流體輸送設備控制

9.流體輸送設備控制本章介紹的主要內(nèi)容：1）流體輸送設備及基本控制方案主要介紹離心泵和往復泵的構成、特性及應用離心泵和往復泵進行流體輸送的控制方案。2)離心式壓縮機的防喘振控制主要介紹：離心式壓縮機的固有特性，喘振產(chǎn)生的原因及影響因素，防喘振控制方案流體輸送設備是指用于輸送流體和提高流體壓頭的機械設備。9.1液體輸送設備液體輸送機械的分類

由于被輸送液體的性質(zhì),如黏性、腐蝕性、混懸液的顆粒等都有較大差別，溫度、壓力、流量也有較大的不同，因此，需要用到各種類型的泵。根據(jù)施加給液體機械能的手段和工作原理的不同，大致可分為四大類，如表所示。離心式回轉(zhuǎn)式往復式液體作用式液體離心泵漩渦泵軸流泵齒輪泵螺桿泵往復泵柱塞泵劑量泵隔膜泵噴射泵酸蛋真空輸送流體機械其中離心泵具有結(jié)構簡單、流量大而且均勻、操作方便等優(yōu)點，在過程工業(yè)生產(chǎn)中的使用最為廣泛。1）離心泵離心泵構成：葉輪泵殼軸、軸承及軸封引水管線（流體入口）排出管線（流體出口）1）離心泵結(jié)構構成：葉輪，泵殼，軸封。其中葉輪是離心泵的關鍵部件，其主要作用是將原動機的機械能傳遞給液體，是通過離心泵的液體在動能和靜壓能均有所提高。葉輪的機械結(jié)構：開式半閉式閉式泵殼泵殼是一個截面逐漸擴大的狀似蝸牛殼形的通道稱蝸殼。作用：匯集液體，能量轉(zhuǎn)換，高壓輸出流體匯集

葉輪在殼內(nèi)順著蝸形通道逐漸擴大的方向旋轉(zhuǎn),液體從吸入口進入，自葉輪外緣以高速被拋出后，沿泵殼的蝸牛形通道而向排出口流動，排出殼體。能量轉(zhuǎn)換泵殼不僅是一個匯集和導出液體的通道，同時其本身又是一個轉(zhuǎn)能裝置。愈接近液體出口,通道截面積愈大，流速逐漸降低，而使大部分動能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，此壓力形成了流體的壓頭。離心泵的吸入方式單吸式，雙吸式單吸式：液體只能從葉輪一側(cè)被吸入，結(jié)構簡單雙吸式：可以從兩側(cè)吸入液體，具有較大的吸液能力，而且可以較好的消除軸向推力。

軸封泵軸與泵殼之間的密封成為軸封。作用：防止高壓液體從泵殼內(nèi)沿軸的四周漏出,或者外界空氣以相反方向漏入泵殼內(nèi)的低壓區(qū)。常用的軸封裝置有填料密封和機械密封兩種，

普通離心泵所采用的軸封裝置是填料密封。對于輸送酸、堿以及易燃、易爆、有毒的液體，密封的要求比較高，既不允許漏入空氣，又力求不讓液體滲出。軸封裝置采用機械密封。離心泵的安裝示意圖：氣蝕現(xiàn)象：氣蝕產(chǎn)生的條件：葉片入口附近K處的壓強PK等于或小于輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓示意圖：安裝高度貯槽液面0-0’與入口處1-1’兩截面間列柏努利方程其中Hg：泵的允許安裝高度（允許吸入高度），m，Hf0-1：吸入管路的壓頭損失，m，u1：泵入口處液體流速(按操作流量計)，m/sP0：貯槽液面上方的壓強，若貯槽上方與大氣相通，則P0即為大氣壓強Pa

PV：液體飽和蒸氣壓離心泵的性能參數(shù)、應用及特性曲線性能參數(shù)：表征離心泵的主要性能參數(shù)有流量（m3/h)、揚程（壓頭，H）、軸功率（P）和效率（η）。特性曲線示意圖（固定轉(zhuǎn)速n）揚程曲線：H-V功率曲線：N-V效率曲線：η-V離心泵工作特性曲線管道特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線工作點離心泵的組合應用?并聯(lián)操作設兩臺離心泵型號相同，并且各自的吸入管路也相同，則兩臺泵的流量和壓頭必相同。因此，在同一壓頭下，并聯(lián)泵的流量為單臺泵的兩倍。據(jù)此可畫出兩泵并聯(lián)后的合成特性曲線，如圖(b)中曲線2所示。1?串連操作若兩臺泵型號相同，則在同一流量下，串聯(lián)泵的壓頭應為單泵的兩倍。據(jù)此可畫出兩泵串聯(lián)后的合成特性曲線，如圖(b)中曲線2所示。

兩泵串聯(lián)后，壓頭與流量會提高，但兩臺泵串聯(lián)的總壓頭仍小于原單泵壓頭的兩倍。離心泵組合方式的選擇﹡對于低阻輸送管路a，并聯(lián)組合泵流量的增大幅度大于串聯(lián)組合泵；﹡對于高阻輸送管路b，串聯(lián)組合泵的流量增大幅度大于并聯(lián)組合泵。組合形式應用參考！低阻輸送管路----并聯(lián)優(yōu)于串聯(lián)；！高阻輸送管路----串聯(lián)優(yōu)于并聯(lián)。2）往復泵往復泵是活塞泵、柱塞泵和隔膜泵的總稱。是應用較廣泛的容積式泵，其利用活塞的往復運動，將能量傳遞給液體以達到吸入和排出液體的目的。結(jié)構示意圖：其中：1-泵缸；2-活塞；3-活塞桿；4-吸入閥；5—排出閥往復泵的結(jié)構及工作原理往復泵的結(jié)構如圖所示,其主要由泵缸、活塞、單向吸人閥、單向排出閥等組成。活塞桿通過曲柄連桿機構將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線往復運動。工作時，活塞在外力推動下做往復運動，由此改變泵缸的容積和壓強，交替地打開吸入和排出閥門，達到輸送液體的目的。往復泵類型

單動往復泵活塞往復一次，吸液和排液各一次。

雙動往復泵其主要構造和原理如圖所示，活塞在氣缸的兩側(cè)，活塞往復一次，吸液和排液各兩次。

三聯(lián)泵用三臺單動泵連接在同一根曲軸的三個曲柄上，各臺泵活塞運動的相位差為2π/3，分別推動三個缸的活塞，如圖所示。曲軸每轉(zhuǎn)一周，三個泵缸分別進行一次吸液和排液，往復泵流量曲線單動往復泵曲軸每轉(zhuǎn)一周，泵有一次吸液和排液過程。間歇式排液。雙動往復泵曲軸每轉(zhuǎn)一周，兩個泵缸分別進行一次吸液和排液。泵輸出流量波動很大。三聯(lián)泵

曲軸每轉(zhuǎn)一周，三個泵缸分別進行一次吸液和排液。聯(lián)合起來就有三次排液，泵輸出流量曲線的均勻程度有較大改善。9.2液體泵控制1）主要控制任務和目的：物料流量控制、壓力控制；實現(xiàn)生產(chǎn)過程的物料平衡。2）流體輸送設備控制特點：a.控制通道的對象時間常數(shù)小。被控變量與操作變量是同一變量。b.測量信號伴有高頻噪聲流體通過節(jié)流元件（流量測量一般應用節(jié)流裝置）時喘動加大，混有高噪聲。因此，控制系統(tǒng)中不宜引入微分作用。c.靜態(tài)非線性流量對象的靜態(tài)特性往往是非線性的，特別是采用節(jié)流裝置測量流量。對此，可以選用適當?shù)恼{(diào)節(jié)閥流量特性加以補償。d.流量測量控制精度一般要求不高，只是在作為經(jīng)濟核算或一些要求精確測量的場合才需要高精度測量儀表。e.應用中常將流量控制作為某復雜控制回路的副環(huán)。注意事項:對象、測量元件和控制閥的時間常數(shù)在數(shù)量級上是相同的，廣義對象特性分析中應考慮測量變送單元、控制閥的慣性滯后。構成的控制系統(tǒng)可控性較差，且頻率較高。控制系統(tǒng)的控制器的比例度需要大一些；一般引入積分控制，積分時間0.1到數(shù)分鐘。控制閥門一般不裝閥門定位器，以防止由定位器引入的串級控制內(nèi)環(huán)造成系統(tǒng)的振蕩的加劇。3）

離心泵的控制①離心泵工作特性離心泵的工作狀態(tài)與管路特性密切相關，應滿足出口壓頭=管路總阻力離心泵工作（進行流體輸送）時主要克服阻力管路兩端靜液柱高度壓頭，hL。（恒定值）泵工作平衡條件泵出口壓頭=

總阻力壓頭=hP+hL+hf+hV示圖：管路兩端的靜壓差引起的壓頭，hp。管路中的流體流動摩擦損失壓頭，hf?？刂崎y兩端的節(jié)流損失壓頭，hV。2)離心泵控制方案a.直接節(jié)流法原理：通過改變管路特性而改變平衡工作點C的位置，從而達到控制目的。圖示：特點：簡單方便、靈敏。部分能量消耗在克服閥門阻力，機械效率較低，流量低于正常排量的30%時不宜采用此法。注意：調(diào)節(jié)閥應安裝在泵的出口管線上，防止氣蝕。調(diào)節(jié)原動機轉(zhuǎn)速原理：通過調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速，改變泵特性曲線，移動平衡工作點達到控制目的。方案構成圖：特點：調(diào)整內(nèi)容：電機轉(zhuǎn)速，透平機的導向葉片角度等。管路上無調(diào)節(jié)閥，減少了阻力損失，提高泵的機械效率?？刂苹芈窂碗s，實施費用較高，一般用于大功率重要的泵調(diào)節(jié)。c.旁路回流法原理：通過改變旁路閥門的開度而改變總體流量特性，實現(xiàn)壓頭控制。方案構成圖：r：無旁路管路特性曲線；x：旁路管路特性曲線；

r/x：總特性曲線

H1：無旁路時系統(tǒng)壓頭；H2：有旁路時系統(tǒng)壓頭特點：可以利用小口徑閥門控制系統(tǒng)總流量。由于部分流體的回流，帶來了一定的能量損失。

3)容積式泵控制方案容積式泵特性：泵的排量大小與管路特性無關，即轉(zhuǎn)速或往返次數(shù)一定時，流量是一恒定值。工作特性圖：注意：容積式泵的出口不能閉塞。輸出流量與管道阻力無關，因此不能采用直接節(jié)流法控制泵的排量。容積式泵控制方案：改變原動機的轉(zhuǎn)速。類似于離心泵控制中的調(diào)速法。控制方案示意圖：改變往復泵沖程。一般調(diào)節(jié)沖程的機構比較復雜（通過執(zhí)行機構使沖程作連續(xù)變化）。只是在用于精確計量的往復泵控制中應用。

原動機轉(zhuǎn)速控制實現(xiàn)：電動機：變頻法透平：改變通過透平的蒸汽流量、壓力以及葉片導向角。調(diào)節(jié)回流量在泵的入口與出口之間設置一個旁路，通過調(diào)節(jié)旁路閥門的開度控制送往系統(tǒng)的流量。采用旁路閥與直接節(jié)流閥結(jié)合形式利用旁路閥調(diào)節(jié)泵出口壓力，利用直接節(jié)流閥控制送往系統(tǒng)的流量。注意：本方案中，二控制回路在動態(tài)上有很大關聯(lián)，在控制參數(shù)整定上要注意將二回路振蕩頻率錯開。9.2壓縮機的控制1)壓縮機種類往復式壓縮機、離心式壓縮機2)應用特點：a.往復式壓縮機體積較小，壓縮比高。機械設備復雜，制造工藝要求高，造價及維護費用較高?？刂葡到y(tǒng)復雜供氣壓力（流量）有波動，流量較小。一般用于流量較小，壓縮比要求較高的場合。b.離心式壓縮機體積大、流量大供氣均勻，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)調(diào)節(jié)性能好，氣量調(diào)節(jié)的變化范圍大易于維護壓縮機潤滑油不污染氣體有較好的經(jīng)濟性有喘振現(xiàn)象需要注意和控制3)離心式壓縮機控制系統(tǒng)送氣量控制系統(tǒng)防喘振控制系統(tǒng)油路控制系統(tǒng)，包括油溫、油壓連鎖保護軸向推力、位移、振動連鎖保護系統(tǒng)9.3離心式壓縮機的防喘振控制9.3.1離心式壓縮機的特性曲線與操作特性特性曲線一般應用壓縮機出口壓力P2和入口壓力P1之比與壓縮機入口體積流量關系曲線描述壓縮機特性2)離心式壓縮機工作特性分析圖示為壓縮機工作特性與管路特性的關系工作點：M1與M0壓縮機工作特性分析：M1點：由于某種原因使工作點偏離M1點，由壓縮機輸出壓頭與管路損失壓頭的關系，工作點可以自行恢復到M1點。例如：工作點向右偏離M1點達到M2點，兩壓頭失衡（管路壓頭大于壓縮機輸出壓頭）迫使壓縮機出口流量減少，工作點返回M1點。結(jié)論1：M1點是穩(wěn)定工作點壓縮機工作特性分析：M0點：若一旦出現(xiàn)工作點偏移，不能自行返回。如圖：工作點向右偏離M0點到M2點，壓頭失衡（管路壓頭小于壓縮機輸出壓頭），使得壓縮機輸出流量增加，工作點進一步脫離M0點。結(jié)論2：工作點M0點是不穩(wěn)定工作點穩(wěn)定工作區(qū)域與不穩(wěn)定工作區(qū)域分界點(喘振線)由上面的圖及分析可知，由于離心式壓縮機工作曲線是駝峰型，由此決定了穩(wěn)定工作區(qū)與不穩(wěn)定工作區(qū)的分界點正是壓縮機工作特性曲線的最高點。結(jié)論3：工作曲線峰點的左邊區(qū)域?qū)儆诓环€(wěn)定工作區(qū)工作曲線峰點的右邊區(qū)域?qū)儆诜€(wěn)定工作區(qū)結(jié)論4：喘振是離心式壓縮機的固有特性。9.3.2喘振現(xiàn)象與影響因素喘振喘振的發(fā)生過程：特性曲線穩(wěn)定工作點M1調(diào)整負荷（減小）達到工作點B點。(M1→B)干擾影響，向左偏離工作點：管路壓頭大于壓縮機輸出壓頭，氣體倒灌，流量迅速下降為0，工作點移到C點。(B→C)壓縮機工作，壓縮機壓頭大于管路損失壓頭（p壓＞p管），流量迅速增加，工作點移到D點。(C→D)控制回路流量調(diào)節(jié)，工作點返回B點。(D→B)周而復始，發(fā)生喘振。結(jié)論：喘振是離心式壓縮機的固有特性為了防止喘振的發(fā)生，應保證離心式壓縮機工作點在穩(wěn)定工作區(qū)域內(nèi)M1影響因素a.基本因素：壓縮機負荷減小。b.其他因素：管網(wǎng)壓力：P2↑→喘振區(qū)吸入壓力：P1↓→喘振區(qū)吸入溫度：T↓→喘振區(qū)溫度影響示意圖：分子量：分子量↑→喘振區(qū)9.3.3喘振極限線及安全操作線喘振極限線：在各種轉(zhuǎn)速下壓縮機特性曲線的頂點連線。

對于喘振極限線，可通過理論推導獲得其數(shù)學表達式，稱為喘振極限方程。安全操作線：工程上為了確保安全操作，在喘振極限曲線右側(cè)設定一條操作界限線。稱為安全操作線。（如圖）安全操作線描述：經(jīng)驗公式安全操作線可以用以拋物線方程近似描述：其中：

Q1：吸入口氣體體積流量

T1：吸入口氣體絕對溫度

P1，P2：吸入口、排出口氣體絕對壓力

ai，b：常數(shù)。一般由生產(chǎn)廠家提供。注意：對應于安全操作線的不同位置，常數(shù)a(a0)具有不同的值（<0/=0/>0）。用差壓計測量時安全操作線的描述令：

ΔP1：入口處流量測量差壓信號標準節(jié)流裝置公式：其中：α：常數(shù)，ε：氣體壓縮系數(shù)，

ρ：入口氣體密度氣體方程式：其中：

M：氣體分子量，R：氣體常數(shù)，Z：氣體壓縮修正系數(shù)

T0，P0：標準狀態(tài)下氣體的絕對溫度、絕對壓力

T1，P1：入口氣體的絕對溫度、絕對壓力由流量方程式和氣體方程式：得氣體流量描述式：利用上式與經(jīng)驗式可以得到用差壓計進行氣體流量測量時的安全操作線方程操作線方程（差壓測量）氣體流量方程安全操作線經(jīng)驗式操作線方程工程上，可以根據(jù)上式設計壓縮機防喘振控制回路。9.3.4防喘振控制喘振發(fā)生的基本原因負荷量減小。具體地，壓縮機入口吸入量不足。防喘振基本思想：保證壓縮機入口吸入量的充足及穩(wěn)定。防喘振基本方法：壓縮機輸出端與輸入端之間設置反饋流路，根據(jù)防喘振需要控制輸出端到輸入端的反饋流量，進而保證吸入口的流量，防止喘振發(fā)生。防喘振基本方案：固定極限法可變極限法固定極限法基本原理：控制反饋氣流量，保證吸入口流量始終大于能確保壓縮機正常工作的某一固定流量。方案原理圖：方案特點：方案簡單，可靠性高，投資少，維護方便壓縮機能耗較大，無用功較多，特別是在流量較小的場合。不適合于負荷變化頻繁的場合可變極限法基本原理：控制反饋氣流量，調(diào)整壓縮機的最小吸入氣流量沿著安全操作線運動。安全操作線方程：控制方案圖：注意事項：式中P1、P2均為絕對壓力，T亦為絕對溫度。壓縮機正常工作時，測量值大于給定值，旁路循環(huán)閥門關閉，應該注意防止積分飽和。上述方案是依據(jù)吸入口差壓測量設計的，若要依據(jù)其他測量信號設計防喘振控制，則應該重新整理安全線方程。上述方案僅考慮了流量的關系，實際設計時應根據(jù)現(xiàn)場和工藝要求，充分考慮溫度、分子量的影響。壓縮機控制舉例催化裂化裝置催化氣輸送機組控制控制系統(tǒng)說明：a.壓縮機入口壓力控制通過改變透平驅(qū)動蒸汽流量改變壓縮機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)入口壓力。b.防喘振控制策略采用沿安全操作線的變極限控制方式換熱器c.計算單元

U1：將表壓P2表轉(zhuǎn)換為絕對壓力P2，P2=P2表

+0.1013MPa，完成mP2

計算。

U2：將表壓P1表轉(zhuǎn)換為絕對壓力P1，并完成mP2/P1的計算。

U3：完成下面的計算，計算結(jié)果作為控制器給定值。

d.安全操作線方程：U4：將表壓P1表轉(zhuǎn)換為絕對壓力P1，并完成ΔP1/P1的計算。結(jié)果作為控制器的測量值。9.3.5壓縮機的串并聯(lián)應用串聯(lián)應用應用目的：提高供氣壓力原理圖：注意事項：兩個控制器均需要作防