流體輸送設(shè)備的控制

流體輸送設(shè)備的控制在化工生產(chǎn)中，各種物料大多數(shù)是在連續(xù)流動狀態(tài)下，或是進(jìn)行傳熱，或是進(jìn)行傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)等過程。為使物料便于輸送、控制，多數(shù)物料是以氣態(tài)或液態(tài)方式在管道內(nèi)流動。倘若是固態(tài)物料，有時也進(jìn)行流態(tài)化。流體的輸送，是一個動量傳遞過程，流體在管道內(nèi)流動，從泵或壓縮機(jī)等輸送設(shè)備獲得能量，以克服流動阻力。泵是液體的輸送設(shè)備，壓縮機(jī)則是氣體的輸送設(shè)備。流體輸送設(shè)備的基本任務(wù)是輸送流體和提高流體的壓頭。在連續(xù)性化工生產(chǎn)過程中，除了某些特殊情況，如泵的啟停、壓縮機(jī)的程序控制和信號聯(lián)鎖外，對流體輸送設(shè)備的控制，多數(shù)是屬于流量或壓力的控制，如定值控制、比值控制及以流量作為副變量的串級控制等。此外，還有為保護(hù)輸送設(shè)備不致?lián)p壞的一些保護(hù)性控制方案，如離心式壓縮機(jī)的“防喘振”控制方案。一、離心系的控制方案離心泵是最常見的液體輸送設(shè)備。它的壓頭是由旋轉(zhuǎn)翼輪作用于液體的離心力而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)速越高，則離心力越大，壓頭也越高。離心泵流量控制的目的是要將泵的排出流量恒定于某一給定的數(shù)值上。流量控制在化工廠中是常見的，例如進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)器的原料量需要維持恒定、精餾塔的進(jìn)料量或回流量需要維持恒等1離心泵的工作原理及主要部件離心泵是一種最常用的液體輸送設(shè)備，離心泵是依靠離心泵翼輪旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力，來提高液體的壓力（俗稱壓頭）。轉(zhuǎn)速越高，離心力越大，流體出口壓力越高。離心泵類型很多用于輸送不同類型的液體有清水泵、熱油泵、耐腐蝕泵等。為達(dá)到不同的流量、壓頭范圍在泵的構(gòu)造上有單吸和雙吸的，有單級和雙級的；若按泵軸的位置則還可以分為立式和臥式的等等。離心泵的基本結(jié)構(gòu)（如圖1-1所示）圖1-1離心泵結(jié)構(gòu)示意圖1.泵體2.葉輪3.密封軸4.軸套5.泵蓋6.泵軸7.托架8.聯(lián)泵器9.軸承10.軸封裝置11.吸入口12.蝸形泵殼13.葉片14.吸入管15.底閥16.濾網(wǎng)17.調(diào)節(jié)閥18.排出管離心泵的基本構(gòu)造是由六部分組成的分別是葉輪，泵體，泵軸，軸承，密封環(huán)，填料函。（1）葉輪是離心泵的核心部分，他轉(zhuǎn)速高出力大，葉輪上的葉片又起到主要作用，葉輪在裝配前要通過靜平衡試驗(yàn)，葉輪上的內(nèi)外表面要求光滑，以減少水流的摩擦損耗。（2）泵體也稱泵殼，它是水泵的主體。起到支撐固定的作用，并與安裝軸承的托架相連接。（3） 泵軸的作用是借連軸器和電動機(jī)相聯(lián)接，將電動機(jī)的轉(zhuǎn)距傳給葉輪，所以它是傳遞機(jī)械的主要部件。（4） 軸承是套在泵軸上支撐泵軸的構(gòu)件，有滾動軸承和滑動軸承兩種。滾動軸承使用牛油作為潤滑劑加油要適當(dāng)一般為2/3?3/4的體積太多會發(fā)熱，太少又有響聲并發(fā)熱！滑動滾軸使用的是透明油作潤滑劑的，加油到油位線。太多油要沿泵軸滲出并且漂濺，太少軸承又要過熱燒壞造成事故。在水泵運(yùn)行過程中軸承的溫度最高在85度一般運(yùn)行在60度左右，如果高了就要查找原因（是否有雜質(zhì)，油質(zhì)是否發(fā)黑，是否進(jìn)水）并及時處理?。?） 密封環(huán)又稱減漏環(huán)。葉輪進(jìn)口與泵殼間的間隙過大會造成泵內(nèi)高壓區(qū)的水經(jīng)此間隙流向低壓區(qū)，影響泵得出水量，效率降低！間隙過小會造成葉輪與泵殼摩擦產(chǎn)生磨損。為了增加回流阻力減少內(nèi)漏，延緩泵殼與葉輪的使用壽命，在泵殼內(nèi)緣和葉輪外緣結(jié)合處裝有密封環(huán)，密封的間隙保持在0.25?1.10mm之間為宜。（6） 填料函主要由填料，水封環(huán)，填料筒，填料壓蓋，水封管組成。填料函的作用主要是為了封閉泵殼與泵軸之間的間隙，不讓泵內(nèi)的水流流到外面來也不讓外面的空氣進(jìn)入到泵內(nèi)。始終保持水泵內(nèi)的真空！當(dāng)泵軸與填料摩擦產(chǎn)生熱量就要靠水封管注水到水封圈內(nèi)使填料冷卻！保持水泵的正常運(yùn)行。所以在水泵的運(yùn)行巡回檢查過程中對填料函的檢查是特別要注意的！在運(yùn)行600個小時左右就要對填料進(jìn)行更換.離心泵的過流部件離心泵的過流部件有：吸入室，葉輪，壓出室三個部分。葉輪是泵的核心，也是過流部件的核心。泵通過葉輪對液體的做功，使其能量增加。葉輪按液體流出的方向分為三類：離心式葉輪：液體是沿著與軸線垂直的方向流出葉輪。 II TOC\o"1-5"\h\z混流式葉輪：液體是沿著軸線傾斜的方向 .流出葉輪。 g 伍液體流動的方向與軸線平行的。 說p月［加盤葉輪按吸入的方式分為兩類： rjwj.單吸葉輪(葉輪從一側(cè)吸入液體)。雙吸葉輪(葉輪從兩側(cè)吸入液體)。 一-葉輪按蓋板形式分為三類：封閉式葉輪。敞開式葉輪。半開式葉輪。 圖1-2離心泵測壓實(shí)驗(yàn)其中封閉式葉輪應(yīng)用很廣泛，前述的單吸葉輪雙吸葉輪均屬于這種形式。離心泵的工作原理工作前，泵體和進(jìn)水管必須灌滿水形成真空狀態(tài)，當(dāng)葉輪快速轉(zhuǎn)動時，葉片促使水很快旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)著離心泵的工作原理是：離心泵所以能把水送出去是由于離心力的作用。水泵在的水在離心力的作用下從葉輪中飛出，泵內(nèi)的水被拋出后，葉輪的中心部分形成真空區(qū)域。水源的水在大氣壓力或水壓的作用下通過管網(wǎng)壓到了進(jìn)水管內(nèi)。這樣循環(huán)不已，就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽水。在此值得一提的是：離心泵啟動前一定要向泵殼內(nèi)充滿水以后，方可啟動，否則將造成泵體發(fā)熱、震動、出水量減少，對水泵造成損壞(簡稱“氣蝕”)造成設(shè)備事故！由于離心泵的吸入高度有限，控制閥如果安裝在進(jìn)口端，會出現(xiàn)汽縛和氣蝕現(xiàn)象。汽縛現(xiàn)象是指，若離心泵在啟動前，未灌滿液體，殼內(nèi)存在真空，使密度減小，產(chǎn)生的離心力就小，此時在吸入口所形成的真空度不足以將液體吸入泵內(nèi)。所以盡管啟動了離心泵，但不能輸送液體。氣蝕現(xiàn)象是指，當(dāng)泵的安裝位置不合適時，液體的靜壓能在吸入管內(nèi)流動克服位差、動能、阻力后，在吸入口處壓強(qiáng)降至該溫度下液體的飽和蒸汽壓P時，液體會汽化，并逸出所溶解的氣體。這些氣泡進(jìn)入泵體的高壓區(qū)后，遽然溥結(jié)，產(chǎn)生局部真空，使周圍的液體以高速涌向氣泡中心，造成沖擊和震動。大量氣泡破壞了液體的連續(xù)性，阻塞流道，增大阻力，使流程、揚(yáng)程、效率明顯下降，嚴(yán)重時泵不能正常工作，給泵以破壞。離心泵的主要性能參數(shù)離心泵銘牌上標(biāo)注的參數(shù)有(1)流量0(送液能力)：指單位時間內(nèi)泵能輸送的液體量［L/s，m3/h］（2） 揚(yáng)程丑-（泵的壓頭）：指單位重量液體流徑泵后所獲得的流量。［m液柱］測定壓頭的實(shí)驗(yàn)，如圖3.1-2所示如下：在1-1與2-2截面間列伯努利方程長=魅+如壓+丑雌度+尖過+￡知,注意：泵的揚(yáng)程不能僅僅理解為升舉高度。（3） 功率和效率①有效功率：單位時間內(nèi)液體由泵實(shí)際得到的功。②軸功率：泵軸從電動機(jī)得到的實(shí)際功率P③效率1.2離心泵的流量控制大體有三種方法控制系的出口閥門開度通過控制泵出口閥門開啟度來控制流量的方法如圖1所示。當(dāng)干擾作用使被控變量（流量）發(fā)生變化偏離給定值時，控制器發(fā)出控制信號，閥門動作，控制結(jié)果使流量回到給定值。圖1故變?nèi)隹谧枇刂屏魇歉淖兂隹陂y門的開啟度就是改變管路上的阻力，為什么阻力的變化就能引起流量的變化呢？這得從離心泵本身的特性加以解釋。在一定轉(zhuǎn)速下，離心泵的排出流量Q與泵產(chǎn)生的壓頭H有一定的對應(yīng)關(guān)系，如圖2曲線A所示。在不同流量下，泵所能提供的壓頭是不同的，曲線A稱為泵的流量特性曲線。泵提供的壓頭又必須與管路上的阻力相平衡才能進(jìn)行操作。克服管路阻力所需壓頭大小隨流量的增加而增加，如曲線1所示。曲線1稱為管路特性曲線。曲線A與曲線1的交點(diǎn)C1即為進(jìn)行操作的工作點(diǎn)。此時泵所產(chǎn)生的壓頭正好用來克服管路的阻力，q點(diǎn)對應(yīng)的流量Q1即為泵的實(shí)際出口流量。當(dāng)控制閥開啟度發(fā)生變化時，由于轉(zhuǎn)速是恒定的，所以泵的特性沒有變化，即圖2中的曲線A沒有變化。但管路上的阻力卻發(fā)生了變化，即管路特性曲線不再是曲線1，隨著控制閥的關(guān)小，可能變?yōu)榍€2或曲線3了。工作點(diǎn)就由q移向C或C，出口流量也由Q改變?yōu)镼或Q，如圖2所示。以上就是通過控制泵的2 3 l 2 3出口閥開啟度來改變排出流量的基本原理。QiQtQiQ sQiQi圖2泵的流量特性曲線 圖3改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量與管路特性曲線采用本方案時，要注意控制閥一般應(yīng)該安裝在泵的出口管線上，而不應(yīng)該安裝在泵的吸入管線上（特殊情況除外）。這是因?yàn)榭刂崎y在正常工作時，需要有一定的壓降，而離心泵的吸入高度是有限的?？刂瞥隹陂y門開啟度的方案簡單可行，是應(yīng)用最為廣泛的方案。但是，此方案總的機(jī)械效率較低，特別是控制閥開度較小時，閥上壓降較大，對于大功率泵，損耗的功率相當(dāng)大，因此是不經(jīng)濟(jì)的?？刂票玫霓D(zhuǎn)速當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速改變時，泵的流量特性曲線會發(fā)生改變。圖3中曲線1、2、3表示轉(zhuǎn)速分別為n、n、n時的流量特性，且有n>n>n。在同樣的流量情況123 l23下，泵的轉(zhuǎn)速提高會使壓頭H增加。在一定的管路特性曲線B的情況下，減小泵

的轉(zhuǎn)速，會使工作點(diǎn)由C移向C或C，流量相應(yīng)也由Q減少到Q或Q。1 2 3 1 2 3這種方案從能量消耗的角度來衡量最為經(jīng)濟(jì)，機(jī)械效率較高，但調(diào)速機(jī)構(gòu)一般較復(fù)雜，所以多用在蒸汽透平驅(qū)動離心泵的場合，此時僅需控制蒸汽量即可控制轉(zhuǎn)速?？刂票玫某隹谂月啡鐖D4所示，將泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改變旁路閥開啟度的方法來控制泵的實(shí)際排出量?？刂崎y裝在旁路上，由于壓差大，流量小，所以控制閥的尺寸可以選得比裝在

出口管道上的小得多。但是這種方案不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榕月烽y消耗一部分高壓液體能

量，使總的機(jī)械效率降低，故很少采用。圖4改變旁路閥控制流量 圖5改變轉(zhuǎn)速的方案二、往復(fù)泵的控制方案往復(fù)泵也是常見的流體輸送機(jī)械，多用于流量較小、壓頭要求較高的場合，它是利用活塞在氣缸中往復(fù)滑行來輸送流體的。往復(fù)泵提供的理論流量可按下式計(jì)算：5*''■■■■ ■■-1式中n——每分鐘的往復(fù)次數(shù)；F——?dú)飧椎慕孛娣e，m2；s 活塞沖程，m。由上述計(jì)算公式中可清楚地看出，從泵體角度來說，影響往復(fù)泵出口流量變化的僅有n、F、s三個參數(shù)，或者說只能通過改變n、F、s來控制流量。了解這一點(diǎn)對設(shè)計(jì)流量控制方案很有幫助。常用的流量控制方案有三種。改變原動機(jī)的轉(zhuǎn)速這種方案適用于以蒸汽機(jī)或汽輪機(jī)作原動機(jī)的場合，此時，可借助于改變蒸汽流量的方法方便地控制轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制往復(fù)泵的出口流量，如圖5所示。當(dāng)用電動機(jī)作原動機(jī)時，由于調(diào)速機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，故很少采用。控制泵的出口旁路如圖6所示，用改變旁路閥開度的方法來控制實(shí)際排出量。這種方案由于高壓流體的部分能量要白白消耗在旁路上，故經(jīng)濟(jì)性較差。圖6改變旁路流量往復(fù)泵的特性曲線圖6改變旁路流量往復(fù)泵的特性曲線改變沖程S計(jì)量泵常用改變沖程S來進(jìn)行流量控制。沖程S的調(diào)整可在停泵時進(jìn)行，也有可在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下進(jìn)行的。往復(fù)泵的前兩種控制方案，原則上亦適用于其他直接位移式的泵，如齒輪泵等。往復(fù)泵的出口管道上不允許安裝控制閥，這是因?yàn)橥鶑?fù)泵活塞每往返一次，總有一定體積的流體排出。當(dāng)在出口管線上節(jié)流時，壓頭H會大幅度增加。上圖是往復(fù)泵的壓頭H與流量Q之間的特性曲線。在一定的轉(zhuǎn)速下，隨著流量的減少壓頭急劇增加。因此，企圖用改變出口管道阻力既達(dá)不到控制流量的目的，又極易導(dǎo)致泵體損壞。四、離心式壓縮機(jī)的防喘振控制1.離心式壓縮機(jī)的特性曲線及喘振現(xiàn)象近年來，離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用日益增加，對于這類壓縮機(jī)的控制，還有一個特殊的問題，就是“喘振”現(xiàn)象。圖10是離心式壓縮機(jī)的特性曲線，即壓縮機(jī)的出口與入口的絕對壓力之比P2/P1與進(jìn)口體積流量Q之間的關(guān)系曲線。圖中n是離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，且有氣Vn2〈氣。由圖可見，對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速n的每一條P2/P]?Q曲線，都有一個最高點(diǎn)。此點(diǎn)之右，降低壓縮比p/p會使流量增大，即△Q/A(p/p)為負(fù)值。在這21 21種情況下，壓縮機(jī)有自衡能力，表現(xiàn)在因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時，壓縮機(jī)能自發(fā)地增大排出量，提高壓力建立新的平衡；此點(diǎn)之左，降低壓縮比，反

而使流量減少，即△g（p2/p1）為正值，這樣的對象是不穩(wěn)定的，這時，如果因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時，壓縮機(jī)不但不增加輸出流量，反而減少排出量，致使管網(wǎng)壓力進(jìn)一步下降，因此，離心式壓縮機(jī)特性曲線的最高點(diǎn)是壓縮機(jī)能否穩(wěn)定操作的分界點(diǎn)。在圖10中，聯(lián)接最高點(diǎn)的虛線是一條表征壓縮機(jī)能否穩(wěn)定操作的極限曲線，在虛線的右側(cè)為正常運(yùn)行區(qū)，在虛線的左側(cè)，即圖中的陰影部分是不穩(wěn)定區(qū)。圖10離心式壓縮機(jī)特性曲線圖圖10離心式壓縮機(jī)特性曲線圖11喘振現(xiàn)象示意圖對于離心式壓縮機(jī)，若由于壓縮機(jī)的負(fù)荷（即流量）減少，使工作點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，將會出現(xiàn)一種危害極大的“喘振”現(xiàn)象。圖11是說明離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象的示意圖。圖中Qb是在固定轉(zhuǎn)速n的條件下對應(yīng)于最大壓縮比（p2/p「B的體積流量，它是壓縮機(jī)能否正常操作的極限流量。設(shè)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)原處于正常運(yùn)行區(qū)的點(diǎn)A，由于負(fù)荷減少，工作點(diǎn)將沿著曲線ABC方向移動，在點(diǎn)B處壓縮機(jī)達(dá)到最大壓縮比。若繼續(xù)減小負(fù)荷，則工作點(diǎn)將落到不穩(wěn)定區(qū)，此時出口壓力減小，但與壓縮機(jī)相連的管路系統(tǒng)在此瞬間的壓力不會突變，管網(wǎng)壓力反而高于壓縮機(jī)出口壓力，于是發(fā)生氣體倒流現(xiàn)象，工作點(diǎn)迅速下降到C。由于壓縮機(jī)在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力達(dá)到管路系統(tǒng)壓力后，又開始向管路系統(tǒng)輸送氣體，于是壓縮機(jī)的工作點(diǎn)由點(diǎn)C突變到點(diǎn)D，但此時的流量Qd>Qb，超過了工藝要求的負(fù)荷量，系統(tǒng)壓力被迫升高，工作點(diǎn)又將沿DAB曲線下降到C。壓縮機(jī)工作點(diǎn)這種反復(fù)迅速突變的過程，好象工作點(diǎn)在“飛動”，所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象時，又被稱作壓縮機(jī)的飛動。人們之所以稱它為喘振，是由于出現(xiàn)這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計(jì)和壓力表的指針大幅度擺動。如果與機(jī)身相連接的管網(wǎng)容量較小并嚴(yán)密，則可聽到周期性的如同哮喘病人“喘氣”般的噪聲；而當(dāng)管網(wǎng)音量較大，喘振時會發(fā)生周期性間斷的吼響聲，并使止逆閥發(fā)出撞擊聲，它將使壓縮機(jī)及所連接的管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)生強(qiáng)烈振動，甚至使壓縮機(jī)遭到破壞。喘振是離心式壓縮機(jī)所固有的特性，每一臺離心式壓縮機(jī)都有其一定的瑞振區(qū)域。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，如溫度、壓力等的變化，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。2.防喘振控制方案由上可知，離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生端振現(xiàn)象的主要原因是由于負(fù)荷降低，排氣

量小于極限值QB而引起的，只要使壓縮機(jī)的吸氣量大于或等于在該工況下的極

限排氣量即可防止喘振。工業(yè)生產(chǎn)上常用的控制方案有固定極限流量法和可變極

限流量法兩種，現(xiàn)簡述如下。（1）固定權(quán)限流量法對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個進(jìn)入喘

振區(qū)的極限流量qb，為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機(jī)吸入流量的最小值Qp,且有QpVQb。固定極限流量法防喘振控制的目的就是在當(dāng)負(fù)荷變化時，始終保證壓縮機(jī)的入口流量Q1不低于Qp值。圖12是一種最簡單的固定極限法防喘振控制方案，這種控制方案與圖9所示的旁路控制在形式上相同，但其控制目的、測量點(diǎn)的位置不一樣。在這種方案中，測量點(diǎn)在壓縮機(jī)的吸入管線上，流量控制器的給定值為Qp,當(dāng)壓縮機(jī)的排氣量因負(fù)荷變小且小于Q時，則開大旁路控制閥以加大回流量，保證吸入流量Q>Q，從而避免喘振P 1P現(xiàn)象的產(chǎn)生。本方案結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全可靠，投資費(fèi)用較少，但當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時，如按高轉(zhuǎn)速取給定值，勢必在低轉(zhuǎn)速時給定值偏高，能耗過大；如按低轉(zhuǎn)速取給定值，則在高轉(zhuǎn)速時仍有因給定值偏低而使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不是恒定值時，不宜采用這種控制方案。圖12防喘振旁路控制圖13防喘振曲線圖12防喘振旁路控制圖13防喘振曲線(2) 可變極限流量法當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可變時，進(jìn)入喘振區(qū)的權(quán)限流量也是變化的。圖13上的喘振極限線是對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速時的壓縮機(jī)特性曲線的最高點(diǎn)