典型化工过程单元控制

第一节 流体输送设备的控制 方案

按输送介质的状态不同，流体输送设备
可分为液体输送设备和气体输送设备。最常
用的液体输送设备是泵，而气体输送设备按
进出口两端的压力差又可分为真空泵、鼓风
机和压缩机。本节我们主要研究泵和压缩机
的控制方案。流体输送设备按其作用原理又
可分为离心式与往复式两大类。所以自然就
有离心泵、往复泵和离心式压缩机、往复式
曲线上都有一个对应
出口压力最大值的B点，
该点就是喘振点，其
对应的出口流量值为
QB。当压缩机出口流 量减少到Q< QB时， 就会发生喘振，所以 图6 离心式压缩机
将各转速下的QB连起 的特性曲线 来，就形成了喘振区。

喘振发生时，气体从压缩机忽进忽出，
使转子受到交变负荷，机体就发生震动并涉
及到与之相连的管网和与它相连的流量计和
压力表也会出现指针大幅度摆动，同时出现
犹如喘息一般的噪声。假如与压缩机相连的
管网容量较小并严密，可听到周期性的犹如
哮喘者“喘气”一样的噪声；而当管网容量
较大时，则将发出周期性似牛吼叫的噪声。
同时会使压缩机损坏。
喘振是离心式压缩机固有的特性， 每一台离心式压缩机都有自己的喘振区， 所以防喘振控制就显得非常必要了。因 为喘振是由于入口流量太小导致的，所 以为了防止喘振现象发生，我们应限制 入口流量，使之不低于QB。如果当负荷 变化时，始终保证压缩机的入口流量不 低于一个固定值Qp，要求Qp >QBm （QBm是该压缩机最大的喘振流量）。这 种控制方案就是固定极限流量控制方案，
流量大、效率高、维护方便、运行可靠、输
送气体不被润滑油污染等一系列优点，所以
应用越来越广泛。离心式压缩机与离心泵的
控制大同小异，即也可以进行旁路回流量控
制，或进行原动机转速控制。不过，对离心
式压缩机有一个需要特别注意的问题Baidu Nhomakorabea是防
喘振。

图中n1、n2、n3为
转速，且n1<n2<n3 ，
对应不同转速的每条
（二）往复泵的控制

往复泵多用于流量较小，压头较高
的场合，它的流量取决于冲程的大小、
活塞的往复次数及气缸的截面积。

往复泵一般也是要求出口流量恒定。
其控制方案常用的有两种，如图5所示。
方案1：改变原动机的转速
可使用变频 调速器实现（与 离心泵控制方案3 相同），若原动 机为蒸气透平机， 可用如右图（a） 所示的方案。这 与离心泵改变原 动机转速的道理 图5 往复泵的控制方案
调速器接在三相交流电与电动机之间，变频
调速器接收流量调节器送来的4~20mA DC
电流（也可根据需要用250Ω电阻转换成
1~5V电压），输出频率与该直流电流或电压
相对应的三相交流电，频率变化导致电动机
转速发生变化，从而改变泵出口流量。当出
口流量过大，可使反作用调节器输出很小，
此时变频调速器的输出频率也很小，电机低
图2 离心泵的回流 控制方案
排出总量的20%左右。
方案3：控制泵的转速

由于离心泵
的排液量与电机
的转速近似成正
比，所以利用变
频调速器调整电
动机的转速来控
制流量，可以提
高机械效率。但
这却增加了机械
的复杂性，所以
一般多用于功率
较大的离心泵，
方案如图3所示 。
图3 离心泵的转速控制方案

在该方案中，省掉了控制阀，而将变频
速转动。直到流量正常。该方案可大大地节
能，克服了前两种方案的不足。
如果原动机为蒸 气透平机，可以调蒸 气量来改变转速，如 图4所示。
这种方案机械效 率高、经济，易实施， 所以应用广泛。
如果生产上要求
保证泵出口压力恒定， 则只需将被控变量改
图4 离心泵的透平 蒸气控制方案
成出口压力即可。
图中防喘振调节
器FIC的设定值就是
Qp。正常情况下， FV控制阀是关闭的，
一旦压缩机打气量减
至Qp时，FV阀开启， 使排出的气体回流，
直到进气量高于设定
值为止，从而避免喘 图7 固定极限流
振现象发生。
量防喘振控制方案

本方案构成简单、安全、经济。但
如果压缩机的转速变化较大，则低速运
行时压缩机的能量浪费就太大，所以对
出口管线上，当
节流元件与控制
阀在同一管线上
时，一般把节流
元件安装在控制
图1 离心泵的出口节 流控制方案
阀的上游。
注：控制阀一般不装在入口管线 （特殊情况例外），否则会产生 “气 缚”、“气蚀”现象。

该方案简单易行，应用广泛，但机 械效率低，能量损失较大，特别是在控 制阀开度较小时，阀上压降较大，对于 大功率的泵，损耗的功率更大，所以不 经济。
压缩机之分。
一、泵的控制
（一）离心泵的控制
离心泵是由旋转翼作用于液体产生离心 力而向外输出液体的。转速越高，离心力 越大，压头越高，流量也就越大。

实际工作中，常要求离心泵输出的液
体的流量恒定，故以泵出口流量为被控变
量。控制方法有三种。
方案1：离心泵的出口节流法
如图1所示。
控制阀装在泵的
方案2：控制泵的出口旁路
由于一 部分流体打 回流，部分 能量白白消 耗在旁路上， 故经济性差。
千万注意：
往复泵的出口不允许装控制 阀，因为往复泵活塞每往返一次， 总有一定体积的流体排出，当在 出口管线上装阀时，压头会大幅 度增加，容易损坏泵体。
二、压缩机的控制

由于离心式压缩机具有体积小、重量轻、
方案2：改变回流量（控制泵的 出口旁路阀）
如图2所示。将泵排出的液
体通过旁路阀部分回流，以达到
控制出口流量的目的。这里经旁
路返回的液体，从泵内得到的能
量完全消耗在旁路控制阀上，所
以总的机械效率较低，能量损失
更大，不经济，但控制阀的口径
可以选得比方案1中的小一些。
一般来讲，旁路流量一般宜限泵
《化工仪表及自动化》
第九章 典型化工过程单元控制
第九章 典型化工过程单元控制
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流体输送设备的控制方案 传热设备的控制 精馏塔的控制 化学反应器的控制
前面我们研究了简单控制、复杂控 制等各种控制系统。而如何在化工生产 设备上应用这些控制手段，则是我们更 应该关心的问题。本章我们将以几种典 型的化工单元为例，了解控制系统的应 用。
压缩机负荷经常波动且波动幅度较大时，
要采用其他方案，如可变极限流量防喘
振控制方案。
第二节 传热设备的控制
化工生产中常用的传热设备有：换 热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。 一般传热设备的被控变量都是工艺介 质的出口温度，操纵变量多数是载热 体的流量，但控制手段却多种多样， 下面分几种情况来讨论控制方案。