第九章 典型化工单元的控制方案

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1、第九章典型化工单元的控制方案石油、化工生产过程是最具有代表性的过程工业。该生产过程是由一系列基本单元操作的设备和装置组成的。按照石油、化工生产过程中的物理和化学变化来分，主要有流体输送过程、传热过程、传质过程和化学反应过程四类。下面将以这四种基本单元操作中的代表性装置为例，讨论其基本控制方案。第一节流体输送设备的控制方案石油、化工生产过程中，大部分物料都是以液、气形态在密闭的管道、容器中进行物质、能量的传递。为了输送液、气形态物料，就必须用泵、压缩机等设备对流体做功，使得流体获得能量，从一端输送到另一端。输送流体的设备统称为流体输送设备。其中输送液体的机械称为

2、泵，输送气体的机械称为风机和压缩机。流体输送设备的控制主要是流量的控制。控制系统的被控对象通常是管路，其被控变量与操纵变量是同一物料的流量。流量控制系统被控对象的的时间常数很小，所以基本上是可以看作是一个放大环节。此外还需注意的是流量控制系统的广义对象静态特性是非线性的，尤其是采用节流装置而不加开方器进行流量的测量变送时更为明显。一、泵的常规控制按作用原理可将泵分为：1.往复式泵：活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、计量泵和比例泵等。2.旋转式泵：齿轮泵、螺杆泵、转子泵和叶片泵等。3.离心泵。根据泵的特性又可分为离心泵和容积泵两大类。石油、化工等生产过程中离心泵的使用最为

3、广泛，因此下面侧重介绍离心泵的特性及其控制方案。1．离心泵的控制方案离心泵主要由叶轮和泵壳组成，高速旋转的叶轮作用于液体而产生离心力，在离心力的作用下使得离心泵出口压头升高。转速越高，离心力越大，压头也越高。因离心泵的叶轮与机壳之间存有空隙，所以当泵的出口阀完全关闭时，液体将在泵体内循环，泵的排量为零，压头接近最高值。此时对泵所作的功被转化为热能向外散发，同时泵内液体也发热升温，故离心泵的出口阀可以关闭，但不宜处于长时间关闭的运转状态。随着出口阀的逐步开启，排出量也随之增大，而出口压力将慢慢下降；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，可用图9

4、．1-1来表示。p2HLhvhvH压头HLhLChfhfp1hLhp排出量Q图9．1-2管路特性a,压头Hn3n2an1n4排出量Q图9．1-1离心泵特性曲线H=R1n2-R2Q2(9—1)式(9—1)中R1、R2为比例常数。由于泵输送的是流体，总是与工艺系统管路一起工作的，分析泵的实际排量与出口压头时，除了与泵本身的特性有关外，也需考虑到与其相连接的管路特性。所以必需对管路特性作一些分析。管路特性就是管路系统中流体流量与管路系统阻力之间的关系。通常管路系统的阻力包含四项内容，如图9．1-2所示。四项阻力分别为：①管路两端的静压差引起的压头hp。式中p1、p2

5、分别是管路系统的入口与出口处的压力，ρ为流体的密度，g为重力加速度。由于工艺系统在正常操作时p1、p2基本稳定，所以这项也是比较平稳的。②管路两端的升扬高度hL。工艺系统中管路和设备安装就绪后，这项将是恒定的。③管路中的摩擦损失压头hf。hf与流量的平方值近似成比例关系。④控制阀两端节流损失压头hv。在阀门开度一定时，hv也与流量的平方值成正比关系，当阀门的开度变化时，hv也跟着变化。管路总阻力为HL，则：HL＝hp十hL十hv十hf(9—2)式(9—2)即为管路特性的表达式，图9．1-2中画出了它的特性曲线。当系统达到稳定工作状态时，泵的压头H必然等于HL，

6、这是建立平衡的条件。图9．1-2中泵的特性曲线与管路特性曲线的交点C，即是泵的一个平衡工作点。工作点C的流量应符合工艺预定的要求，可以通过改变hv或其他的手段来满足这一要求，这也是离心泵的压力(流量)的控制方案的主要依据。(1)直接节流法改变直接节流阀的开度，即改变了管路特性，从而改变了平衡工作点C的位置，达到控制的目的。图9．1-3表示了系统工作点的移动情况及控制方案的实施。FC(b)控制方案HL1HL2C1HL3C2HC3Q(a)流量特性图9．1-3直接节流以控制流量需要注意的是，这种直接节流法的节流阀应安装在泵的出口管线上，而不能装在泵的吸入管道上。否则

7、由于hv的存在会出现“气缚”及“气蚀”现象，对泵的正常运行和使用寿命都是至关重要的。气缚是指由于hv的存在，使泵的入口压力下降，从而可能使液体部分气化，造成泵的出口压力下降，排量降低甚至到零，离心泵的正常运行遭到破坏。气蚀是指由于hv的存在，造成部分气化的气体到达排出端时，因受到压缩而重新凝聚成液体，对泵内的机件会产生冲击，将损伤泵壳与叶轮，犹如高压差控制阀所受到的那种气蚀。因此气蚀将会引起泵的损坏。基于以上的原因，直接节流阀必须安装在离心泵的出口管线上。直接节流法控制方案的优点是简便而易行。但在小流量运行时，能量部分消耗在节流阀上，使总的机械效率较低。所以这

8、种方案在离心泵的控制中是较为常用的，但