試談傳熱設(shè)備的控制(共26頁).ppt

1、第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)4.1 傳熱設(shè)備的控制傳熱設(shè)備的控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，根據(jù)工藝的要求，經(jīng)常需要對物料進行加熱或冷卻來維持一定的溫度，因此，傳熱過程是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的組成局部。為保證工藝過程的正常、平安運行，必須對傳熱設(shè)備進行有效的控制。熱量傳遞的方式有熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射三種，而實際的傳熱過程很少是以一種方式單純進行的，往往由兩種或三種方式綜合而成。傳熱設(shè)備主要用來對物料進行加熱或冷卻，以維持一定的溫度。傳熱設(shè)備的種類很多，主要有換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝器及加熱爐等。由于它們的傳熱目的不同，被控變量也不完全一樣。生產(chǎn)過程中進行傳熱的目的主要有三種。如下所述。第四章傳熱設(shè)備控制

2、系統(tǒng) 使工藝介質(zhì)到達(dá)規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反響或其他工藝過程能很好地進行。對工藝介質(zhì)進行加熱或冷卻，有時在工藝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物料的相態(tài)。根據(jù)工藝過程的需要，有時加熱使工藝介質(zhì)汽化；有時那么冷凝除熱，以使氣相物料液化。 回收熱量。根據(jù)傳熱設(shè)備的傳熱目的，傳熱設(shè)備的控制主要是熱量平衡的控制，一般取溫度作為被控變量。對于某些傳熱設(shè)備，也需要增加有約束重要條件的控制，以對生產(chǎn)過程和設(shè)備的平安起到保護作用。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)4.1.1 傳熱設(shè)備的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型傳熱設(shè)備的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型對象的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在穩(wěn)定條件下對象的輸

3、出變量通常是受控變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系。而建立數(shù)學(xué)模型的意義，從自控的角度理解，可表達(dá)為如下三個方面： 作為控制方案設(shè)計時系統(tǒng)的擾動分析，以選擇操縱變量和確定控制方案； 靜態(tài)放大系數(shù)也能作為系統(tǒng)分析和控制器參數(shù)整定的參考； 作為控制閥流量特性選擇的依據(jù)。傳熱過程工藝計算的兩個根本方程式是熱量平衡關(guān)系式和傳熱速率方程式，它們是構(gòu)成傳熱設(shè)備靜態(tài)特性的兩個根本方程式。熱量的傳遞總是由高溫物體傳向低溫物體，兩物體之間的溫差是傳熱的推動力。對于圖4.1所示的列管式換熱器，假定輸出變量為t2，輸入變量為T1、G1、t1、G2，那么建立該對象的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型就是要找出t2與T1、G1、t1、G2之間的函

4、數(shù)關(guān)系。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)圖圖4.1 列管式換熱器原理列管式換熱器原理1熱量平衡關(guān)系式熱量平衡關(guān)系式 在忽略熱損失的情況下，冷流體所吸收的熱量，應(yīng)等于熱流體放出的熱量，其熱量平衡關(guān)系式為4-1式中，q傳熱速率，單位是J/s； G1，G2分別為載熱體和冷流體的質(zhì)量流量，單位是kg/h； c1，c2分別為載熱體和冷流體的比熱容，單位是J/(kg)； T1，T2分別為載熱體入口和出口溫度，單位是； t1，t2分別為冷流體入口和出口溫度，單位是。12222111ttcGTTcGq第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)2傳熱速率方程式傳熱速率方程式由傳熱定理可知，熱流體向冷流體的傳熱速率可按下式計算： mqKFt

5、4-2 式中， K傳熱系數(shù)，單位為kcal/(m2h)，(1cal4.18 J)； F傳熱面積，單位為m2； tm兩流體間的平均溫差，單位為。 在各種不同情況下平均溫差tm的計算方法是不同的，篇幅所限，在此不予詳細(xì)介紹，需要時可參考有關(guān)資料。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)4.1.2 一般傳熱設(shè)備的控制一般傳熱設(shè)備的控制 一般傳熱設(shè)備，通常指換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器及加熱爐等。 1換熱器的控制 換熱器操作的目的是為了使生產(chǎn)過程中的物料加熱或冷卻到一個工藝要求的溫度。當(dāng)換熱器兩側(cè)的流體在傳熱過程中均無相態(tài)變化時，一般采用以下幾種控制方案。 1控制載熱體的流量 對于圖4.1所示的換熱器，由于冷

6、、熱流體間的傳熱既符合熱量平衡方程式，又符合傳熱速率方程式，因此有以下關(guān)系式：4-3式4-3可改寫為 t2(KFtm/G2c2)t1 4-4mtKFttcG1222第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 從式4-5可以判斷出，在傳熱面積F及冷流體進口流量G2、入口溫度t1及比熱容c2一定的情況下，影響冷流體出口溫度t2的主要因素是傳熱系數(shù)及平均溫差tm?？刂戚d熱體的流量實質(zhì)上是改變了傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和平均溫差tm，可分為以下兩種情況討論： 對于載熱體在傳熱過程中不發(fā)生相變化的情況，主要是改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K； 而當(dāng)載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變化時，情況要復(fù)雜得多，主要是改變傳熱速率方程中的平

7、均溫差tm。 如圖4.2所示，是控制載熱體流量的方案之一，這種方案最簡單，適用于載熱體上游壓力比較平穩(wěn)及生產(chǎn)負(fù)荷變化不大的場合。假設(shè)由于某種原因使t2升高，控制器將會使閥門關(guān)小以減小載熱體的流量G1。從傳熱速率方程可以看出，K、tm會同時減小，從而把冷流體的出口溫度t2拉回到設(shè)定值的控制要求。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 如果載熱體上游壓力不平穩(wěn)，那么需采取穩(wěn)壓措施使其穩(wěn)定，或采用以出口溫度t2為主變量、載熱體流量G1為副變量的串級控制系統(tǒng)，力求到達(dá)工藝操作的要求，如圖4.3所示。 圖圖4.2 改變載熱體流量控制溫度改變載熱體流量控制溫度 圖圖4.3 換熱器串級控制系統(tǒng)換熱器串級控制系統(tǒng)第四章傳熱設(shè)

8、備控制系統(tǒng) 控制載熱體流量是換熱器操作中應(yīng)用最為普遍的一種控制方案，多適用于載熱體流量變化對溫度影響較靈敏的場合。 2控制載熱體的旁路 當(dāng)載熱體是工藝物料、其流量不允許節(jié)流時，可采用圖4.4所示的控制方案。這種方案的控制機理與前一種方案相同，也是采用改變溫差tm和傳熱系數(shù)K的手段來到達(dá)控制溫度t2的目的的。方案中采用三通控制閥來改變進入換熱器的載熱體流量及其旁路流量的比例，這樣既可以控制進入換熱器的載熱體的流量，又可保證載熱體總流量不受影響。這種控制方案在載熱體為工藝物料時是極為常見的。圖圖4.4 載熱體旁路控制方案載熱體旁路控制方案第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 3控制被加熱流體流量的旁路 如圖4.

9、5所示，為被加熱流體流量旁路控制方案，其中一局部工藝物料經(jīng)換熱器，另一局部走旁路。從控制機理來看，這種方案實際上是一個混合過程，所以反響迅速及時，適用于物料在換熱器里停留時間較長的操作。但需要注意的是，換熱器必須要有富裕的傳熱面積，而且載熱體流量一直處于高負(fù)荷下，該方案在采用專門的載熱體時是不經(jīng)濟的。然而對于某些熱量回收系統(tǒng)，載熱體是工藝物料，總量本不宜控制，所以適合采用這種方案。圖圖4.5 被加熱流體流量旁路控制方案被加熱流體流量旁路控制方案 第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 4控制載熱體的汽化溫度 控制載熱體的汽化溫度亦即改變了傳熱平均溫差 。如圖4.6所示的氨冷器出口溫度控制就是這類方案的一例?？?/p>

10、制閥安裝于氣氨出口管道上，當(dāng)閥門開度變化時，氣氨的壓力將變化，相應(yīng)的汽化溫度也發(fā)生變化，這樣就改變了傳熱平均溫差，從而控制了傳熱量。但光這樣還不行，還要設(shè)置液位控制系統(tǒng)來維持液位，從而保證有足夠的蒸發(fā)空間。這類方案的動態(tài)特點是滯后小、反響迅速、有效，應(yīng)用亦較廣泛。但必須用兩套控制系統(tǒng)，所需儀表較多；在控制閥的兩端，氣氨有壓力損失，增大了壓縮機的功率；另外，假設(shè)要行之有效，液氨需有較高的壓力，設(shè)備必須耐壓。 圖圖4.6 氨冷器出口溫度控制氨冷器出口溫度控制mt第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 上述四種控制方案都是換熱器生產(chǎn)過程中常見的方案，在實際應(yīng)用過程中一定要對工藝生產(chǎn)的要求和操作條件進行深入分析，從而

11、選擇出較合理的一種控制方案，以滿足生產(chǎn)過程的要求。 2蒸汽加熱器的控制 蒸汽加熱器的載熱體是蒸汽，通過蒸汽冷凝釋放熱量來加熱工藝介質(zhì)，水蒸氣是最常用的一種載熱體。根據(jù)加熱溫度的不同，也可采用其他介質(zhì)的蒸汽作為載熱體。 1控制蒸汽載熱體的流量 如圖4.7所示，為控制蒸汽流量的溫度控制方案。蒸汽在傳熱過程中發(fā)生了相變化，其傳熱機理是同時改變了傳熱速率方程中的平均溫差tm和傳熱面積F。當(dāng)加熱器的傳熱面積沒有富裕時，應(yīng)以改變溫差tm為控制手段，控制蒸汽載熱體流量G1的大小即可改變溫差tm的大小，從而實現(xiàn)對被加熱物料出口溫度t2的控制。這種控制方案控制靈敏，但是當(dāng)采用低壓蒸汽作為載熱體時，進入加熱器內(nèi)的

12、蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負(fù)壓，此時，冷凝液將不能連續(xù)排出，故需慎重采用該控制方案。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)圖圖4.7 控制蒸汽流量控制蒸汽流量的溫度控制方案的溫度控制方案 圖圖4.8 控制冷凝液排控制冷凝液排放量的控制方案放量的控制方案 2控制冷凝液的排放量 如圖4.8所示，為控制冷凝液排放量的控制方案。該方案的機理是通過控制冷凝液的排放量，改變加熱器內(nèi)冷凝液的液位，導(dǎo)致傳熱面積F的變化，從而改變傳熱量q，以到達(dá)對被加熱物料出口溫度的控制。這種控制方案有利于冷凝液的排放，傳熱變化比較平緩，可防止局部過熱，有利于熱敏介質(zhì)的控制。此外，采用該方案時排放閥的口徑也小于蒸汽閥，但這種改變傳熱面積的控制方案的動作比

13、較遲鈍。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 3冷卻器的控制冷卻器的控制 冷卻器的載熱體是冷卻劑，常采用液態(tài)氨等介質(zhì)作為冷卻劑，利冷卻器的載熱體是冷卻劑，常采用液態(tài)氨等介質(zhì)作為冷卻劑，利用它們在冷卻器內(nèi)蒸發(fā)時吸收工藝物料的大量熱量，使工藝物料的出用它們在冷卻器內(nèi)蒸發(fā)時吸收工藝物料的大量熱量，使工藝物料的出口溫度下降來到達(dá)生產(chǎn)工藝的要求。工業(yè)用冷卻器的一般控制方案有口溫度下降來到達(dá)生產(chǎn)工藝的要求。工業(yè)用冷卻器的一般控制方案有以下幾種。以下幾種。 1控制冷卻劑的流量控制冷卻劑的流量 如圖如圖4.9所示，為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機理所示，為氨冷卻器控制冷卻劑流量的控制方案，其機理也是通過改變傳熱速率

14、方程中的傳熱面積也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面積F來實現(xiàn)的。該方案控制平來實現(xiàn)的。該方案控制平穩(wěn)，冷量冷卻劑量利用充分，且對壓縮機入口壓力無影響。但這穩(wěn)，冷量冷卻劑量利用充分，且對壓縮機入口壓力無影響。但這種方案控制不夠靈活，另外蒸發(fā)空間不能得到保證，易引起氣氨帶液種方案控制不夠靈活，另外蒸發(fā)空間不能得到保證，易引起氣氨帶液而損壞壓縮機。為此，可采用圖而損壞壓縮機。為此，可采用圖4.10所示的物料出口溫度與液位的串所示的物料出口溫度與液位的串級控制方案，使用這種方案時，可以限制液位的上限，保證有足夠的級控制方案，使用這種方案時，可以限制液位的上限，保證有足夠的蒸發(fā)空間。也可以采用圖蒸發(fā)空間

15、。也可以采用圖4.11所示的選擇性控制方案。所示的選擇性控制方案。 2控制氣氨排量控制氣氨排量 如圖如圖4.12所示，為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機理是所示，為氨冷卻器控制氣氨排量的控制方案，其機理是通過改變傳熱速率方程中的平均溫差來控制工藝物料的出口溫度的。通過改變傳熱速率方程中的平均溫差來控制工藝物料的出口溫度的。這種方案控制靈敏迅速，但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機入口壓力的波動。這種方案控制靈敏迅速，但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機入口壓力的波動。另外，冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)的平安運行，還需要設(shè)置一個另外，冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)的平安運行，還需要設(shè)置一個液位控制系統(tǒng)，防止液氨進入氣

16、氨管路而導(dǎo)致壓縮機損壞。液位控制系統(tǒng)，防止液氨進入氣氨管路而導(dǎo)致壓縮機損壞。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 圖圖4.9 控制冷卻劑控制冷卻劑流量的控制方案流量的控制方案 圖圖4.10 溫度與液溫度與液位串級控制方案位串級控制方案 圖圖4.11 溫度與液位的選擇性控制方案溫度與液位的選擇性控制方案 圖圖4.12 控制氣氨排量的控制方案控制氣氨排量的控制方案第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)4.1.3管式加熱爐的控制管式加熱爐的控制 生產(chǎn)過程中有各式各樣的加熱爐，在煉油化工生產(chǎn)中常見的是管式加熱爐。其形式可分為箱式、立式和圓桶式等幾類。對于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時進行汽化，其溫度的上下會直接影響后一工序的操作工

17、況和產(chǎn)品質(zhì)量，同時當(dāng)爐子溫度過高時會使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造成結(jié)焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長爐管的使用壽命，因此必須嚴(yán)加控制加熱爐出口溫度。 加熱爐是傳熱設(shè)備的一種，熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導(dǎo)熱與對流傳熱的根本規(guī)律。加熱爐又屬于火力加熱設(shè)備，首先由燃料的燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫的煙氣流，主要通過輻射將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質(zhì)。工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占熱負(fù)荷的70%80%，其余熱量在對流段獲得。因此加熱爐的傳熱過程比較復(fù)雜，想從理論上獲得其對象特性是困難的。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 加熱爐的對象特性一般從定性分析和實驗測試獲得。和一般傳熱設(shè)備一

18、樣，加熱爐具有較大的時間常數(shù)和純滯后時間。特別是爐膛，它有很大的熱容量，滯后更為顯著。因此加熱爐屬于一種多容量的被控對象。根據(jù)實驗測試并作了一些簡化，可以用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似加熱爐的對象特性。其時間常數(shù)和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)的停留時間有關(guān)，爐膛容量大，工藝介質(zhì)的停留時間長，那么時間常數(shù)和純滯后時間大；反之亦然。根據(jù)實踐經(jīng)驗，用一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后來近似加熱爐的對象特性還是可行的。 1擾動分析 加熱爐最主要的控制指標(biāo)是工藝介質(zhì)的出口溫度。此溫度是控制系統(tǒng)的被控變量，而操縱變量是燃料油或燃料氣的流量。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴(yán)格，如允許波動范圍為12。影響爐出

19、口溫度的擾動因素有：工藝介質(zhì)進料的流量、溫度、組分，燃料方面有燃料油或氣的壓力、成分或熱值、燃料油的霧化情況、空氣過量情況、噴嘴的阻力、煙囪抽力等。在這些擾動因素中有些是可控的，有些是不可控的。為了保證爐出口溫度穩(wěn)定，對擾動應(yīng)采取必要的措施。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 2加熱爐的簡單控制 如圖4.13所示，為某燃油加熱爐控制系統(tǒng)示意圖，是以爐出口溫度為被控變量、以燃料油或氣為操縱變量組成的簡單控制系統(tǒng)。為了對主要擾動采取必要的穩(wěn)定措施，設(shè)置的其他輔助控制系統(tǒng)有： 進入加熱爐工藝介質(zhì)原油的流量控制系統(tǒng)，如圖中FC控制系統(tǒng)； 燃料油或氣的總壓力控制系統(tǒng)，總壓控制一般調(diào)回油量，如圖中P1C控制系統(tǒng)； 采

20、用燃料油時，還需參加霧化蒸汽或空氣，為此設(shè)有霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)， 如圖中P2C控制系統(tǒng)，以保證燃料油的良好霧化。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)圖圖4.13 加熱爐溫度控制系統(tǒng)示意圖加熱爐溫度控制系統(tǒng)示意圖 采用霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)后，在燃料油壓力變化不大的情況下是可以滿足霧化要求的，目前煉油廠中大多數(shù)采用這種方案。如果燃料油壓力變化較大，僅采用霧化蒸汽壓力控制就不能保證燃料油到達(dá)良好的霧化效果，可以考慮采用如下的控制方案：燃料油與霧化蒸汽閥后的壓力差控制系統(tǒng)如圖4.14所示，或燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力比值控制系統(tǒng)如圖4.15所示。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)圖圖4.14 燃料油與霧化蒸燃料油與霧化蒸汽

21、閥后的壓差控制系統(tǒng)汽閥后的壓差控制系統(tǒng) 圖圖4.15 燃料油閥后壓力與霧燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力比值控制系統(tǒng)化蒸汽壓力比值控制系統(tǒng) 采用上述兩種方案時，只能保持近似的流量比燃料油與霧化蒸汽，還應(yīng)注意經(jīng)常保持噴嘴、管道、節(jié)流件等通道的暢通，以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發(fā)生變化，引起控制系統(tǒng)的誤動作。此外，也可采用兩者流量的比值控制，那么能克服上述缺點，但所用儀表多且重油流量的測量比較困難。第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 采用簡單控制系統(tǒng)往往很難滿足工藝上對爐出口溫度波動12 的嚴(yán)格要求。因為加熱爐對象的傳遞滯后和測量滯后都較大，控制不及時。為了改善控制品質(zhì)，滿足生產(chǎn)需要，石油化工和煉油廠中的加熱爐大多

22、采用串級控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)僅適用于以下情況： 對爐出口溫度要求不十分嚴(yán)格； 外來擾動緩慢而較小，且不頻繁； 爐膛容量較小，即滯后不大。 3加熱爐的串級控制系統(tǒng) 加熱爐的串級控制方案，由于擾動作用及加熱爐的型式不同，可以選擇不同的副變量組成不同的串級控制系統(tǒng)。主要有以下幾種方案： 爐出口溫度對燃料油或氣流量的串級控制，如圖4.16所示； 爐出口溫度對燃料油或氣閥后壓力的串級控制，如圖4.17所示；第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng)圖圖4.16 爐出口溫度對燃爐出口溫度對燃料油流量的串級控制料油流量的串級控制 圖圖4.17 爐出口溫度對燃爐出口溫度對燃料油閥后壓力的串級控制料油閥后壓力的串級控制第四章傳熱設(shè)備控制系統(tǒng) 爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制，如圖4.18所示；圖圖4.18 爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制 采用壓力平衡式控制閥浮動閥的控制方案，如圖4.19所示。如果主要擾動在燃料的流動狀態(tài)方面如閥前壓力的變化，那么爐出口溫度對燃料