換熱器溫度控制系統(tǒng)

1、換熱器溫度控制系統(tǒng) 為確?；旌霞訜崞鱁-0101B)中MN亞硝酸甲酯,CO一氧化碳的出口溫度為408K，選用0.68Mpa,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)計一個換熱器的反響控制方案。 換熱器工作狀態(tài)如何,可用幾項工作指標加以衡量。常用的工作指標主要有漏損率、換熱效率和溫度效率。它們比擬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，對于換熱器的管理和改良都是必不可少的。 換熱器是將熱流體的局部熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換

2、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，使流體溫度到達流程規(guī)定的指標，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。 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 二 按用途分類：加熱器，預(yù)熱器，過熱器，蒸發(fā)器 三、

3、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，板式換熱器等 此設(shè)計要求是將進料溫度都為297.99K的MN亞硝酸甲酯和CO一氧化碳加熱到出 1 口溫度為473K，所以我們經(jīng)過調(diào)查研究，綜合比擬之后選擇了管殼式(又稱列管式) 換熱器。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等局部組成，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。 換熱器又叫做熱交換器heat exchanger，是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有

4、重要地位。進行換熱的目的主要有以下四種： .使工藝介質(zhì)到達規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反響或其他工藝過程很好的進行；.生產(chǎn)過程中參加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)到達規(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。 換熱器的溫度控制系統(tǒng)換熱器工作原理工藝流程如下：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。

5、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。 從傳熱過程的根本方程式可知，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 2 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；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響

6、迅速，應(yīng)用比擬廣泛。 、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。該方案是一局部工藝介質(zhì)經(jīng)換熱,另一局部走旁路。 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。 由于本次設(shè)計的任務(wù)控制換熱器被加熱物料出口溫度，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，應(yīng)選擇單回路控制系統(tǒng)便可以到達預(yù)定的控制精度。 2.2 工藝流程

7、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，其方框圖如以下圖所示。 3 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。 如下圖：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)節(jié)器把Ym與內(nèi)部給定值Ys比擬得到偏差信號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

8、改變閥門的開度，改變蒸汽的流量。 2.3、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)。 2.4 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)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),而在這兩項當中,溫度的自動調(diào)節(jié)又處于首位.因為出口水溫直接影

9、響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及平安性,即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù). 2.5 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，而假設(shè)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，我選擇對熱流體流量進行控制，保證出口溫度的穩(wěn)定。 2.6 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 4 個方案的控制流程圖如圖3。

10、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： q=G1c=G2c1T1i-T1o2T2o-T2i 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： q=KF?T 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： T-T-T2o-T2i?T1-?T2?T=1i1o=T1i-T1o?Tln1ln?T2 T2o-T2i

11、 1T-T當1i1o3時，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算術(shù)平均值來代替，算術(shù)平均值表示為： 3T2o-T2i T-T+T2o-T2i?T=1i1o 2 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，因此有以下關(guān)系 G2c2T2o-T2i=KF?T 整理后得 T2o=KF?T+T2 iG2c2 5 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。 2.7 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擬所產(chǎn)生的偏差e(t)進行比例(P)、比例積分(PI)、比例微分(PD)

12、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)工藝對控制質(zhì)量指標的要求。 比例控制規(guī)律(P)是一種最根本的控制規(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： u(t)=kpe(t) 比例積分(PI)控制規(guī)律，結(jié)合了比例控制反響快，積分控制能消除余差。但是當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

13、要盡可能防止用比例積分控制規(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)律的微分方程數(shù)學(xué)模型為： 1tu(t)=kpe(t)+?e(t)dt Ti0 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： u(t)=kpe(t)+Tdde(t) dt 比例積分微分(PID)作用是一種理想的控制作用，

14、一般均能適應(yīng)不同的過程特性。當要求控制質(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： 1tde(t)u(t)=kpe(t)+?e(t)dt+Td Ti0dt 6 其中：u(t)：為調(diào)節(jié)器的輸出號 k T Tp：放大倍數(shù) ：積分時間常數(shù) ：微分時間常數(shù) e(t)：設(shè)定值與測量值偏差信號 id 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 3.1 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

15、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-2002000； 形式多樣，適用于多種測溫條件； 被控溫度在500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-型熱電偶溫度變送器。 DDZ-型熱電偶溫度變送器主要性能指標如下： 測量范圍 最小量程3mV，最大量程60mV；零點遷移-50+50mV。 根本誤差 0.5% 溫度特性 環(huán)境

16、溫度每變化25，附加誤差不超過千分之五。 恒流性能 當負載電阻在0100范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。 防爆指標 結(jié)構(gòu)為平安火花型；防爆等級為He；防爆額定電壓為220V AC/DC。 其優(yōu)點有以下幾點： 7 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。 在熱電偶溫度變送器中用線性化電路，使變送器輸出信號與被測溫度信號保持了線性關(guān)系。 線路中采取了平安火花防爆措施，兼有平安柵的功能。 3.2 執(zhí)行器 根據(jù)生產(chǎn)工藝原那么以及被控介質(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)閥體兩局部組成。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

17、理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動局部有所區(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、定位精度高、反響速度快、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) 型號規(guī)格表 8 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 ?pv= 2 2g

18、= p1-p2 g 式中 調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)； 流過閥的流體平均流速； p1閥前壓力； p2閥后壓力； 閥體體積流量qV，接管截面積為A，那么 = qV A qV=A= 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，到達了調(diào)節(jié)流量的目的。 3.3 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)值相比擬后，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)。 9 目前在中國工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZ-型電動調(diào)

19、節(jié)儀表具有良好的性能，且采取平安火花型防爆措施，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) 3.4、儀表型號清單列表 儀表型號清單 10 4、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 1.變送測量環(huán)節(jié)可用一階環(huán)節(jié)來近似表示： Gm(s)=Km1=Tms+1s+1 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 =10%/T/hr 實際過程中這些參數(shù)根本不變。假設(shè)有 2.假設(shè)執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥為近似線性

20、閥，其動態(tài)滯后忽略不計，而且 Gv(s)=fv(s)=Kv=1u(s) 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 11 Gpc(s)=Kp-psT(s)1=e=e- fv(s)Tps+12s+1 Gpd(s)=T(s)=Kd=1R(s) ； 調(diào)節(jié)器選定PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 Gcs=Kp1+ 式中Kp為比例系數(shù)；T1為積分時間；TD為微分時間1+T DsTs15。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： KpTd=KdKp=Ti=Kp。 ； Ki；1 5.2 PID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Td，改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，