任务3 石油化工、制药工业生产过程流体输送工艺控制设计

在石油化工、制药工业生产过程中，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的。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，压缩机则是气体输送设备。

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。

1.3.1 离心泵的控制方案设计

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，可用图1-6来表示（图中n3 ＜n2 ＜n1）。

离心泵的特性也可用下面的经验公式来表示，即

式中，K1和K2为比例系数。

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值上。流量控制在生产过程中是常见的，其控制方案应根据生产工艺和控制要求合理确定。

1.控制离心泵的阀门开启度

通过控制离心泵出口阀门开启度来控制流量的方法如图1-7所示。当扰动作用使被控变量发生变化并偏离给定值时，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。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1-8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的基本原理。

（1）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，这叫气蚀。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。

（2）控制离心泵的出口阀门开启度的控制方案简单可行，是应用最为广泛的方案。缺点是：此控制方案总的机械效率较低，特别是控制阀开启度较小时，阀上压降较大，对于大功率离心泵所损耗的功率相当大，因此是不经济的。

2.控制离心泵的转速

（1）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。图1-9表示这种控制方案及泵特性变化改变工作点的情况。

（2）改变泵的转速以控制流量的方法有：用电动机作为原动机时，采用变频调速装置；用汽轮机作为原动机时，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，在输送管路上不需要安装控制阀，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则比较复杂，所需设备费用也较高。

3.控制离心泵的出口旁路

图1-10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。这种控制方式的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，所以机械效率也比较低。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。

1.3.2 往复泵的控制方案设计

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。它是利用活塞在汽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的公式计算，即

式中，n为每分钟的往复次数；F为汽缸的截面积，单位是m2；S为活塞的冲程，单位是m。

从式（1-2）中可以清楚地得知，影响往复泵出口流量变化的仅有 n、F、S 三个参数，或者说只能通过改变n、F、S来控制流量。了解这一点对设计流量控制方案很有帮助。常用的往复泵流量控制方案有三种：

（1）改变原动机的转速，如图1-11所示。

（2）控制泵的出口旁路，如图1-12所示。

（3）改变冲程S。计量泵常用改变冲程S来进行控制流量。由于控制冲程的机构复杂，其他用途的往复泵很少选择该方案。

由于往复泵以及其他容积式泵均有一个共同的结构特点，即泵的运动部件与机壳之间的间隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以绝对不能采用出口处直接安装控制阀节流的方法来控制流量，一旦出口处阀门关死，则可能造成泵损机毁的严重后果。

1.3.3 压缩机的控制方案设计

压缩机和泵都是输送流体的设备，其区别在于压缩机是用来提高气体的压力，气体是可以压缩的，所以在操作时要考虑压力对其密度的影响因素。

压缩机的种类很多，按工作原理的不同可分为离心式和往复式两大类，按进、出口压力高低的差别可分为鼓风机、压缩机等类型。在制定控制方案时必须要考虑到各自的特点。压缩机的控制方案与离心泵的控制方案有很多相似之处，被控变量同样是流量或压力，控制手段一般可分为三类。

1.直接控制流量

对于低压的离心式鼓风机，一般可在其出口处直接控制流量，气体输送的管径通常都比较大，执行器可采用蝶阀。其他情况下，为了防止鼓风机出口压力过高，可在入口端控制流量。因为气体具有可压缩性，所以这种方案对于往复式压缩机也是适用的。在控制阀关小时，会在压缩机入口端形成负压，这就意味着吸入同样容积的气体，其质量流量减少了。流量降低到额定值的50%～70%以下时，负压严重而使压缩机效率大为降低。这种情况下可采用分程控制方案，如图1-13所示。出口流量控制器控制着两个控制阀。吸入阀1只能关小到一定的开启度，如果需要的流量还要小，则应打开旁路阀2，以避免入口端负压严重。

为了减少阻力损失，对大型压缩机往往不采用控制吸入间的方法，而采用控制导向叶片角度的方法。

2.控制转速

压缩机转速的改变能使其出口的流量和压力发生变化，控制转速就能控制压缩机的出口流量和压力。这种控制方案从能量效率上说最经济，但在设施上较复杂。大功率的风机，尤其是用蒸汽带动的大功率风机应用调速的方案较多。

3.控制旁路流量

用分路控制回流的方法控制流量的方案与离心泵的方案一样。