离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析.pdf

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1、第4期聂建英等．离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析离心泵变频控制对流量控制性能的影响分析聂建英于洋罗雄麟(中国石油大学自动化研究所，北京102249)摘要在过程控制领域中，流体运送系统中流量调节方法主要有节流调节和离心泵变频调速调节。将离心泵的变额调速调节与节流调节进行比较，分析并证明了节流调节能耗大但受干扰波动程度相对较小，调节较快；而变频调节存在流量较低时会使阀后压力过低，及在流量设定值或容器压力变化时动态响应时间较节流调节要慢的问题。通过推导及模拟仿真表明：变频调节在过程控制中是存在一定局限性的。关键词流量调节变频调节节流调节离心泵中圈分类号T

2、H3ll文献标识码A文章编号1000—3932(2013)04-0485-05目前过程控制领域中，流体运送系统中流量调节方法主要有节流调节和离心泵变频调速调节⋯。节流调节是通过调节阀门开度以改变管路特性曲线达到改变流量来满足工况需求，但是此过程中大部分能量都被消耗在了阀门的节流环节以及冗余设计而导致的泵出口阀压降上面。20世纪80年代初发展起来的变频调速技术是在不改变管路特性曲线的基础上改变泵的转速以调节流量旧1，避免了消耗在阀门上的能量，因此变频调节比节流调节更节能，但变频调节方式并不总是符合要求的。在通过改变转速来调节流量的过程中，扬程(压力)也会一

3、同改变，甚至比流量改变得更快，因此可能会导致流体压力过低而无法满足工艺要求。鉴于变频调节在流量较低时的不易调节而节流调节能耗大的考虑，笔者提出了结合两种调节方式并取其各自优点的调节方案——离心泵的变频调速与节流分程协调控制∞1。该方案将流量的变化分为3个区间，低流量阶段使用节流调节，泵的转速不变；中间阶段节流与变频调节同时进行；高流量阶段使用变频调节而阀门开度保持不变。此方案既能满足低流量时系统对压力的要求，又可以起到较好的节能作用。笔者通过对两种调节方式稳态时的压力变化及操作条件突变时动态响应的比较分析和仿真验证，证明了在过程控制中单独使用变频调速调节

4、存在一定的局限性。1问题的提出在图I中¨J，通过节流方式使流量从Q。调至Q。时，阀门开度变小，管路特性曲线从Ro变成R。，泵转速保持／'t。不变，扬程从风上升到日。，工况点由A变为B，此时消耗的功率正比于面积H。OQ。B。而变频调节则是在不改变阀门开度即管路阻力特性R。的条件下改变离心泵的特性曲线，即转速从n0变为l"t．时，扬程也从瓯下降到日：，工况点由A变为C，此时消耗的功率正比于面积H：OQ。C。很明显，S小。邮>S舵。口Ic，变频调节比节流调节要更节省能量"“1。扬程Ⅳ日．巩．『j『。日。0图I离心泵与管路特性曲线但在单独使用变频调速调节流量时，

5、根据离心泵的比例定律一j，若离心泵的转速变化小于20％，则流量Q、扬程H随转速n变化的趋势为：QlnIHI，8l＼2Q。n。’吼＼‰』坟稿日期：2012．11．19(修改稿)基金项目：国家自然科学基金资助项目(20976193)486化工自动化及仪表第40卷也就是说，流量从Q。变为Q，的同时，扬程会从矾变为日：，甚至比流量变快得更快。若此时没有阀门对流体能量的储存，在流量低到一定程度时可能会致使阀后压力过低而达不到后续流程中对流体压力的要求。除此之外，转速的改变是一个动态过程，对于管路流量设定值变化或者末端容器内部压力有突变的情况，相比节流调节而言，由于

6、变频调节的特性，流量的调节可能不会及时达到要求。而节流调节由于阀门的“储能”作用，可以在改变流量的同时满足压力要求，且在操作条件有突变时也能有较快的响应速度。节流调节能耗大，而变频调节在节能的同时可能存在阀后压力不足和调节慢的问题，下面将从稳态与动态的角度对两种调节方式在流量控制性能方面的影响进行比较分析。2节流调节与变频调节的稳态比较与分析图2为简单的流体输送系统示意图，通过对管路出口流量进行反馈来控制阀门开度或泵的转速(变频器)。4图2流体输送系统示意图节流调节。采用节流调节，在图2中“1”(吸液容器)与“2”(阀前)流体截面之间写出伯努利方程：王上

7、．2lt．2pgzl+pI+p-3’-+Ap=P群2+p2+p_}+△PL(1)式中u——各流体流速；z——各流体截面中心到基准面(截面“1”)的垂直距离；△p——泵(恒速运转)提供的压力；△p。——所取流体截面之间管路的压力损失。根据文献[10]，△p可拟合为Q的一元二次多项式Ap=口+6Q+cQ2，其中口、b、c为多项式拟合系数；管路损失为⋯3：△pL=bLl_2Q2虬，(A华咄)·可方]2由此可得节流调节时的阀前压力：Pz=(c一6c一寿)Q2+6Q+。一Pg(z：--91)(2)同理在图2中“3”(阀后)与“4”(末端容器)流体截面之间写出伯努利

8、方程，可得节流调节时阀后压力：P，=(6u一一寿)Q2+pg(z4_)(3)式(