第九章典型过程单元控制解析ppt课件

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1、第九章 典型过程单元控制 n1 流体输送设备的控制方案n2.传热设备的自动控制n3 油田集输站监控系统设计n4 天然气城市门站监控系统设计9.1流体输送设备的控制方案 一、流体输送设备一、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: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。还有为保护输送设备不致损坏的一些保护性控制保护性控制方案

2、，如离心式压缩机的“防喘振”控制方案。二、离心泵的控制方案二、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，持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 二、离心泵的控制方案二、离心泵的控制方案2控制泵的转速控制泵的转速 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

3、;缺点:调速机构一般较复杂；应用：蒸汽透平驱动离心泵的场合，控制蒸汽量即可控制转速。变频调速电机驱动离心泵二、离心泵的控制方案二、离心泵的控制方案3控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路 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二、离心泵的控制方案二、离心泵的控制方案4.泵控泵技术泵控泵技术原理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、往复泵的控制方案三、往复泵

4、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、往复泵的控制方案三、往复泵的控制方案1改变原动机的转速改变原动机的转速 2控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路3改变冲程改变冲程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：需要注意：往复泵的出口管道上不允许安装控制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，总有一定体阀，这是因为往复泵活塞每往返一次

5、，总有一定体积的流体排出。当在出口管线上节流时，压头积的流体排出。当在出口管线上节流时，压头H会会大幅度增加。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、压气机的控制方案四、压气机的控制方案 n1.控制出口阀门开度控制出口阀门开度 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控制旁路流量控制旁路流量 它和泵的控制方案相同。它和泵的控制方案相同。但但对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

6、；因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。装控制阀，使其回到入口端。3调节转速调节转速 典型如变频调速。五、五、离心式压缩机的防喘振控制离心式压缩机的防喘振控制1.离心式压缩机的喘振现象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/p1Q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

7、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。1.离心式压缩机的喘振现象离心式压缩机的喘振现象对于离心式压缩机，若由于压缩机对于离心式压缩机，若由于压缩机的负荷的负荷(即流量即流量)减少，使工作点进减少，使工作点进入不稳定区入不稳定区(极限曲线之左）极限曲线之左），将会，将会出现一种危害极大的出现一种危害极大的“喘振喘振”现象。现象。示意如图。示意如图。从从A点点 负荷减小负荷减小 沿沿 ABC运动到运动到B点点 出口压力减小，出口压力小出口压力减小，出口压力

8、小于管网压力，气体导流于管网压力，气体导流到达到达C点，点，压缩机继续工作，压缩，向管网压缩机继续工作，压缩，向管网排出气体，排出气体，迅速到达迅速到达D点。点。D、A、B、C D、A、B、C。DABCP2/P1QBQn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 9.2 传热设备的自动控制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一、两侧均无相变化

9、的换热器控制方案1.控制载热体的流量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。9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制2控制载热体旁路流量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。9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n3控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量只能用在工艺介质的流

10、量允许变化的场合。n4控制被加热流体自身流量的旁路控制被加热流体自身流量的旁路9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n二、载热体进行冷凝的加热器自动控制二、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控制蒸汽流量控制蒸汽流量 9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n2控制换热器的有效换热面积控制换热器的有效换热面积 u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1123为温度与凝液的液位串

11、级控制，图1124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。9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制n三、用冷却剂进行汽化的冷却器自动控制三、用冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 1控制冷却剂的流量控制冷却剂的流量 2温度与液位的串级控制温度与液位的串级控制3控制汽化压力控制汽化压力预习安排9.3 油油田集输站监控系统设计田集输站监控系统设计 查阅查阅油油田集输站资料田集输站资料；9.4 天然气城市门站监控天然气城市门站监控 查阅查阅油油田集输站资料田集输站资料。作业Page 251 1,2,3,4,5,81流体输送设备的控制方

12、案2传热设备的自动控制n3 油田集输站监控系统油田集输站监控系统n4 天然气城市门站监控系统天然气城市门站监控系统第九章第九章 典型过程单元控制典型过程单元控制复习一、流体输送设备一、流体输送设备二、离心泵的控制方案二、离心泵的控制方案v1.控制泵的出口阀门开度控制泵的出口阀门开度v2控制泵的转速控制泵的转速v3控制泵的出口旁路控制泵的出口旁路v4.泵控泵技术泵控泵技术三、往复泵的控制方案三、往复泵的控制方案四、压气机的控制方案四、压气机的控制方案9.1流体输送设备的控制方案流体输送设备的控制方案一、两侧均无相变化的换热器控制方案一、两侧均无相变化的换热器控制方案v1.控制载热体的流量控制载热

13、体的流量v2控制载热体旁路流量控制载热体旁路流量v3控制被加热流体自身流量控制被加热流体自身流量v4控制被加热流体自身流量的旁路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二、载热体进行冷凝的加热器自动控制三、用冷却剂进行汽化的冷却器自动控制三、用冷却剂进行汽化的冷却器自动控制 9.2 传热设备的自动控制传热设备的自动控制控制原理 9.3 油油田集输站监控田集输站监控一、一、原油集输站的功能和作用原油集输站的功能和作用1.汇集附近各采油井汇集附近各采油井/计量站来油计量站来油2.脱砂、脱气、脱水脱砂、脱气、脱水 3.储存原油储存原油4.原油加压外输原油加压外输 来油汇集与计量

14、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、二、原油集输站工艺原理原油集输站工艺原理油井三、三、被控变量选择被控变量选择1、被控变量选择原则回顾：7.2 简单控制系统设计简单控制系统设计 v工艺过程的工艺过程的重要参数重要参数；v需要经常调节的参数需要经常调节的参数；v直接指标直接指标参数，参数，v方便检测方便检测，并有足够的灵敏度；，并有足够的灵敏度；v适当考虑系统测控代价；适当考虑系统测控代价；v独立可控独立可控的的。三、三、被控变量选择被控变量选择2、原油外输流量（压力）选择理由：重要参数重要参

15、数，能力标志，结算依据，能力标志，结算依据3、原油外输温度 选择理由：重要参数重要参数，能耗优化，能耗优化 4、其它监测变量、其它监测变量v 入口流量入口流量v 储罐液位储罐液位 等等对牛顿流体，粘度只与温度有关。温度越高，管输阻力越小，功耗越小；但温度越高，管道热量损失越大。故需要优化控制。四、四、控制方案控制方案1、原油外输流量（压力）控制原油外输流量（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 给定值x测量值-z变送器 FTep调节作用变频电机q被控流量y干扰作用f外输泵对象控制器FIC控制器输出原油外输流量（压力）控制系统方框图原油外输

16、流量（压力）控制系统方框图四、四、控制方案控制方案2、原油外输温度控制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 设定值温度控制器出口温度测量燃料控制阀干扰被控量加热炉原油外输温度控制系统方框图原油外输温度控制系统方框图原油集输站的监测与控制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，高精度五、检测五、检测/控制设备选择控制设备选择3.储罐液位储罐液位 选选：浮筒/浮子/差压式液位

17、计4.温度测量温度测量 选选：热电阻/热电偶温度变送器5.压力测量压力测量 选选：压力变送器6.天然气天然气/伴生气流量伴生气流量 选：差压流量计7.燃气流量控制阀燃气流量控制阀 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10、油水界面测量五、检测五、检测/控制设备选择控制设备选择采用浮子/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。设原油液位h，原油密度为；均为待测变量。采用浮子/浮筒液位计测量原油液位

18、h；采用差压变送器测量压差，计算得原油密度。9.4 天然气城市门站监控天然气城市门站监控一、天然气城市门站的功能和作用一、天然气城市门站的功能和作用1.接受高压天然气管道接受高压天然气管道/LNG站来气站来气2.调节压力调节压力3.民用天然气加臭剂民用天然气加臭剂(四四氢噻酚酚S4H8S)4.用气量计量用气量计量 5.天然气送各小区天然气送各小区/大用户大用户 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二、天然气城市门站工艺流程三、监测变量选择三、监测变量选择1、天然气外输压力 选择理由：重要参数重要参数，控制指标，控制指标2、天然气、天然气外输流量 选择

19、理由：重要参数重要参数，计量、结算依据，计量、结算依据3、其它监测变量、其它监测变量v 入口流量、温度入口流量、温度v 出口压力、温度出口压力、温度 （气体温压补偿计算）（气体温压补偿计算）四、四、控制控制/测量方案测量方案 1、压力控制压力控制 一般采用自力式调压阀 调压。2、天然气流量计量补偿计算、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，故四、四、控制控制/测量方案测量方案3.流量累积计算标方：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)。2、天然气流量计量补偿计算、天然气流量计量补

20、偿计算故，标准方计算公式为：K：按天然气组分确定的一个非理想气体校正系数。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城市门站监控天然气分输站监控原理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.温度温度 选：热电阻温度变送器 3.压力测量压力测量 选：压力变送器4.过滤器压差测量过滤器压差测量 选：差压变送器5.控制系统控制系统 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1.查找某原油罐区/成品油罐区工艺资料，为其设计测控系统。2.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。3.预习：预习：总复习。