典型过程单元控制.ppt

第八章 典型过程单元控制,1 流体输送设备的控制方案 2. 传热设备的自动控制 3 油田集输站监控系统设计 4 天然气城市门站监控系统设计,§8.1流体输送设备的控制方案 一、流体输送设备,泵是液体的输送设备，压缩机则是气体的输送设备 它们的基本任务是输送流体和提高流体的压头 对它们的控制任务: ①在连续性化工生产过程中，在油气输送过程中，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外，对流体输送设备的控制，多数是属于流量或压力的控制，如定值控制、比值控制及以流量作为副变量的串级控制等 ② 还有为保护输送设备不致损坏的一些保护性控制方案，如离心式压缩机的“防喘振”控制方案二、离心泵的控制方案,离心泵流量控制的目的是要将泵的排出流量恒定于某一给定的数值上 离心泵流量控制常用三种方法 1. 控制泵的出口阀门开度 原理:,在一定转速下，离心泵的排出流量Q与泵产生的压头H有一定的对应关系,改变出口阀门的开启度就是改变管路上的阻力， 即:使得H变化,Q变化缺点: 总的机械效率低，特别是控制阀开度较小时，阀上压降较大，不经济优点:简单易行、应用广泛,,,,2．控制泵的转速 原理:当泵的转速改变时，泵的流量特性曲线会发生改变,如图。

优点:最为经济，机械效率较高 缺点:调速机构一般较复杂 应用： ①蒸汽透平驱动离心泵的场合，控制蒸汽量即可控制转速 ② 变频调速电机驱动离心泵,,,,,,,,3．控制泵的出口旁路 原理:将泵的部分排出量重新送回到吸入管路，用改变旁路阀开启度的方法来控制泵的实际排出量 优点:流量控制平稳，实现简单 缺点:旁路阀消耗一部分高压流 体能量，使总的机械效率降低 ； 应用：流量控制要求严格的场合,4. 泵控泵技术 原理1:串联变频调速小泵改变大泵入口压力，控制大泵出口流量/压力 原理2:并联变频调速小泵，直接改变大泵出口流量/压力三、往复泵的控制方案,往复泵也是常见的流体输送机械，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往复滑行来输送流体的 往复泵提供的理论流量可按下式计算： 式中 n——每分钟的住复次数； F——气缸的截面积，m2； S——活塞冲程，m 控制原理： 改变n、F、s来控制流量三、往复泵的控制方案,1．改变原动机的转速 2．控制泵的出口旁路 3．改变冲程s：冲程s的调整可在停泵时进行，也有可在运转状态下进行的 需要注意：往复泵的出口管道上不允许安装控制阀，这是因为往复泵活塞每往返一次，总有一定体积的流体排出。

当在出口管线上节流时，压头H会大幅度增加 往复泵的前两种控制方案，原则上亦适用于其他位移式的泵，如齿轮泵等四、压气机的控制方案,1. 控制出口阀门开度 对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口直接用控制阀控制流量由于管径较大，执行器可采用蝶阀 其余情况下，为了防止出口压力过高，通常在入口端控制流量因为气体的可压缩性，这种方案对于往复式压缩机也适用 2．控制旁路流量 它和泵的控制方案相同但对于压缩比很高的多段压缩机，从出口直接旁路回到入口时；因为控制阀前后压差太大，功率损耗太大为此可在中间某段安装控制阀，使其回到入口端 3．调节转速 典型如变频调速五、 离心式压缩机的防喘振控制,1. 离心式压缩机的喘振现象 压缩机的出口与入口的绝对压力之比p2/p1与进口体积流量Q之间的关系曲线如图 由图可见，对应于不同转速n的每一条p2/p1—Q曲线，都有一个最高点此点之右，降低压缩比p2/p1会使流量增大此点之左，降低压缩比，反而使流量减少．这样的对象是不稳定的，这时，如果因干扰作用使出口管网的压力下降时，压缩机不但不增加输出流量，反而减少排出量，致使管网压力进一步下降，因此，离心式压缩机特件曲线的最高点是压缩机能否稳定操作的分界点。

喘振现象,对于离心式压缩机，若由于压缩机的负荷(即流量)减少，使工作点进入不稳定区(极限曲线之左） ，将会出现一种危害极大的“喘振”现象示意如图 从A点→ 负荷减小→ 沿 ABC运动到B点→ 出口压力减小，出口压力小于管网压力，气体导流→到达C点，→压缩机继续工作，压缩，向管网排出气体，→ 迅速到达D点→→ D、A、B、C→ D、A、B、C 工作点反复迅速突变，好像工作点在“飞动” 管网 “哮喘” 2．防喘振控制方案,由上可知，离心式压缩机产生喘振现象的主要原因是由于负荷降低，排气量小于极限值QB而引起的，只要使压缩机的吸气量大于或等于在该工况下的极限排气量即可防止喘振 (1) 固定极限流量法 (2) 可变极限流量法,,,§8.2 传热设备的自动控制,一、两侧均无相变化的换热器控制方案 1. 控制载热体的流量 改变裁热体流量是应用最为普通的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合 如果裁热体本身压力不稳定，可另设稳压系统，或者采用以温度为主变量、流量为副变量的串级控制系统 2．控制载热体旁路流量 当载热体是工艺流体、其流量不允许变动时，可采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又可以保证裁热体总流量不受影响。

3．控制被加热流体自身流量 只能用在工艺介质的流量允许变化的场合 4．控制被加热流体自身流量的旁路,二、载热体进行冷凝的加热器自动控制 利用蒸汽冷凝来加热介质的加热器，在石油、化工中十分常见在蒸汽加热器中，蒸汽冷凝由汽相变为液相，放出热量，通过管壁加热工艺介质如果要求加热到200℃以上或30℃以下时，常采用一些有机化合物作为载热体 1．控制蒸汽流量,,,,,,,10,10,10,2．控制换热器的有效换热面积 较有效的办法为采用串级控制方案串级控制有两种方案 图10—23为温度与凝液的液位串级控制， 图10—24为温度与蒸汽流量的串级控制 由于串级控制系统克服了进入副回路的主要干扰，改善了对象特性、因而提高了控制品质10,10,三、用冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 1．控制冷却剂的流量 2．温度与液位的串级控制 3．控制汽化压力,,,§8.3 油田集输站监控,一、 原油集输站的功能和作用 汇集附近各采油井/计量站来油 脱砂、脱气、脱水 储存原油 原油加压外输,来油汇集与计量,长庆油田某集输站,来油汇集与计量 定边钻采公司某站,油气水砂四相分离,长庆油田某集输站,长庆油田某集输站,水罐,原油罐区与外输泵房,长庆油田某集输站,二、 原油集输站工艺原理,,,油井,三、 被控变量选择,1、被控变量选择原则 回顾：§7.2 简单控制系统设计 工艺过程的重要参数； 需要经常调节的参数； 直接指标参数， 方便检测，并有足够的灵敏度； 适当考虑系统测控代价； 独立可控的。

2、 原油外输流量（压力） 选择理由：重要参数，能力标志，结算依据 3、原油外输温度 选择理由：重要参数，能耗优化 4、其它监测变量 入口流量 储罐液位 等,四、 控制方案,1、 原油外输流量（压力）控制 控制方案：流量（压力）测量  流量（压力）控制器 （PI或PID控制规律）  变频调速电机,原油外输流量（压力）控制系统方框图,2、 原油外输温度控制 控制方案：温度测量  温度控制器 （PID控制规律） 天然气入口控制阀,原油外输温度控制系统方框图,原油集输站的监测与控制,油井,五、检测/控制设备选择,1. 原油入口流量测量 a. 选择：超声波流速测量仪、差压法测量 原因：入口原油含砂、气 b. 专用计量罐 缺点：断续型检测 2. 原油出口流量测量 选择：罗茨流量计 原因：交接计量，高精度,3. 储罐液位 选：浮筒/浮子/差压式液位计 4. 温度测量 选：热电阻/热电偶温度变送器 5. 压力测量 选：压力变送器 6. 天然气/伴生气流量 选：差压流量计 7. 燃气流量控制阀 选：防爆式电动控制阀 理由：节能；阀少，但供气系统复杂 8. 控制系统设备 选择：工业控制计算机 或小型PLC系统 原因： 控制回路少，测量点较少。

9、原油密度测量,设原油液位h，原油密度为ρ ；均为待测变量采用浮子/浮筒液位计测量原油液位h；采用差压变送器测量压差，计算得原油密度采用浮子/浮筒液位计测量总液位H；采用差压变送器测量压差，计算得水位和油位设水的密度为 ，油的密度为 ，均为已知常量10、油水界面测量,9、原油密度测量,§8.4 天然气城市门站监控,一、天然气城市门站的功能和作用 接受高压天然气管道/LNG站来气 调节压力 民用天然气加臭剂(四氢噻酚S4H8S) 用气量计量 天然气送各小区/大用户,克拉玛依天然气门站,撬装式城市门站,,西气东输———上海鹤镇分输站,二、天然气城市门站工艺流程,,三、监测变量选择,1、 天然气外输压力 选择理由：重要参数，控制指标 2、天然气外输流量 选择理由：重要参数，计量、结算依据 3、其它监测变量 入口流量、温度 出口压力、温度 （气体温压补偿计算）,四、 控制/测量方案,1、 压力控制 一般采用自力式调压阀 调压 2、天然气流量计量补偿计算 理想气体方程 ： 天然气可按照理想气体近似计算，故,2、天然气流量计量补偿计算 故，标准方计算公式为：,标方：压力为1个标准大气压，即0.1013MPa，温度为25 ℃，即298K ；V1、P1、T1分别为实测流量、压力(MPa)、温度(K)。

K： 按天然气组分确定的一个非理想气体校正系数3、流量累积计算,计算机采样累加公式为 T为采样时间,天然气城市门站监控,天然气分输站监控原理,,五、检测/控制设备选择,1. 天然气入口、出口流量 选：涡轮流量计 原因：交接计量，精度高，能量损失小 2. 温度 选：热电阻温度变送器 3. 压力测量 选：压力变送器 4. 过滤器压差测量 选：差压变送器 5. 控制系统 选：IPC或数字式二次仪表 原因： 无控制回路，测量点较少思考题,查找某原油罐区/成品油罐区工艺资料，为其设计测控系统 查找某天然气城市门站或天然气分输站的工艺资料，为其设计测控系统 预习： 总复习。