过程控制技术-第七章 典型单元的基本控制方案.ppt

过程控制技术 典型单元的基本控制方案 7 典型单元的基本控制方案 工业生产过程是由一系列基本单元操作的设备所组成的生产线来进行的，这些单元的操作主要有动量传递过程、传热过程、传质过程和化学反应过程，单元操作的控制方案的确定是实现生产过程自动化的重要环节。要确定出一个好的控制方案,必须深入了解生产工艺,按照单元设备的内在机理来探讨其自动控制方案。本章主要从自动控制的角度出发，选择一些典型的生产过程操作单元为例，根据对象的特性和控制的要求，分析典型操作单元中具有代表性的设备的基本控制方案，从中阐明确定控制方案的共性原则和方法，以便从中更广泛地获取一些应用过程控制技术的经验。 7 典型单元的基本控制方案 7.1 流体输送设备的控制 在工业生产过程中，各种物料多数是在连续流动状态下进行传热过程、传质过程或者是化学反应过程。为了使物料便于输送、控制，多数是以气态或液态方式在管道内流动。流体的输送是一个动量传递过程，流体在管道内流动是从泵或压缩机等流体输送设备的运行中获得能量，以克服流动阻力。泵是液体的输送设备，压缩机则是气体的输送设备。 7 典型单元的基本控制方案 流体输送设备的基本任务是输送流体和提高流体的压头。在连续性的工业生产过程中，除了某些特殊情况如泵的启停、压缩机的程序控制和信号联锁保护外，对流体输送设备的控制多数是属于流量或压力控制，如简单控制、比值控制或流量作为副环的串级控制等。此外，还有为保护输送设备不被损坏的一些控制方案，如离心压缩机的“防喘振”控制。 7 典型单元的基本控制方案 7.1.1 离心泵的控制方案 离心泵是最常见的液体输送设备。它的压头是由旋转翼轮作用于液体的离心力而产生的。转速越高则离心力越大，压头也就越高。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，可用如图7-1来表示。（ 图中： n 3 n 2 n 1 ） 7 典型单元的基本控制方案 离心泵的特性也可用下列经验公式来表示： H=K1 n2 - K2 Q2 7 典型单元的基本控制方案 控制离心泵的阀门开度 通过控制离心泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图7-2所示。当干扰作用使被控变量发生变化偏离给定值时，控制器发出控制信号指挥控制阀动作，控制结果使得流量回到给定值上。 7 典型单元的基本控制方案 当控制阀开启度发生变化时，由于泵的转速是恒定的，所以离心泵的特性没有改变，但管路上的阻力却发生了变化，即管路特性曲线不再是曲线1，随着控制阀的关小，可能变为曲线2或曲线3了。工作点就由C1移向C2或C3，出口流量也由Q1改变为Q2或Q3，如图7-3所示。以上就是通过控制离心泵的出口控制阀开启度来改变排出流量基本原理。 7 典型单元的基本控制方案 采用本控制方案时，要注意控制阀一般应该安装在泵的出口管路上，而不应该安装在泵的吸入管路上，否则由于控制阀节流作用可能会使流体出现“气缚”及“气蚀”现象。如果泵的进口压力过低而使液体部分汽化，使泵丧失排送能力，这叫气缚。液体夹带着蒸汽压到出口又急剧地冷凝，冲蚀着翼轮和泵壳，这叫汽蚀。这两种现象会对泵的正常运行造成不良影响并且影响泵的使用寿命。 7 典型单元的基本控制方案 控制离心泵的转速 当离心泵的转速改变时，泵的流量特性曲线会发生改变。这种控制方案以改变泵的特性曲线，移动工作点，来达到控制流量的目的。如图7-4表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况。 7 典型单元的基本控制方案 改变泵的转速以控制流量的方法有：用电动机作原动机时，采用变频调速装置；用汽轮机作原动机时，可调节导向叶片角度或蒸汽流量；也可利用在原动机与离心泵之间的联轴变速器，设法改变转速比。 采用这种控制方案时，在输送管路上不需安装控制阀，减少了管路阻力的损耗，泵的机械效率较高，所以在大功率的离心泵装置中得到了应用。但要具体实现这种控制方案都比较复杂，所需设备费用亦较高。 7 典型单元的基本控制方案 3.控制离心泵的出口旁路 如图7-5所示为改变旁路回流量的控制方案。它是在离心泵的出口与入口之间加一旁路管路，让一部分排出流量重新回流到泵的入口。这种控制方式实质也是通过改变管路特性来达到控制流量的目的。 显然，采用这种控制方案必然有一部分能量损耗在旁路管路上，所以机械效率也是较低的。但是具有可采用小口径控制阀的优点，因此在实际生产过程中还有一定的应用。 7 典型单元的基本控制方案 7 典型单元的基本控制方案 7.1.2 往复泵的控制方案 往复泵也是常见的流体输送设备，多用于流量较小、压头要求较高的场合。它是利用活塞在气缸中做往复运动来输送流体的。 往复泵提供的理论流量可按下面公式计算：