设备管理_过程控制工程培训课件

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1、过程控制工程,第15章 流体输送设备的控制,第 11 课,Process Control Engineering,北京化工大学 信息科学与技术学院自动化系 宿翀,第16章 传热设备的控制,流体输送设备的控制,15.1 概述 15.2 泵和压缩机的控制 15.3 离心式压缩机的防喘振控制,第15章,教学进程,15.1,概述,流体：液体或气体 液体传送泵 气体传送风机或压缩机 控制目标：流量、压力控制，安全保护控制,教学进程,15.2,泵和压缩机的控制,离心泵的控制,15.2.1,离心泵的叶轮在电动机的带 动下做高速旋转运动，产生离心力。,泵速越高，离心力越大，出口压头越高。 出口流量增大，出口压

2、力降低。,离心泵特性公式：, 性能 流量Q 1401800m3/h 扬程H 9125m 进口直径 150600mm,教学进程,15.2,泵和压缩机的控制,离心泵的控制,15.2.1,离心泵特性曲线,另外，管路系统的压力也对泵的特性有影响,教学进程,因此，可以通过hv或其他手段改变H压力（流量）,离心泵的控制,15.2.1,管路阻力：,（1）管路两端的静压差hp,（2）管路两端的静液柱高度，即升扬高度hL,（3）管路的摩擦损失hf,（4）控制阀两端的节流损失hv,管路总压力阻力,HL=hp+hL+hf+hv,系统稳定工作： H = HL,教学进程,注意：控制阀一定要装在阀的出口位置，否则会出现“

3、气缚”和“气蚀”现象，对离心泵产生损坏。,(b)控制方案,(a)流量特性,FC,H,Q,HL1,HL2,C1,C2 HL3,C3,离心泵的控制,15.2.1,（1）直接节流法,改变直接节流阀的开度，改变平衡工作点的位置C,教学进程,离心泵的控制,15.2.1,“气缚”hv使得入口压力下降，使液体部分汽化， 使泵的出口压力下降，排量降至零,“气蚀”hv使得部分汽化的气体到达出口，受压缩重新 凝聚成液体，对泵内机件产生冲击,教学进程,FC,调转速,电动机,(b)控制方案,离心泵的控制,15.2.1,（2）改变泵的转速,通过改变泵的转速改变工作点,目前主要通过变频器控制电机的转速,变频器近年发展比较

4、快，功能、可靠性大大提高，价格下降。,此方法也可以取代控制阀，实现流量控制,教学进程,离心泵的控制,15.2.1,场合：,多用于大功率的离心泵,教学进程,（3）改变旁路回流,离心泵的控制,15.2.1,教学进程,容积式泵的控制方案,15.2.2,不能采用节流方法控制,n1,n2,n3,排出量 Q,H 压头,往复泵：活塞式、柱塞式,旋转泵：齿轮式、螺杆式,排量的大小与管路的阻力无关， 只取决于泵的冲程及往复频率,教学进程,常见的控制方案： （1） 变频调速 （2） 旁路法,容积式泵的控制方案,15.2.2,教学进程,压缩机的控制方案,15.2.3,需要保证运行的安全 性，如“喘振”、功率大、转速

5、快,气体增压及输送设备,离心式、往复式,离心式应用比较多,优点：,P273,缺点：,教学进程,（4）轴推力、轴位移及连锁保护控制,压缩机的控制方案,15.2.3,主要自控系统：,（1）气量控制：与离心泵相似,（2）防喘振控制,（3）油路控制：油温、油压联锁安全 保护（电气控制）,教学进程,15.3,离心式压缩机的防喘振控制,喘振现象及原因,15.3.1,离心式压缩机的负荷低于一定的值后，气体的正常输送被破坏，气量忽多忽少，发生强烈振荡“气喘”声音，严重破坏机器设备。,教学进程,T点对应的流量极限流量,喘振现象及原因,15.3.1,p2/pl,p2/plQ,M1,M,T,QM Q,图15.8 离

6、心式压缩机工作曲线,喘振产生的原因：,T点右恻，稳定工作区,P2/P1,Q,P2/P1,T点左恻，不稳定工作区,P2/P1 ,Q,P2/P1,喘振区,教学进程,产生喘振的直接原因是负荷的下降,喘振现象及原因,15.3.1,不同的转速，离心泵的极限流量也不一样,教学进程,（1） 气体吸入状态的改变,喘振现象及原因,15.3.1,另外，有些工艺原因也可以导致喘振,教学进程,（2） 管路阻力的变化,喘振现象及原因,15.3.1,教学进程,防喘振控制系统,15.3.2,方法： 部分回流，既满足工艺要求，又使Q1 Qp,控制喘振： 限制压缩机流量不小于极限流量Q1Qp，,教学进程,Q1Qp，旁路阀关死

7、Q1Qp 此种方案中，Qp是固定 值，正确选择Qp值是关 键. 选择最大转速下的Qp作为FC的设定值，,（1）固定极限流量,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2） 可变极限流量,几种常见的操作线方程,防喘振控制系统,15.3.2,设置极限流量随转速而变 关键：确定压缩机的喘振 极限线方程,p2/p1,Q2,教学进程,（2） 可变极限流量,出入口压力与入口流量的关系 不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2） 可变极限流量,出入口压力与入口流量的关系 不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2） 可变极限流

8、量,出入口压力与入口流量的关系 不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2） 可变极限流量,P280应用实例,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,压缩机串、并联运行及防喘振控制,15.3.3,通过一个LS ，不论哪个压缩机出现喘振，都可以把旁路阀打开，以防止喘振。,图15.21 压缩机串联运行时防喘振控制方案,教学进程,压缩机串、并联运行及防喘振控制,15.3.3,并联情况 工艺上尽量要求单机运行。,P1,P2,F1,F2,FC,A,B,LS,排出,吸入,教学进程,传热设备的控制,16.1 概述 16.2 传热

9、设备的特性 16.3 一般传热设备的控制 16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制,第16章,教学进程,16.1,概述,对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备,结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 （一般传热设备） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等,传热设备的类型,16.1.1,传热方式：,传导、对流、辐射,物流接触关系：,直接接触式，间壁式、蓄热式,热量交换形式：,无相变的热量交换、有相变的热量交换,教学进程,传热设备的类型,16.1.1,（a） 列管式换热器,液体1进口,液体2入口,液体1出口,花板 液体2出口 列管,教学进程,换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等,传热设备

10、的类型,16.1.1,教学进程,传热设备的控制要求,16.1.2,（1） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收 主要是进行温度控制，以及一些保护性控制,控制要求：,教学进程,传热设备的特性,16.2,图16-2 逆流单程换热器,G2c2 T2i,G1c1 T1i,G1c1 T10,G2c2 T20,教学进程,16.2.1 静态特性分析 基于热量平衡方程和传热速率方程 用于系统扰动分析及静态控制设计依据,q=KFT,单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式,(16-6),q=G1c1(T1o-T1i)= G2c2(T2i-T2o),教学进程,仿真分析（静态放大倍数

11、）： T1i T1o ： 式16-8 T2i T1o ： 式16-9,教学进程,线性，小于1,线性,仿真分析（静态放大倍数） （非线性） T1o -G2 ： T1o -G1 ：,3 1,2 4,图16-4,图16-5,教学进程,16.2.2 动态特性分析,T1iT1o ：,式16-11 动态纯滞后环节,T2iT1o、 G1T1o 、 G2T1o,式16-12 带纯滞后的二阶惯性环节,分布参数对象： （图16-6） 既是时间函数， 又是空间的函数 精确描述：偏微分方程 求解困难 经验公式近似描述：,教学进程,特点：简单易行 但是，当G2已经很大，而温差较小时，迟钝控制 另外，若工艺上不允许对载热

12、体节流时，不能采用这种方案,两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量, 控制载热体流量 用载热体流量控制介质出口温度，最常用的方法,一般传热设备的控制,16.3,换热器的控制,16.3.1,教学进程, 介质旁路控制 介质混合过程 控制及时（相当于前馈机理） 另外，还可以组成前馈串级控制方案图,教学进程,蒸汽加热器的控制,16.3.2, 控制载热体流量 蒸汽发生相变，可同时通过T和传热面积控制，只是要注意出口液体能够连续排出。,蒸汽作为热载体，工业常用,教学进程, 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体控制平稳， 缺点：滞后,蒸汽加热器的控制,

13、16.3.2,图16-15 前馈-反馈控制系统,教学进程,冷凝冷却器的控制,16.3.3,缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液 T-L串级控制系统 图16-17,热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量,图16-16, 控制载热体流量,优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响,教学进程,冷凝冷却器的控制,16.3.3, 控制汽相流量 控制灵活，但出口压力波 动，若直接进入压缩机，对压缩机有影响,TC,LC,液氮,气氨,教学进程,16.4,锅炉设备的控制,教学进程,16.4,锅炉设备的控制,16.4.1,概述,主要结构图 P299 图16-20 燃烧系统、给水系统、蒸汽

14、产生系统,锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响,作用：,分类：,锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质 （煤、油、气）、压力（高、中、低）,结构：,教学进程,（4）水处理控制 防止或减少结垢,主要控制系统,16.4.1,概述,（1）汽包水位控制 保持水量与蒸汽量的物料平衡,（2）燃烧控制 保证燃烧的经济性和安全性,（3）蒸汽控制 控制过热蒸汽的温度,教学进程,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,锅炉的汽包水位控制一般比较严格,汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证,水位过高影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多， 使过热蒸汽温度下降,水位过低可

15、能全部汽化，产生危险,教学进程,汽包水位的动态特性 影响因素多 主要讨论水流量、蒸汽流量L 特性,16.4.2,锅炉汽包水位的控制, 给水流量WL 阶跃响应H曲线 ，相当于积分加纯滞后环节 给水温度越低，纯滞后时间越大,W,H,H1,H,t,t,教学进程,曲线H汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假水位”现象,16.4.2,锅炉汽包水位的控制, 蒸汽流量DL,曲线H1D突然增加，物料平衡，水位下降,曲线H2D突然增加，瞬间汽包压力下降，水沸腾加剧， 气泡增加，水位上升,H1,H2,H,教学进程, 对给水扰动控制滞后,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,（1）单冲量控制系统,汽包水位的单回路控制， “单冲量”汽包水位,适用于负荷小的锅炉,三个问题：, 不能克服虚假水位带来的后果, 对蒸汽负荷的变化控制不灵敏,教学进程,前馈（蒸汽流量）反馈（汽包水位）控制系统,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,（2）双冲量控制系统,为了克服虚假水位现象，引