典型工业对象控制 泵（风机）、炉、塔、釜、罐 流程生产工业过程的特点 生产过程中的各个生产设备均通过管道将物料流和能量流连接在一起，完成各种各样的化学、物理过程（反应、分离、混合、吸收等），生产出所期望的产品。 物料流和能量流统称为流体。 在连续生产过程中，除了生产过程的开、停机等特殊情况，流体也呈连续传送状态。因此，主要的控制系统类型是集散控制系统和智能仪表等。 从本章开始，对生产过程中各类设备讨论其特性和控制。 流体输送系统的特点 用于提高流体压力(头)和输送流体的机械设备，通称为流体输送设备，它是流体的动力源。其中输送液体的机械称为泵，输送气体的机械称为压缩机和风机。 流体输送系统中，被控变量和操纵变量是同一物料，检测点和控制点处于同一管路的不同位置。被控过程接近1：1的比例环节，时间常数很小。因此，流量广义对象传递函数必须考虑检测变送器和执行器的惯性和滞后特性，不能简单的用比例环节表示11流体输送设备控制讲解ppt。 流体输送控制系统一般采用节流装置检测流量。流体通过节流装置时，湍动加大，使被控变量的测量信号常常具有脉动性质，并混有高频噪声。因此，对检测信号应进行高频滤波，减弱流量信号脉动和湍流的影响。 流体输送控制系统特点 为防止引起系统的共振，流量控制系统的执行器（调节阀）一般不安装阀门定位器。 由于检测变送器、执行器和流量对象三者的时间常数接近，因此流量控制系统的可控性较差。 此外，流量对象的灵敏度高，系统工作频率较高。 为保持系统的稳定性，流量控制系统常采用纯比例调节，并且比例度设置较大；若为消除余差，引入积分时，积分时间也应取与对象时间常数在相同的数量级，不用微分。 流量控制系统 控制目标： 被控流量保持恒定(定值控制)， 被控流量跟随另一流量变化(比值控制)。 流体输送系统的主要扰动为压力和管道阻力的变化。 流量控制系统 在生产过程中，许多流量控制回路的目的不是控制流量，而是保证其它过程参数稳定的手段。所以，流量控制系统的测量仪表精确度要求不需很高。特别，常将流量控制作为串级控制系统的副环，它的设定值是浮动的。所以，流量测量仪表在精度上一般没有过高的要求，但必须保持性能稳定。 只有当流量作为经济核算使用，或其它需要测量精确的场合，才选用满足相应精度要求的测量仪表。 流体输送系统控制 流体输送设备是提供流体流动的动力源。 流体输送控制系统的另一部分是对流体输送动力设备的控制，即泵（液体）和风机或压缩机（气体）的控制。 在连续生产过程中，除了生产过程的开、停机等特殊情况，需要运行程序控制和信号联锁动作外，流体输送设备控制的基本目的是为实现物料平衡的流量、压力控制。 以及为保护流体输送设备安全的控制，如离心式压缩机的防喘振控制等。 离心泵工作原理 离心泵是使用最广的液体输送设备。 安装在轴上的叶轮、吸入室、压出室和扩散管组成。 离心泵工作原理 离心泵工作时，叶轮高速旋转，充满叶轮片流道内的水在离心力作用下，从叶轮中心被甩向叶轮外缘，叶轮内甩出来的液体经过泵压出室、扩散管排出，所以叫做离心泵。 与此同时，叶轮内产生负压（真空），吸入室的液体在大气压力作用下，被源源不断的吸入水泵。 因为叶轮是连续而均匀地旋转的，所以液体连续而均匀地被甩出和吸入。 离心泵在工作前，吸入室和泵内首先要充满所输送的液体。 离心泵的工作特性 离心泵通过叶轮旋转所产生的离心力，来提高泵出口液体的压力(俗称压头)。转速越高，离心力越大，出口流体压力越高。 离心泵的压头H、流量Q和转速n之间的关系为离心泵的工作特性，如图所示。它们之间的关系式为 离心泵的工作特性 当转速一定时，压头与输出流量成反比。 为控制流量，可采用的办法是在泵出口管道上装阀门。如下图。 当出口阀关闭时，排出流量为零，液体在泵体内循环，这时，压头最大。 泵的机械能全部转化为热能，使液体发热升温。 管路特性 管路特性是管路系统中流体的流量与管路系统阻力的相互关系，如图下所示。 管路特性 h1是液体提升高度所需的压头，当设备安装位置确定后，该项恒定。 hp是用于克服管路两端静压差所需的压头hp，即 式中，ρ是液体的比重，g为重力加速度 hf是用于克服管路摩擦损耗的压头，与流量平方值近似成比例。 hv是控制阀两端的压降，当控制阀开度一定时，也与流量平方值成比例，即该项与流量和阀门开度有关。 因此，管路压头H可表示为： H与离心泵输出流量Q之间的关系如图(b)中实线所示。 离心泵的工作点 管路特性与离心泵工作特性的交点(A、B)是离心泵的工作点。 随着控制阀开度的变化，管路特性也变化。 当控制阀开度增大时，阀门两端压差变小，工作点从A向B移动[见图(b)]，排出流量增大，压头下降；反之，工作点从B向A移动 离心泵流量直接控制 离心泵、控制阀门、连接管道组成流量控制系统。 离心泵采用电机驱动，转速恒定。 改变控制阀开度直接改变液体流量。 阀门安装在泵进口。 阀门安装在泵出口。 离心泵流量直接控制 控制阀如果安装在进口端，会出现气缚或汽蚀现象。气缚是由于进口压力过低，使部分液体汽化，气体膨胀使液体不能排送；汽蚀是由于出口压力高于液体的蒸汽压，使汽泡破裂爆炸，造成对设备侵蚀的现象。 为防止气缚和汽蚀的发生，采用控制阀直接节流的控制方案时，控制阀应安装在离心泵的下游。 直接节流法，控制阀两端的压差随流量变化，流量大时，控制阀两端的压差降低；当阀门关小时，控制阀两端的压差增大，阀门泄漏量增大。故直接节流法只能应用于有一定的基本流量，并且流量变化不大的场合。 离心泵流量旁路控制 离心泵流量直接控制，泵压头也随流量的变化而波动。当流量较大时，泵两端压差小；当流量较小时，泵两端压差大；若泵关闭时，泵两端压最大，导致阀门泄漏而关不住，甚至可能导致泵、电机等损坏。 离心泵流量旁路控制将控制阀跨接在泵的两端。通过改变旁路控制阀的开度来控制实际排出量，如图。因此泵出口压力稳定，流量控制特性好。 采用旁路控制时，管路特性是原管路系统和旁路管系统特性的并联，如图(b)所示。图中r为原管路系统的特性曲线，x为旁路管系统的特性曲线，将r和x的横坐标相加所得的r/x曲线则为并联管路系统的特性曲线。当改变旁路控制阀的开度时， x发生变化，并联管路系统特性曲线也随着变化 。 离心泵流量旁路控制 这种控制方式，泵出口压力稳定，流量控制范围大，对阀门的要求低。 离心泵流量旁路控制，控制的是泵的回流量，将泵输出送回到输入端，存在一定虚功，总的机械效率较低。 注意:若为高压泵，泵两端压差很大时，不宜采用此方法。 旁路控制方案也可采用压力作为被控变量。将流量调节器FC改为压力调节器 PC，通过稳定泵出口压力，间接控制流量。 调节泵转速的流量控制 上两种控制方案共同的特点是简单，但都存在泵效率低、能耗大的问题，因此适合小功率应用场合。 为提高泵效率，采用改变泵的转速的控制方案，即调速控制。 可采用的调速方法有： （1）当汽轮机为原动机时，采用调节导向叶片角度或蒸汽流量。 （2）当用直流电动机为原动机时，采用电动调速装置。 （3）用交流电动机为原动机时，采用变频调速器。 变频调速流量控制 采用变频调速控制方案时，在液体输送管线上不安装控制阀，因此不存在阀门阻力损耗、机械效率高，节能效果显著。 但采用变频调速，流量控制精度低。适合大功率离心泵，并对流量控制要求低的场合使用。 这种方案技术较复杂，所需设备费用亦较高。但由于节能效果显著，应用越来越多。 为提高采用变频调速流量控制精度，也可在管道上串联控制阀。 离心泵的控制方案小结 直接节流方案简单易行，控制灵敏，但控制阀两端压力变化大，一般用于流量变化较小的场合； 旁路控制方案合适小流量系统，流量变化幅度大的情况；由于泵出口压力稳定、调节范围宽，在控制系统中应用较多。 调速控制方案最大的优点是能耗小；但设备投资费用高。适合控制要求不高但流量大，并且流量变化幅度也大的场合。节能效果显著。 对流量大，并控制质量要求也高的场合，可采用直接节流和调速法相结合的方式。 容积式泵控制 容积式泵又称定排量式泵， 有各种类型。 根据机械运动方式的不同可分为往复式泵和旋转式泵两大类。 往复式泵有活塞式、柱塞式等，旋转式泵有椭圆齿轮式、螺杆式等。 容积式泵的运动部件与机壳之间的间隙很小(理论上没有空隙)，流体不能在缝隙中流动。因此排量的大小只与泵的工作有关，而与管路系统特性无关。 往复式泵只取决于它的冲程大小和单位时间内的活塞往复运动次数，旋转式泵则仅取决于转速。 往复泵的工作原理 上图为活塞式往复泵。活塞1在泵缸2内作往复运动，吸入和排出液体。 这种泵的特点是：理论上压力可以无限高，流量与泵两端的压力无关，具有自吸能力。但流量不均匀，容易造成吸、排管道内的压力脉动 。适用于小流量、高压输液系统。此外，结构复杂，易损件多，维修工作量大。 往复泵的应用 输送流量较小、扬程较高的各种介质，尤其是特殊性介质，如高粘度、强腐蚀、易燃、易爆、有毒等类介质。当流量小于l00m3/h、排出压力大于9.8lMPa时，更能显示往复泵的高效率和良好的运行性能。 在化工流程中作为计量泵应用。往复泵除了输送液体之外，还同时具有测量和控制器的功能。很多部门把计量泵作为一种精密的工业仪表使用。 往复式杂质泵在大功率、大流量、远距离输送悬浮固体物的过程中，起十分关键的作用，其功率高达2200kw，年输送能力可达80亿t.km。 旋转式容积泵 旋转式容积泵的工作原理与离心泵完全不同。旋转式容积泵的泵体内部装有转子。根据转子形状不同有各种结构型式，图所示为两种不同齿轮泵。 旋转式容积泵 旋转式容积泵的两个转子之间，以及转子与泵体之间保持最小间隙面旋转。两个转子互相啮合旋转时，流体进入吸入侧的泵空间，随着齿轮旋转，液体由吸入侧进入封闭的空间内，液体被困在齿轮和泵体之间的空间，送至压出侧。两个齿轮啮合之处将泵的压出侧与吸入侧隔开，因而液体一旦被送到压出侧，不会返回吸入侧。理论上，不论多大的压出侧压力都能达到。实际上，泵两端压力差越大，同样会使泄漏量越大。 由于是连续的旋转过程，几乎没有往复泵那样的流量脉动情况。因此，旋转式容积泵具有离心泵与往复泵之间的特性。 转子泵的工作原理 转子泵的主要特点是结构紧凑、体积小、重量轻、造价低。但与离心泵比较，有效率低、振动大、噪音大和易磨损等缺点。 转子泵的用途广泛，以输送润滑油、汽油及轻油为主，也常用来输送重油、焦油及沥青等高粘性液体。但对于含砂等坚硬颗粒的液体不适合。转子泵的另一大用途是当作高压油泵来使用 。 螺杆泵的工作原理 螺杆泵工作时，螺杆旋转将密封在螺牙中的液体挤压，并沿轴向移动。 由于螺杆是等速旋转，所以液体流出的流量也是均匀的。 螺杆泵特点为：压力高，流量均匀，转速高，能与原动机直联。损失小，经济性能好。 适合输送各种油类及高分子聚合物等稠液体。 容积式泵的控制方法 容积式泵的排量与管路系统的阻力无关，并且出口端流量与压力也无关。因此，绝对不能采用直接节流方法控制流量；一旦出口阀关闭，由于泵的压头太高，可能造成泵和阀损毁的后果。 容积式泵应采用旁路控制法，通常容积式泵用于高压流体输送，采用旁路控制法时要注意泵两端压差。 采用旁路调节控制出口压力，然后用直接节流阀控制其流量。这两个控制回路在动态上是关联的，为此，在控制器参数整定时，应将它们的振荡周期错开。 改变原动机的转速，似于离心泵的调速法； 改变往复泵的冲程 。调节冲程的机构比较复杂，只有在一些计量泵等特殊的往复泵上采用。 往复泵出口压力流量控制系统 压缩机 压缩机是用来提高气体压力或输送气体的机械。与泵相同，按照压缩气体方式也分容积型压缩机和速度型压缩机两类。 容积型压缩机靠气缸内作往复运动的活塞，改变工作容积，使气体体积缩小而提高气体压力；或通过旋转运动的转子与壳体之间的封闭空间压缩气体。压力的提高是依靠直接将气体体积压缩实现的。 速度型压缩机则靠高速旋转叶轮的作用，提高气体的运动速度，即气体的动能。然后在扩压器中，使速度降下来，把动能转化为压力能的过程。 往复式压缩机 往复式压缩机是应用最早和最广泛的一种机型。往复式活塞压缩机的结构与往复泵十分相似，也属于容积型压缩机。它也是靠气缸内往复运动的活塞改变工作容积，当容积变小时，气体被压缩并排出；当容积扩大时，残留在余隙内的气体首先将膨胀，然后再吸入气体。 往复式压缩机的排气压力范围很广，可从几个大气压到3000个大气压以上。 往复式压缩机工作过程 往复式压缩机工作过程 吸气过程，图中D-A。当活塞向右运动时，进气阀打开，随着气缸容积变大，气体进入，直到活塞运动到最右死点为止，这个过程称吸气过程。当过程结束时，汽缸内压力与进气管压力相同。 2. 压缩过程，图中A-B。当活塞调转方向运动时，气缸容积开始减小，由于吸气阀的止逆特性，气体不能倒回进气管，随着容积减小，气体压力升高。直到气缸内气体压力与排气阀出口压力相同。这个过程称压缩过程。 往复式压缩机工作过程 3. 排气过程，图中B-C。随着活塞继续向右运动，气缸内气体压力高于排气阀出口压力，排气阀打开，被压缩的气体排出。直到活塞到达最左位置，缸内压力与出口压力相同。这个过程称排气过程。 膨胀过程，图中C-D。排气过程结束，活塞从最左点开始向右运动。开始时，缸内残存的高压气体膨胀，进气阀仍处于关闭状态，直到缸内压力低于进气阀前压力。这个过程称为膨胀过程。 此后开始下一个压缩循环。 往复式压缩机主要用在流量小、压缩比高的场合。 回转式压缩机 回转式压缩机也是一种容积式气体压缩机械。与旋转式泵结构相似。通过压缩机转子在气缸里作回转运动来达到气体增压与输送，下图为两叶罗茨鼓风机的工作过程示意图。假定两叶轮之间、叶轮与机壳之间的间隙为零。上叶轮与机壳的接触点用a1和a2表示，下叶轮与机壳的接触点用b1和b2表示，叶轮转动方向和气体运动方向如图中箭头所示。 两叶罗茨鼓风机工作过程 （b）随着叶轮转动，上叶轮右面接触a2消失，V1开始与排气腔连通。排气口的高压气体，通过缝隙δ1迅速向V1回流，使其压强陡然上升至排气压强。随着叶轮转动，在进口处封闭的那部分气体排出。 （c）与（a）相似，只不过上下两个叶轮互换位置而已。原来V1内的气体被推移到排气口，下叶轮与机壳在b1和b2两处接触，构成新的基元容积V2。 （d）随着接触点b2的消失和回流缝隙δ2的开启，基元容积V2与排气腔连通，此时的情形与（b）相似。 罗茨鼓风机的特点 1）属于容积式鼓风机，因而具有强制输气特征。在转速一定的条件下，流量也一定（随压强的变化很小），具有比较稳定的工作特性。 2）属于回转式运动机械，没有往复运动机构，没有气阀，易损件少，因此使用寿命长。并且动力平衡性好，能以较高的速度运转。运转一周可有多个吸、排气过程。相对于活塞式压缩机而言，气流速度均匀，不必设置储气柜。 3）运转时不需要注油润滑，因此可以保证输送的气体不含油，不需要使用气-油分离器等辅助设备。由于存在间隙及没有气阀，输送含粉尘或带液滴的气体时也比较安全。 罗茨鼓风机的特点 4）无内压缩过程，理论上讲，比那些有内压缩过程的鼓风机要多耗压缩功。但除同步齿轮和轴承外，不存在其它的机械摩擦，因此机械效率高。特别是大型罗茨鼓风机，容积效率高，全绝热效率也比较高。 此外，罗茨鼓风机还具有结构简单、制造容易、操作方便、维修周期长等优点。 其缺点是： 1）由于间隙的存在，有气体泄漏，且泄漏流量随升压或压差增加，限制了罗茨鼓风机向高压方向的发展； 2）由于进、排气脉动和回流冲击，会产生较为强烈的空气动力噪声，常需采取减噪消声措施； 3）主要零件表面多呈曲面形状，加工及检验复杂。 离心式压缩机 20世纪60年代以来，由于石油化学工业向大型化发展，离心式压缩机急剧地向高压、高速、大容量和高度自动化方向发展 。 离心式压缩机的构造与离心泵相似，其工作原理也是借助于高速旋转的叶轮所产生的离心力。它的原动机有蒸汽透平、电动机、蒸汽轮机或能量回收透平等。习惯上，把离心式压缩机和原动机的组合体称为离心压缩机组，或称透平压缩机组。 离心式压缩机的优点 1）压缩机的润滑油等不会污染被输送的气体； 2）气量的变化范围广，调节性能好； 3）运行率高，维修简单，易损件少； 4）体积小，流量大，重量轻； 5）有较好的经济性能。 由于离心式压缩机的这些优点，使它成为当今工业生产中应用最为普遍的压缩机类型。 离心式压缩机的缺点 离心式压缩机固有的，而且难以消除的缺点是主轴的轴向推力大，易发生喘振等。并且有可能因为微小的偏差造成严重事故，而且事故的出现往往是迅速猛烈，无法进行人工事故处理。 由于离心式压缩机的这些特点，其相应的控制系统也较复杂。 离心式

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