1、典型化工單元的控制方案第九章典型化工單元的控制方案石油、化工生產過程是最具有代表性的過程工業。該生產過程是由一系列基本單元操作的設備和裝置組成的。 按照石油、 化工生產過程中的物理和化學變化來分，主要有流體輸送過程、傳熱過程、 傳質過程和化學反應過程四類。 下面將以這四種基本單元操作中的代表性裝置為例，討論其基本控制方案。第一節流體輸送設備的控制方案石油、化工生產過程中，大部分物料都是以液、氣形態在密閉的管道、容器中進行物質、能量的傳遞。為了輸送液、氣形態物料，就必須用泵、壓縮機等設備對流體做功，使得流體獲得能量，從一端輸送到另一端。輸送流體的設備統稱為流體輸送設備。其中輸送液體的機械稱為泵，

2、輸送氣體的機械稱為風機和壓縮機。流體輸送設備的控制主要是流量的控制。控制系統的被控對象一般是管路， 其被控變量與操縱變量是同一物料的流量。 流量控制系統被控對象的的時間常數很小，因此基本上是能夠看作是一個放大環節。另外還需注意的是流量控制系統的廣義對象靜態特性是非線性的，特別是采用節流裝置而不加開方器進行流量的測量變送時更為明顯。一、泵的常規控制按作用原理可將泵分為：1 .往復式泵：活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、計量泵和比例泵等。2 .旋轉式泵：齒輪泵、螺桿泵、轉子泵和葉片泵等。3 .離0泵。根據泵的特性又可分為離心泵和容積泵兩大類。石油、化工等生產過程中離心泵的使用最為廣泛，因此下面側重介紹離心泵

3、的特性及其控制方案。1 1. .離心泵的控制方案離心泵主要由葉輪和泵殼組成，高速旋轉的葉輪作用于液體而產生離心力，在離心力的作用下使得離心泵出口壓頭升高。轉速越高，離心力越大，壓頭也越高。 因離心泵的葉輪與機殼之間存有空隙， 因此當泵的出口閥完全關閉時,液體將在泵體內循環，泵的排量為零，壓頭接近最高值。此時對泵所作的功被轉化為熱能向外散發同時泵內液體也發熱升溫， 故離心泵的出口閥能夠關閉，但不宜處于長時間關閉的運轉狀態。隨著出口閥的逐步開啟，排出量也隨之增大， 而出口壓力將慢慢下降； 泵的壓頭 H H、 排量 Q Q 和轉速 n n 之間的函數關系，稱為泵的特性，可用圖 9.1-19.1-1

4、來表示。(9-1)(9-1)式(9(91)1)中 R R、R R2為比例常數。由于泵輸送的是流體，總是與工藝系統管路一起工作的，分析泵的實際排量與出口壓頭時,除了與泵本身的特性有關外，也需考慮到與其相連接的管路特性。因此必須對管路特性作一些分析。管路特性就是管路系統中流體流量與管路系統阻力之間的關系。 一般管路系統的阻力包含四項內容，如圖 9.1-29.1-2 所示。圖 9.1-29.1-2 管路特圖 9.1-19.1-1 離心泵特性H=RH=Rin n2-R-R2Q Q2Hh排出量四項阻力分別為管路兩端的靜壓差引起的壓頭 hphpo og式中 P Pl、P P2分別是管路系統的入口與出口處的

5、壓力， 為流體的密度，g g 為重力加速度。由于工藝系統在正常操作時 p pi、P P2基本穩定，因此這項也是比較平穩的。管路兩端的升揚高度 h hL。工藝系統中管路和設備安裝就緒后這項將是恒定的。管路中的摩擦損失壓頭 h hf。h hf與流量的平方值近似成比例關系。控制閥兩端節流損失壓頭 h hv。在閥門開度一定時, ,h hv也與流量的平方值成正比關系，當閥門的開度變化時, ,h hv也跟著變化。管路總阻力為HL,則：HL=h hp十 h hL十 h hv十 h hf(9(92)2)式(9(92)2)即為管路特性的表示式，圖 9.1-29.1-2 中畫出了它的特性曲線。當系統達到穩定工作狀

6、態時, ,泵的壓頭 H H 必然等于HL,這是建立平衡的條件。圖 9.1-29.1-2 中泵的特性曲線與管路特性曲線的交點 C,C,即是泵的一個平衡工作點。工作點 C C 的流量應符合工藝預定的要求，能夠經過改變 h hv或其它的手段來滿足這一要求，這也是離心泵的壓力(流量)的控制方案的主要依據。(1)(1)直接節流法改變直接節流閥的開度，即改變了管路特性，從而改變了平衡工作點 C C的位置， 達到控制的目的。 圖 9.1-39.1-3 表示了系統工作點的移動情況及控制方案的實施。需要注意的是，這種直接節流法的節流閥應安裝在泵的出口管線上，而不能裝在泵的吸入管道上。否則由于 h hv的存在會出

7、現”氣縛”及”氣蝕”現象，對泵的正常運行和使用壽命都是至關重要的。氣縛是指由于 h hv的存在， 使泵的入口壓力下降， 從而可能使液體部分氣化，造成泵的出口壓力下降，排量降低甚至到零，離心泵的正常運行遭到破壞。氣蝕是指由于 h hv的存在，造成部分氣化的氣體到達排出端時,因受到壓縮而重新凝聚成液體，對泵內的機件會產生沖擊，將損傷泵殼與葉輪， 猶如高壓差控制閥所受到的那種氣蝕。 因此氣蝕將會引起泵的損壞。基于以上的原因，直接節流閥必須安裝在離心泵的出口管線上。直接節流法控制方案的優點是簡便而易行。但在小流量運行時, ,能量部分消耗在節流閥上，使總的機械效率較低。 因此這種方案在離心泵的控制中是較

8、為常見的，但當流量低于正常排量 30%30%時，不宜采用本方案。(2)(2)改變泵的轉速 n n這種控制方案以改變泵的特性曲線，移動工作點，來達到控制流量的目的。圖 9.1-49.1-4 表示這種控制方案及泵特性變化改變工作點的情況。改變泵轉速常見的方法采用變頻調速等裝置對電動機進行調改變泵轉速來控制離心泵的排量或壓頭，這種控制方式具有很大的優越性。主要是管路上無需安裝控制閥，因此管路系統總阻力HL中 h hv等于零，減少了管路阻力的損耗，泵的機械效率高，從節能角度是極為有利的。(3)(3)改變旁路回流量圖 9.1-59.1-5 所示為改變旁路回流量的控制方案。 它是在泵的出口與入口之間加一旁路管道， 讓一部分排出量重新回到泵的入口。這種控制方式實質也是改變管路特性來達到控制流量的目的。當旁路控制閥開度增大時,離心泵的整個出口阻力下降，排量增加，但與此同時,回流量也隨之加大，最終導致送往管(a)(