图可知不同的转速下每条曲线都有一个P2 P1值的最高点 连接每条曲线最高点的虚线是一条表征喘振的极限曲线 虚线左侧的阴影部分是不稳定区 称为喘振区 虚线的右侧为稳定区 称为正常运行区 若压缩机的工作点在正常运行区 此时流量减小会提高压缩比 流量增大会降低
12、压缩比 假设转速为n2 正常流量为QA 如有某种干扰流量减小 结果压缩比增加 即出口压力P2增加 使压缩机排出量增加 自衡作用使负荷回复到稳定流量QA上 假如负荷继续减小 使负荷小于QP时 7典型单元的基本控制方案 即移动到P2 P1的最高点排出量继续减小 压力P2继续下降 于是出现管网压力大于压缩机所能提供压力的情况 瞬时会发生气体倒流 接着压缩机恢复到正常运行区 由于负荷还是小于QP 压力被迫升高 重又把倒流进来的气体压出去 此后又引起压缩比下降 出口的气体又倒流 这种现象重复进行时 称之为喘振 表现为压缩机的出口压力和出口流量剧烈波动 机器与管道振动 如果与机身相连的近网较小并严密 则可
13、能听到周期性的如同哮喘病人 喘气 般的噪声 而当管网容量较大时 喘振时会发生周期性间断的吼叫声 并伴随有止逆阀的撞击声 这种现象将会使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈振动 甚至使压缩机等设备遭到破坏 7典型单元的基本控制方案 防喘振控制方案由上可知 离心式压缩机产生喘振现象的主要原因是由于负荷降低 排气量小于极限流量值QP而引起的 只要使压缩机的吸气量大于或等于在工况下的极限排气量即可防止喘振 工业生产过程中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 7典型单元的基本控制方案 固定极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QP 为了安全
14、起见 规定一个压缩机吸入流量的最小值QP 且有QP QA 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QA不低于QP值 图7 10所示是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案 这种控制方案与压缩机旁路控制方案在形式上相同 但其控制目的 测量的位置不一样 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QA QP 从而避免喘振现象的产生 7典型单元的基本控制方案 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
15、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值时 不宜采用这种控制方案 7典型单元的基本控制方案 可变极限流量法当压缩机的转速可变时 进入喘振区的极限流量也是变化的 图7 11所示的喘振极限线是对应于不同转速时的压缩机的特性曲线最高点的连线 只要压缩机的工作点在喘振极限线的右侧 就可以避免喘振的发生 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 P2 P1 a bQ1 T1 7典型单元的基本控制方案 7典型单元的基本控制方案 如图7 12就是根据式 7 7 所设计
16、的一种防喘振的控制方案 压缩机入口 出口压力P1 P2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 bK 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 这时控制器的给定值是经过运算来获得 因此该方案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 该控制方案可像单回路流量控制系统那样整定控制器的参数 过程控制技术 传热设备的控制 7典型单元的基本控制方案 7 2传热设备的控制在工业生产过程中 传热设备主要是用来对物料进行加热或冷却来维持一定的温度 传热设备的种类很多 主要有换热器 蒸汽加热器 再沸器 冷凝器及加热炉等 由于它们的传热目的不同 被控参数也不完全一样 生产过程中进行传热的目的主要有以下三种 使物料达到规定的温度 使物料改变相态 回收热量 7典型单元的基本控制方案 7 2 1换热器的
