過程控制工程傳熱設(shè)備的控制

過程控制工程傳熱設(shè)備的控制第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容概述（結(jié)構(gòu)類型，換熱器的靜態(tài)特性）一般傳熱設(shè)備的控制加熱爐的控制鍋爐設(shè)備的控制第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14.1概述傳熱過程是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的組成部分。根據(jù)工藝的要求，完成對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻來維持一定的溫度。為了保證工藝過程的正常、安全運(yùn)行，必須對(duì)傳熱設(shè)備進(jìn)行有效的控制。1、從熱量的傳遞方式來分：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射2、從進(jìn)行熱交換的兩種流體的接觸關(guān)系來分：直接接觸式、間接式和蓄熱式一、傳熱設(shè)備的類型第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3、按冷熱流體進(jìn)行熱量交換的形式看有兩類：一類是在無相變情況下的加熱與冷卻；另一類是在相變情況下的加熱與冷卻。4、從結(jié)構(gòu)來分：列管式、蛇管式、夾套式和套管式第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四傳熱設(shè)備的類型：設(shè)備類型載熱體（冷熱源）情況工藝介質(zhì)情況設(shè)備類型載熱體（冷熱源）情況工藝介質(zhì)情況換熱器不起相變，顯熱變化溫度變化，不起相變冷凝冷卻器冷劑升溫或蒸發(fā)吸熱冷凝或冷卻蒸汽加熱器蒸汽冷凝放熱升溫，不起相變加熱器燃燒放熱升溫或汽化再沸器蒸汽冷凝放熱有相變鍋爐燃燒放熱汽化并升溫第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、傳熱設(shè)備的控制要求傳熱目的：①使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度；②使工藝介質(zhì)改變相態(tài)；③回收熱量。傳熱設(shè)備的控制：主要是熱量平衡的控制，溫度作為被控變量。對(duì)某些傳熱設(shè)備，也有約束條件的控制。第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四換熱器的靜態(tài)特性問題：針對(duì)逆流單程列管式熱交換器，巳知入口條件（G1,T1i,G2,T2i）,要求計(jì)算穩(wěn)定條件下工藝介質(zhì)的出口溫度T1o。其中c1,c2分別為相應(yīng)介質(zhì)的比熱。第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四G1c1T1oG1c1T1iG2c2T2iG2c2T2oT1iT2iG1G2逆流單程換熱器換熱器特性G1：工藝介質(zhì)的流量G2：載熱體的流量T1i：工藝介質(zhì)的入口溫度T2i：載熱體的入口溫度T1o：工藝介質(zhì)的出口溫度T2o：載熱體的出口溫度c1:工藝介質(zhì)的比熱容c2:載熱體的比熱容第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱交換過程的熱量平衡方程假設(shè)工藝介質(zhì)與載熱體均無相變，而且沒有熱損失。即被加熱物料得到的熱量/單位時(shí)間=載熱體放出的熱量/單位時(shí)間第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱交換過程的傳熱速率方程K為傳熱系數(shù)；Fm

為傳熱面積；ΔTm為傳熱壁兩側(cè)流體的平均溫差.對(duì)于逆流單程換熱器，可取對(duì)數(shù)平均值若在1/3~3之間，則可用算術(shù)平均近似第11頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱交換過程的靜態(tài)方程第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四熱交換過程的靜態(tài)特性分析嚴(yán)重非線性，若其它環(huán)節(jié)為線性，調(diào)節(jié)閥需選用等百分比閥。令：，，第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14.2一般傳熱設(shè)備的控制換熱器的控制方案蒸汽加熱器的控制冷凝冷卻器的控制第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四換熱器的控制問題被控變量

(1)被加熱/冷卻介質(zhì)的出口溫度（無相變）； (2)加熱/冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔底再沸器的蒸發(fā)量?？刂谱兞?/p>

(1)調(diào)載熱體的流量；(2)調(diào)節(jié)傳熱平均溫差； (3)調(diào)傳熱面積； (4)將工藝介質(zhì)分路，一路經(jīng)換熱，另一路走旁路。第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四換熱器的控制基本方案有兩類：a.以載熱劑的流量為操縱變量G2TC控制載熱體流量的方案G2TC合流形式載熱體流量控制第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四b.工藝介質(zhì)的旁路控制。換熱器前饋-串級(jí)控制Sp.GffFMffθ1

θ2

Σ

TCFCFS將工藝介質(zhì)分路的方案G2TCG1將工藝介質(zhì)合路的方案G2TCG1第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四二、蒸汽加熱器的控制（1）控制載熱劑蒸汽的流量：改變溫差ΔT和傳熱面積F。G2TC控制載熱體流量的方案蒸汽控制冷凝管排放的方案G2TCG1冷凝液蒸汽（2）控制冷凝液排放：傳熱面積F。第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四蒸汽加熱器T-L串級(jí)控制G2TCG1蒸汽LC蒸汽加熱器前饋控制G2TCG1冷凝液FC第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三、冷凝冷卻器的控制（1）控制載熱劑流量LC物料氣氨液氨TC冷凝冷卻器T-L串級(jí)控制物料氣氨液氨TC控制載熱體流量的方案第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四（2）控制氣氨排量物料氣氨液氨TC冷凝冷卻器選擇性控制LSLC控制氣氨排量方案氣氨液氨TCLC第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14.3加熱爐的控制加熱爐在生產(chǎn)過程中往往是關(guān)鍵的工藝設(shè)備，其控制系統(tǒng)應(yīng)給予足夠的重視。其控制系統(tǒng)的主要作用：①維持對(duì)物料熱傳遞的效率；②維持一可以控制的燃料燃燒效率；③保證加熱爐操作的安全。加熱爐最主要的控制指標(biāo)是工藝介質(zhì)的出口溫度及流量。第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加熱爐的控制問題被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度?？刂谱兞浚喝剂嫌突蛉剂蠚獾牧髁?。主要干擾： 工藝介質(zhì)的進(jìn)料溫度、流量、組分；燃料油/燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）；燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加熱爐的單回路控制第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加熱爐的串級(jí)控制（一）出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制出口溫度對(duì)燃料油流量的串級(jí)控制第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加熱爐的串級(jí)控制（二）出口溫度對(duì)燃料油壓力的串級(jí)控制采用浮動(dòng)閥的控制方案第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四催化裂化加熱爐的控制系統(tǒng)第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)LS：低選器；BS：火焰檢測(cè)器；GL1：燃料氣流量過低聯(lián)鎖裝置；GL2：進(jìn)料流量過低聯(lián)鎖裝置。第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四safe-interlock－protectorsystemofheatingfurnaces為保證大型加熱爐的安全生產(chǎn)；防止發(fā)生事故而造成極為嚴(yán)重的損失，應(yīng)有必要的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。采用哪些安全聯(lián)鎖信號(hào)、采用何種聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)視具體情況而定。以燃料氣為燃料的加熱爐中主要危險(xiǎn)有以下幾點(diǎn)。(1)被加熱工藝介質(zhì)流量過低或中斷。此時(shí)必須采取切斷燃料氣進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥，停止供給燃料，停止燃燒，防止加熱爐爐管燒壞、破裂而引起重大火災(zāi)事故。(2)當(dāng)火焰熄滅時(shí)會(huì)在燃燒室內(nèi)形成能量積累效應(yīng)，產(chǎn)生引起爆炸性的燃料與空氣的混合物，若不注意用蒸汽吹掃，會(huì)引發(fā)爐瞠爆炸。(3)當(dāng)燃料氣壓過低、流量過小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)火焰回流到燃?xì)夤軆?nèi)現(xiàn)象。必須保證最小燃料氣供應(yīng)流量或壓力。(4)當(dāng)燃料氣壓力過高、燃燒速度小于流體速度時(shí)，會(huì)造成噴嘴脫火、滅火現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒室形成爆炸的條件。第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四正常生產(chǎn)時(shí)，用爐出口溫度來調(diào)節(jié)燃料氣量的大小。當(dāng)調(diào)節(jié)閥后的燃料氣壓力過高達(dá)安全極限時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器P通過低值選擇器Ls取代溫度調(diào)節(jié)器工作，關(guān)小調(diào)節(jié)閥以防止脫火。一旦壓力恢復(fù)正常，仍由溫度調(diào)節(jié)器控制燃?xì)饬髁?。?dāng)燃?xì)饬髁窟^低時(shí)，GL1聯(lián)鎖報(bào)警信號(hào)使三通電磁閥線圈失電，調(diào)節(jié)器輸出氣壓信號(hào)放空，切斷燃料氣供給閥，防止回火事故。聯(lián)鎖動(dòng)作以后，只有經(jīng)人工檢查確認(rèn)危險(xiǎn)已徹底消除才可人工復(fù)位，繼續(xù)按程序投入運(yùn)行，避免誤動(dòng)作造成再次爆炸事故。當(dāng)工藝介質(zhì)流量過低或供應(yīng)中斷時(shí)，GL2信號(hào)切斷燃料氣調(diào)節(jié)閥，停止燃燒。或者因火焰熄滅、火焰監(jiān)測(cè)器開關(guān)Bs動(dòng)作，同樣也停止供燃料氣。以燃料油為燃料的加熱爐中，主要危險(xiǎn)除與上述以燃料氣加熱相同的以外，尚有當(dāng)霧化蒸汽壓力過低或中斷時(shí)會(huì)使燃料油得不到良好霧化，輕則發(fā)生燃料燃燒不完全冒煙，反映在煙氣含氧低，嚴(yán)重時(shí)火焰會(huì)熄火或造成爐內(nèi)局部燃料積累，形成“炸膛”條件，必須加上聯(lián)鎖信號(hào)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四結(jié)論第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14.4鍋爐設(shè)備的控制第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四內(nèi)容鍋爐設(shè)備的介紹汽包水位控制燃燒系統(tǒng)的控制過熱蒸汽溫度控制第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鍋爐設(shè)備的工藝流程第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鍋爐設(shè)備的控制問題

系統(tǒng)分解：（1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制； （3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四汽包水位的控制問題被控變量：汽包水位，用H(s)表示控制變量：汽包給水量，用G(s)表示主要干擾： 蒸汽負(fù)荷（蒸汽流量），用D(s)表示通道對(duì)象： 非自衡、非最小相位和非線性等特性第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四汽包水位的對(duì)象特性干擾通道特性控制通道特性第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四非最小相位特性對(duì)象為非最小相位（存在位于復(fù)平面右半平面的零點(diǎn)）的條件為第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四汽包水位的單沖量控制第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四汽包水位的雙沖量控制前饋補(bǔ)償原理：C2的符號(hào)由調(diào)節(jié)閥的作用決定，具體數(shù)值可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整或根據(jù)閥門特性計(jì)算其初始值。第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四雙沖量控制

——C1、C2和C0的數(shù)值設(shè)置假設(shè)線性閥門：流量測(cè)量變送的：取C1一般取值為1。C0為恒值，正常工況下與C2PF抵消。第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四汽包水位的三沖量控制第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三沖量控制

——C2的數(shù)值設(shè)置內(nèi)回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)：C2的數(shù)值設(shè)置：第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四三沖量控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化連接第44頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期四鍋爐的燃燒控制蒸汽壓力的變化反映生產(chǎn)的蒸汽量與消耗的蒸汽量相適應(yīng)的程度。負(fù)荷變化時(shí)，須通過控制燃料量使蒸汽壓力穩(wěn)定。燃燒控制需使引風(fēng)量與送風(fēng)量相配合保證爐膛負(fù)壓。燃料改變時(shí)須控