換熱器溫度控制系統(tǒng)

1、混合加熱器設(shè)計為確?；旌霞訜崞鳎‥-0101B）中MN亞硝酸甲酯），C0（ 氧化碳）的出口溫度為408K 選用,408K的加熱蒸汽加熱入口溫度為294K的工藝介質(zhì)。為保證生成物的產(chǎn)量，質(zhì)量，及 最終生成物的轉(zhuǎn)化率，且工藝介質(zhì)較穩(wěn)定，蒸汽源壓力較小，變化不大，因此針對此實際 情況，最后確定設(shè)計一個換熱器的反饋控制方案。換熱器概述換熱器工作狀態(tài)如何 , 可用幾項工作指標(biāo)加以衡量。常用的工作指標(biāo)主要有漏損率、換 熱效率和溫度效率。它們比較全面的說明了換熱器的特點和工作狀態(tài)，在生產(chǎn)和科學(xué)試驗 中了解這些指標(biāo)，對于換熱器的管理和改進都是必不可少的。換熱器是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備， 又稱熱交

2、換器。 換熱器在化工、 石油、 動力、食品及其它許多工業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，其在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、 冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用廣泛。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種 以上流體間實現(xiàn)物料之間熱量傳遞的節(jié)能設(shè)備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較 低的流體，使流體溫度達到流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源 利用率的主要設(shè)備之一。換熱器的分類適用于不同介質(zhì)、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結(jié)構(gòu)型式也不同，換熱 器的具體分類如下：一 按傳熱原理分類：間壁式換熱器，蓄熱式換熱器，流體連接間接式換熱器，直接接 觸式換熱器，復(fù)式換熱器按用途分類：加熱器，

3、預(yù)熱器，過熱器，蒸發(fā)器、按結(jié)構(gòu)分類：浮頭式換熱器，固定管板式換熱器， U 形管板換熱器，板式換熱器此設(shè)計要求是將進料溫度都為的 MN（亞硝酸甲酯）和CO（氧化碳）加熱到出口溫度 為473K,所以我們經(jīng)過調(diào)查研究，綜合比較之后選擇了管殼式（又稱列管式）換熱器。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內(nèi)部裝有平行管 束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內(nèi)進行換熱的兩種流體，一種在管 內(nèi)流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。換熱器的用途換熱器又叫做熱交換器（ heat exchanger ），是化工、石油、動力、食品及其它許

4、多工 業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。進行換熱的目的主要有下列四種：. 使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過程很好的進行； . 生產(chǎn)過程 中加入吸收的熱量或除去放出的熱量， 使工藝過程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行； . 某些工藝 過程需要改變無聊的相態(tài)；回收熱量。由于換熱目的的不同， 其被控變量也不完全一樣。 在大多數(shù)情況下， 被控變量是溫度， 為了使被加熱的工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調(diào)節(jié)加熱蒸汽量使 工藝介質(zhì)出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。換熱器的工作原理及工藝流程圖換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：

5、冷流體和熱流體分別通過換熱 器的管程和殼程，通過熱傳導(dǎo)，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫 度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過多級離心泵 流經(jīng)換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進口處均設(shè)置一個調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的 大小。圖 1 換熱器溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩(wěn)，滿足工藝生產(chǎn)的要求，必須對傳熱量進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)傳熱量有以下幾條途徑：、調(diào)節(jié)載熱體的流量。調(diào)節(jié)載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)k和平均溫差 Tm對于載熱體在加熱過程中不發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱速率 方程的熱系數(shù)K;

6、而對于載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變的情況，主要是改變傳熱方程中的 Tm。、調(diào)節(jié)傳熱平均溫差 Tm這種控制方案滯后較小反應(yīng)迅速，應(yīng)用比較廣泛。、調(diào)節(jié)傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。、將工藝介質(zhì)分路。該方案是一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱，另一部分走旁路。在設(shè)計傳熱設(shè)備自動化控制方案時，要視具體傳熱設(shè)備的特點和工藝條件而定。而在 某些場合，當(dāng)被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又 較大時，為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調(diào) 節(jié)傳熱面積，以保持出口溫度恒定。2. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的選擇由于本次設(shè)計的任務(wù)控制換熱器被加熱物

7、料出口溫度，工藝過程主要就是冷熱流體熱 交換，且外來干擾因素主要是載熱體的流量變化，故選擇單回路控制系統(tǒng)便可以達到預(yù)定 的控制精度。工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)又稱為簡單控制系統(tǒng)，是有一個被控對象、一個檢測元件及變送器、 一個調(diào)節(jié)器和一個控制器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于分析設(shè)計， 投資少、便于施工，并能滿足一般的一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)過程中得到廣 泛的應(yīng)用，其方框圖如下圖所示。圖 2 、 單回路控制系統(tǒng)方框圖其中，被控變量：被加熱物料的出口溫度； 操縱變量：載熱體的流量。如圖所示：測量元件及變送器對冷物料出口溫度進行測量，得到測量值Ym并傳送給調(diào)節(jié)器，調(diào)

8、節(jié)器把Ym與內(nèi)部給定值Ys比較得到偏差信號e按一定的調(diào)節(jié)運算規(guī)律計算出控 制信號，并將控制信u號傳送給執(zhí)行器，執(zhí)行器接收到控制信號 u,自動的改變閥門的開 度，改變蒸汽的流量。、被控對象特性研究換熱器是傳熱設(shè)備中較為簡單的一種， 也是最常見的一種。 通常它兩側(cè)的介質(zhì) （ 工藝介 質(zhì)和載熱體 ）在換熱過程中均無相變。 換熱器換熱的目的是保證工藝介質(zhì)加熱 （或冷卻 ）到一 定溫度。為保證出口溫度平穩(wěn)，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調(diào)節(jié)。被控變量的選擇影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多 , 但并非對所有影響因素都要進行控制 .被控參 數(shù)是一個輸出參數(shù) ,應(yīng)為獨立變量 , 與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)

9、關(guān)系 . 對于換熱器過程控制 系統(tǒng), 人們最關(guān)心的是對換熱器中介質(zhì)即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調(diào)節(jié), 而在這兩項當(dāng)中, 溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位 .因為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全 性, 即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù) .操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響， 實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。 將出口溫度維持在一定值，影響冷物料出口溫度的有很多因素，比說冷物料的流量，載熱 體的流量，載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的，不能選用冷物料作為被控變量，而 若選載熱體溫度作為操縱變量，改變其溫度還需改變其他工藝過程如鍋爐的溫度，考慮工 藝合理性，我選擇對熱

10、流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。被控對象特性換熱器系統(tǒng)在連續(xù)生產(chǎn)中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析， 這個方案的控制流程圖如圖 3。圖 3 換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，根據(jù)能量守恒定律，熱流體失去的熱量 應(yīng)該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為：式中，q為傳熱速率（單位時間內(nèi)傳遞的熱量）；G為質(zhì)量流量；c為比熱容；T為溫度。式 中的下標(biāo)處 1 為載熱體； 2 為冷流體； i 為入口； o 為出口。傳熱過程中的傳熱速率為:式中，K為傳熱系數(shù)；F為傳熱面積；T為兩流體間的平均溫差。其中，平均溫差 T對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值：

11、當(dāng)1衛(wèi)3時，其誤差在5鳩內(nèi)，可采用算術(shù)平均值來代替，算術(shù)平均值表示為： 3 T2o hi由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程，又符合傳熱速率方程，因此有下列關(guān)系整理后得從上式可以看出，在傳熱面積F、冷流體進口流量G2、溫度T2i和比熱容c2一定的情況 下，影響冷流體出口溫度的因素主要是傳熱系數(shù)K以及平均溫差 T o調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇調(diào)節(jié)器的作用是對來自變送器的測量信號與給定值比較所產(chǎn)生的偏差e(t)進行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)或比例積分微分(PID)運算，并輸出信號到執(zhí)行器。選 擇調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設(shè)計的系 統(tǒng)能滿足生產(chǎn)

12、工藝對控制質(zhì)量指標(biāo)的要求。比例控制規(guī)律(P)是一種最基本的控制規(guī)律，其適用范圍很廣。在一般情況下控制質(zhì)量 較高，但最后有余差。對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負(fù)荷變化不大，工藝要 求又不太高的場合，可選用比例控制作用。比例控制規(guī)律(P)的微分方程數(shù)學(xué)模型為:比例積分 (PI) 控制規(guī)律，結(jié)合了比例控制反應(yīng)快，積分控制能消除余差。但是當(dāng)過程 控制通道的純時延和容量時延都較大時，由于積分作用容易引起較大的超調(diào)，可能出現(xiàn)持 續(xù)振蕩，所以要盡可能避免用比例積分控制規(guī)律，不然會降低控制質(zhì)量。通常對管道內(nèi)的 流量或壓力控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應(yīng)用較多。比例積分 (PI) 控制規(guī)律的微分

13、方程數(shù)學(xué)模型為：比例微分(PD)控制規(guī)律，由于引入微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容量 時延的場合，會大大改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。但是對于時延很小，擾動頻繁的系統(tǒng)，由于微 分作用會使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時會使系統(tǒng)發(fā)生事故，所以應(yīng)盡可能不用微分作用。比例微分(PD)控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為：當(dāng)要比例積分微分 (PID) 作用是一種理想的控制作用， 一般均能適應(yīng)不同的過程特性。 求控制質(zhì)量較高時，可選用這種控制作用的調(diào)節(jié)器。比例積分微分 (PID) 控制規(guī)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為：其中：u(t):為調(diào)節(jié)器的輸出號kp ：放大倍數(shù)T i ：積分時間常數(shù)T d ：微分時間常數(shù)e(t) ：設(shè)定值與測

14、量值偏差信號通過以上幾種調(diào)節(jié)規(guī)律的分析及本系統(tǒng)是溫度控制為被控參數(shù)，溫度檢測本身具有滯后性，為了彌補這個缺點，本系統(tǒng)選用比例積分微分 (PID) 控制規(guī)律。3、過程檢測控制儀表的選用測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電 偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測溫儀器， 它由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成， 其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點： 測溫精度高、性能穩(wěn)定； 結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好； 將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量； 測溫范圍廣，可達-2002000C； 形式多樣，適用于多種測溫條件；被控溫度在

15、500r以下，由1表3-5選用鉑熱電阻溫度計，為了提高檢測精度，應(yīng)采用三線制接法，并配用 DDZ-rn型熱電偶溫度變送器。DDZ-m型熱電偶溫度變送器主要性能指標(biāo)如下： 測量范圍 最小量程3mV最大量程60mV零點遷移-50+50mV 基本誤差0.5% 溫度特性環(huán)境溫度每變化25 E，附加誤差不超過千分之五。 恒流性能 當(dāng)負(fù)載電阻在0100Q范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。 防爆指標(biāo) 結(jié)構(gòu)為安全火花型；防爆等級為 HE e；防爆額定電壓為220V AC/DC 其優(yōu)點有以下幾點： 采用了低漂移、高增益的線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩(wěn)定性和各項性能指 標(biāo)。 在熱電偶溫度變送器中用線性化電

16、路，使變送器輸出信號與被測溫度信號保持了線性 關(guān)系。 線路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全柵的功能。執(zhí)行器根據(jù)生產(chǎn)工藝原則以及被控介質(zhì)特點，選用電動執(zhí)行器。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào) 節(jié)機構(gòu)（閥體）兩部分組成。電動執(zhí)行機構(gòu)又可分為角行程（ DKJ型）和直行程（DKZ型） 兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動 執(zhí)行機構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)工藝條件及流體特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。DKZ系列直行程電動執(zhí)行器是由 DKZ直行程電動執(zhí)行機構(gòu)與直通單座調(diào)節(jié)閥或直通雙 座調(diào)節(jié)閥組裝而成的，具有推力大、定

17、位精度高、反應(yīng)速度快、滯后時間少、能源消耗低、 安裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調(diào)節(jié)閥原來的位置等特點。DKZ系列直行程電動執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)輸入信號0、4輸入電阻200Q（n 型）、250Q （川型）輸入通道3個隔離通道基本誤差%回差死區(qū)3%（ 13刑調(diào)）純滯后1s電源電壓、50Hz使用環(huán)境條件環(huán)境溫度執(zhí)行機構(gòu) -10+55 C相對溫度執(zhí)行機構(gòu)95%型號規(guī)格表機座號型號出軸推力（N出行程（mm全程時間（s）DKZ-310C108DKZ-310BC400016I2520DKZ-410C64004032DKZ-410BC6048nDKZ-510CDKZ-510BC160060371

18、0062流體流經(jīng)閥體是的阻力損失為局部阻力損失，所以對不可壓縮流體而言，流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的阻力損失為式中一一調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)；流過閥的流體平均流速;Pl閥前壓力；P2閥后壓力;閥體體積流量qV，接管截面積為A，則qvA由該式可見，在調(diào)節(jié)閥口徑一定，p/也不變的情況下，流量qv僅隨阻力系數(shù)的變化 而變化。當(dāng)移動閥芯使開度改變時，阻力系數(shù) 也隨之變化，從而改變了流量qv的大小， 達到了調(diào)節(jié)流量的目的。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定 的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而推動 執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)。目

19、前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的 DDZ-m型電動調(diào)節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進可靠的防爆結(jié)構(gòu)。選用DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)輸入信號1內(nèi)給疋信號1外給疋信號4調(diào)節(jié)作用（比例+積分+ 微分）比例帶：2500%積分時間：分微分時間：10分（可切除）輸入、給疋指示表指示范圍：0100%誤差：1%輸出指示表指示范圍：0100% 誤差： 25%輸出信號4負(fù)載電阻250750Q工作條件環(huán)境溫度：045C工作振動：頻率 25Hz、儀表型號清單列表儀表型號清單元件型號輸入信號范圍數(shù)量熱電偶溫度變送器SBWR/Z360mV1執(zhí)行器DKZ41

20、調(diào)節(jié)器DTZ-2100114、系統(tǒng)方框圖根據(jù)換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下:換熱器出口溫度單回路控制圖5、調(diào)節(jié)控制參數(shù)，進行參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真，分析系統(tǒng)性能調(diào)節(jié)控制參數(shù)1. 變送測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示:式中，：與測量儀表的量程有關(guān)；*0為流量測量環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，單位為分(min) 在實際過程中這些參數(shù)基本不變。假設(shè)有 K血=10%/( T/hr )2. 假設(shè)執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥)為近似線性閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且3. 對于該控制系統(tǒng)，假設(shè)控制通道與擾動通道的動態(tài)特性可表示為Gpc(s)T(s)fv(s)K ppSeTpS 11e2s 1調(diào)節(jié)器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Gc(s)二Kp1Td(s)(s)式中Kp為比例系數(shù)；為積分時間；Td為微分時間。為使系統(tǒng)獲得良好的控制品質(zhì), 需要確定PID控制器的一些參數(shù)，而這些參數(shù)很難由計算獲得，需要通過實驗采用飛升曲 線確定該對象慣性時間和純滯后時間。由傳函的出各參數(shù)的關(guān)系如下式：KpTiKP TdKi -7KdKpPID參數(shù)整定及系統(tǒng)仿真PID參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Kp、積分時間Ti和微分時間