《過程控制工程》第二次作業(yè).docx

過程控制工程第二次作業(yè)設(shè)計換熱器溫度控制系統(tǒng)換熱器又稱熱交換器，是進行熱量交換的設(shè)備的統(tǒng)稱。換熱器廣泛應(yīng)用于化 工、石化、煉油、輕工、制藥、食品加工、動力以及原子能等工業(yè)。換熱器應(yīng)用 于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放 出熱量，反之則吸收熱量。換熱器依據(jù)傳熱原理和實現(xiàn)熱交換的方法一般分為間 壁式、混合式、蓄熱式三類。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣。它又可分為管式換熱 器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式（包括蛇管式、套 管式、管殼式等）換熱器應(yīng)用最普遍。列管式和板式，各有優(yōu)點，列管式是一種 傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備；板式則以其高效、緊湊的 特點大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。 下圖為一列管式換熱器，換熱器采用蒸汽對冷物料進行加熱，使換熱器出口 介質(zhì)溫度為某一定值。工藝要求換熱器出口溫度在 1852以內(nèi)，引起出口溫 度變化的擾動有:冷物料的流量與初溫、蒸汽壓力波動等，其中最主要的擾動是 冷物料的流量 Q。 靜態(tài)特性分析：對象的靜態(tài)特性就是要確定之間的函數(shù)關(guān)系。 （1-1）式中，為傳熱速率(單位時間內(nèi)傳遞的熱量)；為質(zhì)量流量；為比熱容；為溫度。式中的下標(biāo)處 1 為載熱體；2 為冷流體；為入口；為出口。另外，傳熱過程中的為 （1-2）式中，為傳熱系數(shù)；為傳熱面積；為兩流體間的平均溫差。其中平均溫差對于逆流、單程的情況為對數(shù)平均值 在，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替。算術(shù)平均值為： 控制方案的選擇由熱平衡公式（1-1）可知，當(dāng)冷熱流體的流量成一定的比值關(guān)系時便可以保證按照兩流體出口溫度的變化量成一定比值關(guān)系同時假定冷熱流體入口處溫度、 都保持恒定，則此時，冷熱流體的溫度、便同時可以保持恒定。即有 如果采用比值控制對換熱器的出口溫度進行控制，從而達到換熱器冷熱流體的溫度同時得到控制的目的。但由于此次課程設(shè)計并沒有提供冷熱流體在達到實驗要求時的進出口溫度，無法依靠此確定比例控制的系數(shù)，所以不能采用此方案。因此我擬采用通過控制熱流體的流量來對冷流體出口溫度進行閉環(huán)串級控制系統(tǒng)框圖：可看出來自熱流體流量方面干擾因素包括副回路內(nèi)，因此可大大減少這些擾動因素對于冷流體出口溫度影響。對于熱流體流量和溫度方面的干擾，采用串級控制系統(tǒng)可以得到改善，具體控制效果明顯改善。綜上對串級控制系統(tǒng)方案的基本參數(shù)進行確定：主回路：冷流體出口溫度熱流體流量控制回路副回路：熱流體流量主變量：換熱器出口溫度副變量：熱流體流量主檢測變送器：銅電阻溫度傳感器副檢測變送器：渦輪流量傳感器執(zhí)行器：蒸汽閥門主回路設(shè)計換熱器溫度串級控制系統(tǒng)是以工藝介質(zhì)出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對介質(zhì)干擾的及時控制相結(jié)合，先根據(jù)換熱器出口溫度的變化，改變介質(zhì)量，快速消除干擾；然后再根據(jù)工藝介質(zhì)出口溫度與設(shè)定值的偏差，改變溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進一步調(diào)節(jié)介質(zhì)量，使出口溫度恒定，達到溫度控制的目的 副回路設(shè)計副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。工藝料由于其成分和流量變化，對控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，對于冷卻器我們選擇冷流體的流量為串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)流量能夠有效地影響主參數(shù)出口溫度，提高了主參數(shù)的控制效果。主副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在換熱器溫度串級控制系統(tǒng)中，我們選擇出口溫度為主要被控參數(shù)，介質(zhì)料溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因為換熱器串級控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，無明顯滯后，所以我們的副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇PI控制。主副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定 由生產(chǎn)工藝安全考慮，蒸氣調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：主被控過程Ko10。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正，所以負調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K10，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負調(diào)節(jié)器大于0，負調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。儀表的選型及參數(shù)的確定流量測量儀產(chǎn)品名稱：蒸汽流量變送器型號：LUGB1、最小流量值低、流量范圍大；2、結(jié)構(gòu)簡單，無運動磨損部件；3、測量精度高，阻力損失小；4、安裝方便，維修簡易；5、可遠距離傳輸流量信號，并能與計算機連網(wǎng)，實現(xiàn)集中管理；6、完整的傳感器通徑，具有10mm500mm的20種不同通徑的傳感器。蒸汽流量計技術(shù)指標(biāo)：1、蒸汽流量計確度等級：1.0級標(biāo)準(zhǔn)流量范圍內(nèi)）；2、蒸汽流量計公稱壓力：通徑 DN200mm 2.5MPa；通徑 DN150mm 4.0MPa； 6.3 MPa25 MPa（協(xié)議定貨）；3、蒸汽流量計被測介質(zhì)溫度：40 200 ，280 ，350 ；4、蒸汽流量計壓力損失： 阻力系數(shù)Cd 2.4；5、蒸汽流量計重復(fù)性誤差%： 1/3準(zhǔn)確度等級值；6、蒸汽流量計流量范圍：8：140：17、蒸汽流量計供電電源：1224VDC；8、蒸汽流量計輸出信號：電壓脈沖：低電平 0.5V，高電平 5V；標(biāo)準(zhǔn)電流：010 mA、420 mA DC；標(biāo)準(zhǔn)電壓：05 V、15 V蒸汽流量變送器技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)(mm) 15，20，25，40，50，65，80，100，125，150，200，250，300儀表材質(zhì)1Cr18Ni 9Ti公稱壓力(Mpa) PN1.6Mpa；PN2.5Mpa；PN4.0Mpa被測介質(zhì)溫度()40+250；40+350環(huán)境條件 溫度