第1516章流体输送设备和传热设备控制2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020年5月29日星期五,#,04 十一月 2026,第1516章流体输送设备和传热设备控制2,流体输送设备的控制,15.1,概述,15.2,泵和压缩机的控制,15.3,离心式压缩机的防喘振控制,第,15,章,教学进程,15.1,概述,流体：液体或气体,液体传送泵,气体传送风机或压缩机,控制目标：流量、压力控制，安全保护控制,教学进程,15.2,泵和压缩机的控制,离心泵的控制,15.2.1,离心泵的叶轮在电动机的带,动下做高速旋转运动，产生离心力。,泵速越高,，离心力越大，出口压头越高。,出口流量增大,，出口压力降低。,离心泵特性公式：,性能,流量Q 1401800m3/h扬程H 9125m进口直径 150600mm,教学进程,15.2,泵和压缩机的控制,离心泵的控制,15.2.1,离心泵特性曲线,排出量Q,压头H,a,n,3,n4,n2,n1,a,另外，管路系统的压力也对泵的特性有影响,教学进程,因此，可以通过,hv,或其他手段改变H压力（流量）,离心泵的控制,15.2.1,管路阻力：,（1）管路两端的静压差,hp,（2）管路两端的静液柱高度，即升扬高度,h,L,（3）管路的摩擦损失,h,f,（4）控制阀两端的节流损失,hv,管路总压力阻力,H,L,=h,p,+h,L,+h,f,+h,v,系统稳定工作：,H=H,L,教学进程,注意：控制阀一定要装在阀的出口位置，否则会出现,“气缚”,和,“气蚀”,现象，对离心泵产生损坏。,(b)控制方案,(a)流量特性,FC,H,Q,H,L1,H,L2,C,1,C,2,H,L3,C,3,离心泵的控制,15.2.1,（1）直接节流法,改变直接节流阀的开度，改变平衡工作点的位置C,教学进程,离心泵的控制,15.2.1,“气缚”,hv使得入口压力下降，使液体部分汽化，,使泵的出口压力下降，排量降至零,“气蚀”,hv使得部分汽化的气体到达出口，受压缩重新,凝聚成液体，对泵内机件产生冲击,优点：,调节方便,缺点：,机械效率低（消耗在阀上）,场合：,常用，但排量小于正常排量的30%时要调整,教学进程,FC,调转速,电动机,H,L,n,3,n,2,n,1,H,Q,(a)流量特性,(b)控制方案,离心泵的控制,15.2.1,（2）改变泵的转速,通过改变泵的转速改变工作点,目前主要通过,变频器,控制电机的转速,变频器近年发展比较快，功能、可靠性大大提高，价格下降。,此方法也可以取代控制阀，实现流量控制,教学进程,离心泵的控制,15.2.1,优点：,机械效率高，节能,缺点：,调速设备费用高,场合：,多用于大功率的离心泵,教学进程,（3）改变旁路回流,离心泵的控制,15.2.1,FC,优点：,控制阀口径,，调节方便,缺点：,回路，能量消耗大,（未充分使用）,场合：,有一定应用,教学进程,容积式泵的控制方案,15.2.2,不能采用节流方法控制,n,1,n,2,n,3,排出量 Q,H,压头,往复泵：活塞式、柱塞式,旋转泵：齿轮式、螺杆式,排量的大小与管路的阻力无关，,只取决于泵的冲程及往复频率,教学进程,常见的控制方案：,（1）变频调速,（2）旁路法,容积式泵的控制方案,15.2.2,教学进程,压缩机的控制方案,15.2.3,需要保证运行的安全,性，如“喘振”、功率大、转速快,气体增压及输送设备,离心式、往复式,离心式应用比较多,优点：,P273,缺点：,教学进程,（4）轴推力、轴位移及连锁保护控制,压缩机的控制方案,15.2.3,主要自控系统：,（1）气量控制：与离心泵相似,（2）防喘振控制,（3）油路控制：油温、油压联锁安全,保护（电气控制）,教学进程,15.3,离心式压缩机的防喘振控制,喘振现象及原因,15.3.1,离心式压缩机的负荷低于一定的值后，气体的正常输送被破坏，气量忽多忽少，发生强烈振荡“气喘”声音，严重破坏机器设备。,教学进程,T点对应的流量,极限流量,喘振现象及原因,15.3.1,p,2,/p,l,p,2,/p,l,Q,M,1,M,T,Q,M,Q,图15.8 离心式压缩机工作曲线,喘振产生的原因：,T点右恻，稳定工作区,P2/P1,Q,P2/P1,T点左恻，不稳定工作区,P2/P1,Q,P2/P1,喘振区,教学进程,产生喘振的直接原因是负荷的下降,Q,Q,p1,Q,p2,Q,p3,p,2,/p,1,n,1,n,2,n,3,喘振区,喘振现象及原因,15.3.1,不同的转速，离心泵的极限流量也不一样,教学进程,（1）气体吸入状态的改变,管路特性,喘振线,T,1,，M,1,，p,1,p,2,/p,1,Q,喘振现象及原因,15.3.1,另外，有些工艺原因也可以导致喘振,教学进程,（2）管路阻力的变化,阻力,p,2,/p,1,Q,喘振现象及原因,15.3.1,教学进程,防喘振控制系统,15.3.2,方法：,部分回流，既满足工艺要求，又使Q,1,Qp,控制喘振：,限制压缩机流量不小于极限流量Q,1,Qp，,教学进程,Q1Qp，旁路阀关死,Q1Qp,此种方案中，Qp是固定,值，正确选择Qp值是关,键.,选择最大转速下的Qp作为FC的设定值，,（1）固定极限流量,排出,循环,压缩机,吸入,FC,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2）可变极限流量,几种常见的操作线方程,防喘振控制系统,15.3.2,设置极限流量随转速而变,关键：确定压缩机的喘振,极限线方程,p,2,/p,1,Q,2,教学进程,（2）可变极限流量,出入口压力与入口流量的关系,不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,P,2,+p,2,-ap,1,r/bk,2,p,1,-,p,l,r（p,2,-ap,1,）/bk,2,FC,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2）可变极限流量,出入口压力与入口流量的关系,不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,防喘振控制系统,15.3.2,p,2,+,p,1,r/bK,2,p,l,p,2,-ap,1,FC,教学进程,（2）可变极限流量,出入口压力与入口流量的关系,不同形式的变换，组成防喘振控制系统。,p,2,r/bK,2,p,1,p,2,r/bK,2,FC,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,（2）可变极限流量,P280应用实例,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,防喘振控制系统,15.3.2,教学进程,压缩机串、并联运行及防喘振控制,15.3.3,通过一个LS，不论哪个压缩机出现喘振，都可以把旁路阀打开，以防止喘振。,图15.21 压缩机串联运行时防喘振控制方案,LS,F,1,C,F,2,C,F,1,F,2,P,2,P,1,P,3,B,A,教学进程,压缩机串、并联运行及防喘振控制,15.3.3,并联情况,工艺上尽量要求单机运行,。,P,1,P,2,F,1,F,2,FC,A,B,LS,排出,吸入,教学进程,传热设备的控制,16.1 概述,16.2 传热设备的特性,16.3 一般传热设备的控制,16.4 锅炉设备的控制,16.5 加热炉的控制,第,16,章,教学进程,16.1,概述,对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备,结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式,（一般传热设备）,特殊传热设备：,加热炉、锅炉、蒸发器等,传热设备的类型,16.1.1,传热方式：,传导、对流、辐射,物流接触关系：,直接接触式，间壁式、蓄热式,热量交换形式：,无相变的热量交换、有相变的热量交换,教学进程,传热设备的类型,16.1.1,（,a,）,列管式换热器,液体1进口,液体2入口,液体1出口,花板,液体2出口,列管,教学进程,换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等,传热设备的类型,16.1.1,教学进程,传热设备的控制要求,16.1.2,（1）对工艺介质进行加热或冷却,（2）使工艺介质发生相变,（3）热量回收,主要是进行,温度控制,，以及一些保护性控制,控制要求：,教学进程,传热设备的特性,16.2,图16-2 逆流单程换热器,G,2,c,2,T,2i,G,1,c,1,T,1i,G,1,c,1,T,10,G,2,c,2,T,20,教学进程,16.2.1 静态特性分析,基于热量平衡方程和传热速率方程,用于系统扰动分析及静态控制设计依据,q=KF,T,单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式,(16-6),q=G,1,c,1,(T,1o,-T,1i,)=G,2,c,2,(T,2i,-T,2o,),教学进程,仿真分析（静态放大倍数）：,T1i T1o：式16-8 T2i T1o：式16-9,教学进程,线性，小于1,线性,仿真分析（静态放大倍数）,（,非线性）,T1o-G2：T1o-G1：,3,1,2,4,图16-4,图16-5,教学进程,16.2.2 动态特性分析,T1iT1o：,式16-11 动态纯滞后环节,T2iT1o、G1T1o、G2T1o,式16-12 带纯滞后的二阶惯性环节,分布参数对象：,（图16-6）,既是时间函数，,又是空间的函数,精确描述：偏微分方程,求解困难,经验公式近似描述：,教学进程,特点：,简单易行,但是，当G2已经很大，而温差较小时，迟钝控制,另外，若工艺上不允许对载热体节流时，不能采用这种方案,两类基本方案：,控制载热体流量、旁路控制介质流量,工业介质G,1,载热体,G2,TC,图16-8,控制载热体流量,用载热体流量控制介质出口温度，最常用的方法,一般传热设备的控制,16.3,换热器的控制,16.3.1,教学进程,介质旁路控制,介质混合过程,控制及时（相当于前馈机理）,另外，还可以组成前馈串级控制方案图,图16-9,工业介质G,1,载热体,G2,TC,教学进程,蒸汽加热器的控制,16.3.2,控制载热体流量,蒸汽发生相变，可同时通过T和传热面积控制，只是要注意出口液体能够连续排出。,蒸汽作为热载体，工业常用,蒸汽G,2,TC,凝液,G,1,图16-12,教学进程,控制冷凝液排量,热载体的出口控制，通过改变F控制,控制阀控制液体，口径可以小些，液体控制平稳，,缺点：滞后,蒸汽G,2,凝液,TC,FC,G,1,蒸汽加热器的控制,16.3.2,图16-15 前馈-反馈控制系统,教学进程,冷凝冷却器的控制,16.3.3,缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液,T-L串级控制系统 图16-17,热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量,气氨,TC,液氮,图16-16,控制载热体流量,优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响,教学进程,冷凝冷却器的控制,16.3.3,控制汽相流量,控制灵活，但出口压力波 动，若直接进入压缩机，对压缩机有影响,TC,LC,液氮,气氨,教学进程,16.4,锅炉设备的控制,教学进程,16.4,锅炉设备的控制,16.4.1,概述,主要结构图 P299 图16-20,燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统,锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响,作用：,分类：,锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质,（煤、油、气）、压力（高、中、低）,结构：,教学进程,（4）水处理控制,防止或减少结垢,主要控制系统,16.4.1,概述,（1）汽包水位控制,保持水量与蒸汽量的物料平衡,（2）燃烧控制,保证燃烧的经济性和安全性,（3）蒸汽控制,控制过热蒸汽的温度,教学进程,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,锅炉的汽包水位控制一般比较严格,汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证,水位过高,影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多，,使过热蒸汽温度下降,水位过低,可能全部汽化，产生危险,教学进程,汽包水位的动态特性,影响因素多,主要讨论水流量、蒸汽流量L 特性,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,给水流量WL,阶跃响应H曲线，相当于积分加纯滞后环节,给水温度越低，纯滞后时间越大,W,H,H,1,H,t,t,教学进程,曲线H汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假水位”现象,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,蒸汽流量DL,曲线H1D突然增加，物料平衡，水位下降,曲线H2D突然增加，瞬间汽包压力下降，水沸腾加剧，,气泡增加，水位上升,H1,H2,H,教学进程,对给水扰动控制滞后,蒸汽,气泡,省煤器,给水,LC,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,（1）单冲量控制系统,汽包水位的单回路控制，“单冲量”汽包水位,适用于负荷小的锅炉,三个问题：,不能克服虚假水位带来的后果,对蒸汽负荷的变化控制不灵敏,教学进程,前馈（蒸汽流量）反馈（汽包水位）控制系统,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,（2）双冲量控制系统,为了克服虚假水位现象，引入蒸汽流量，“双冲量”,I=C,1,I,C,C,2,I,F,I,0,蒸汽,I,C,I,F,I,0,LC,给水,静态前馈,教学进程,G,C,C,1,G,V,G,PC,G,mF,C,2,G,m,G,PD,I,F,L,0,I,C,I,0,I,图16-25,（b）,D,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,教学进程,加法器系数,I,C,汽包水位信号，C11,I,F,蒸汽流量信号，C2根据静态前馈补偿设置,I,0,偏置值，调整I的输出，正常负荷下，I,0,与C,2,I,F,相互抵消,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,教学进程,安全角度，保护锅炉，气闭，防止烧干,保护蒸汽用户，气开,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,阀、控制器、运算器符号,阀的开闭形式：,控制器正反作用：,对象：正，,若气闭阀，LC=正，若气开阀 LC=负,运算器正负号：,C2：取决于控制阀开闭形式,蒸汽量,给水量应该,：,气闭：I应该,C2取“-”,气开：I应该,C2取“+”,教学进程,双冲量控制系统其它形式,LC,水位,蒸汽量,给水阀,LC,水位,蒸汽量,T,d,S,给水阀,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,教学进程,在双冲量基础上，进一步克服给水干扰，引入给水流量信号,蒸汽,I=I,C,CI,F,-I,0,LC,FC,给水,I,F,I,C,I,F,I,0,I,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,（3）三冲量控制系统,教学进程,前馈（蒸汽流量）串级（汽包水位给水流量）控制系统,G,PD,G,mF,G,PC,G,P2,G,C2,G,mF,G,C1,G,m,I,F,I,C,I,0,I,0,I,F,I,U,L,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,教学进程,I0与IC抵消,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,加法器系数C,根据给水流量变化W=蒸汽流量变化（前馈补偿）,对于I,0,，正常负荷时,教学进程,由于CI,F,作为流量控制器的给定，蒸汽流量增加，给水流量应该提高，,C永远为正,（与阀的形式无关，与双冲量不同）,I=I,C,+CI,F,-I0,16.4.2,锅炉汽包水位的控制,阀、控制器、运算器符号,阀安全角度确定,控制器按串级系统确定（先副后主）,运算器符号：,教学进程,出口温度控制 控制方案,一级过热器、二级过热器、减温器,16.4.3,过热蒸汽系统控制,d/dt,TC,图16-34 双冲量控制,T,2,C,T,1,C,减温水,图16-33 串级,减温器,减温器,教学进程,与燃料种类（油、气、煤）、燃烧设备、锅炉形式有关,基本要求：,（1）出口蒸汽压力稳定，根据蒸汽负荷调节燃烧程度,（2）燃烧良好,（3）安全,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,教学进程,（1）蒸汽压力与燃烧控制,一般，用燃料量控制蒸汽压力，单回路/串级,燃烧控制要求燃料与空气的一定比例，比值控制,加入逻辑关系，,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,FC,FC,FC,FC,LS,HS,PC,PC,K,K,燃料阀,燃料阀,空气阀,空,气,量,空,气,量,燃料量,燃料量,p,p,图16-36,图16-35,教学进程,燃料与空气比值的最优化,维持燃烧，理论上要维持一个最低空气量，实际空气量要略大于最低量，过剩空气量。大，能量浪费，小，燃烧不完全,对于不同的燃料，都有一个最优空气量最经济燃烧,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,（2）烟气含氧量控制,可通过烟气含氧量信号间接获得,教学进程,燃料阀,空气阀,燃料量,空气量,最优值,O,2,p,PC,FC,LS,AC,FC,HS,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,在燃烧控制方案中引入含氧量信号校正,若要求能够适应负荷变化，可构成图16-41的控制系统。,教学进程,燃烧嘴背压过低，实施联锁保护，切断燃气阀。,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,（3）炉膛负压控制及安全控制,炉膛负压控制,引风量控制,为克服滞后，可引入蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈反馈控制系统,防脱火控制,引入燃气压力信号（燃烧嘴背压）构成选择性系统,防回火控制,教学进程,蒸汽,气包,P,1,C,LS,P,2,C,PSA,P,3,C,K,燃料,16.4.4,锅炉燃烧过程的控制,炉膛负压控制及安全控制,教学进程,教学进程,火力加热设备，主要是控制炉膛温度（防止烧坏）、燃烧控制，以及被加热物料出口温度控制。,16.5,加热炉的控制,教学进程,作业 20,13,课本 P319 16.4,课本 P320 16.12,教学进程,