傳熱設(shè)備的控制

1、,傳熱設(shè)備的控制,傳熱設(shè)備概述,在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結(jié)晶、反應(yīng)和冶金等，均需要根據(jù)具體的工業(yè)要求，對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻來維持一定的溫度。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)，為了使反應(yīng)能達(dá)到預(yù)定要求，更需要嚴(yán)格控制一定的反應(yīng)溫度，這也要依靠冷卻或加熱才能實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)傳熱設(shè)備的控制也就顯得格外重要。 工業(yè)上用以實(shí)現(xiàn)冷熱兩流體換熱的設(shè)備稱為傳熱設(shè)備。,傳熱設(shè)備概述,傳熱設(shè)備的類型 1、從熱量的傳遞方式來分 熱傳導(dǎo)、

2、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 3、按冷熱流體進(jìn)行熱量交換的形式分 無相變情況下的加熱與冷卻；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 一般傳熱設(shè)備：換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器 （對(duì)流傳熱） 特殊傳熱設(shè)備：加熱爐、鍋爐、蒸發(fā)器等,典型的傳熱設(shè)備,換熱器,加熱爐,{,鍋

3、爐,傳熱設(shè)備概述,傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型,列管式換熱器,蛇管式換熱器,套管式換熱器,夾套式換熱器,傳熱設(shè)備概述,傳熱設(shè)備的控制要求 1、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。 2、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。,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,

4、T2i）,要求計(jì)算穩(wěn)定條件下工藝介質(zhì)與載熱體的出口溫度（T1o, T2o）。其中c1, c2分別為相應(yīng)介質(zhì)的比熱。,換熱器的靜態(tài)特性,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,熱平衡方程,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.,換熱器的靜態(tài)特性,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

5、近似,考慮,,換熱器的靜態(tài)特性,,,換熱器的靜態(tài)特性,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?jǐn)?shù)閥。,換熱器的控制方案,換熱的目的 ① 使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度以使生產(chǎn)過程正常進(jìn)行； 如：重油催化裂化原料油預(yù)熱，要求溫度在160-220℃之間。 ② 在過程進(jìn)行中加入吸收的熱量或除去放出的熱量； 如：催化裂化再生器溫度控制。 ③ 在工藝過程中改變物料狀態(tài)；

6、 如：常減壓裝置加熱爐。 ④ 熱量回收。 如：分餾塔塔底換熱器。,換熱器的控制方案,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?(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。,換熱器的控制方案

7、,調(diào)載熱體的流量,目的：改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和平均溫差△Tm 。 ① 載熱體在傳熱過程中不發(fā)生相變，主要改變傳熱系數(shù)； ② 載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變，主要改變平均溫差。,特點(diǎn)：方案簡(jiǎn)單、適用于載熱體上游壓力平穩(wěn)及負(fù)荷變化小的場(chǎng)合。,換熱器的控制方案,調(diào)載傳熱平均溫差,目的：改變液氨壓力和對(duì)應(yīng)的平衡溫度。注意：氣氨出口調(diào)節(jié)閥的作用 閥開度變化時(shí)，汽化溫度的變化改變了傳熱平均溫差。液位控制回路的

8、目的：維持液位不超限，保證足夠的蒸發(fā)空間。特點(diǎn)：滯后小，反應(yīng)迅速。,換熱器的控制方案,調(diào)傳熱面積,當(dāng) 不變時(shí)，改變 可以改變傳熱量。調(diào)節(jié)閥的安裝位置和作用： 位置：出口(冷凝液)管線上 作用：開度變化，液位變化，面積變化缺點(diǎn)：冷凝液液位影響傳熱面積，變化緩慢，是一滯后的過程，調(diào)節(jié)不及時(shí)，不利于控制器參數(shù)整定，影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。適用場(chǎng)合：適用于傳熱量小、被控溫度較低的場(chǎng)合。,換熱器的控制方案,缺點(diǎn)：載熱流量高

9、負(fù)荷，不經(jīng)濟(jì),問題：若上述單回路控制方案仍未能滿足工藝要求，如何改進(jìn)控制方案，以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量？,將工藝介質(zhì)分路--旁路/混合方案,部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱器，另一部分走旁路。特點(diǎn)：反應(yīng)迅速及時(shí),該方案不適用于介質(zhì)流量較大的場(chǎng)合，適合于能量回收系統(tǒng)。,加熱爐的常規(guī)控制方案,加熱爐是煉廠主要設(shè)備，有箱式、立式、圓筒式?？刂埔蠖己車?yán)格，另外要求有較高的熱效率，能耗大。 對(duì)象特性 傳熱以輻射為主，對(duì)流為輔，油在管內(nèi)劇烈變化，過

10、程較復(fù)雜，難以從機(jī)理建模，工程上都采用測(cè)試法獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)近似表達(dá)。特點(diǎn) 容量滯后和純滯后大。,加熱爐的常規(guī)控制方案,被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度。控制變量：燃料油或燃料氣的流量。主要干擾： （1）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）； （2）燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。,加熱爐的常規(guī)控制方案,單回路控制 出口溫度

11、反饋控制 問題：當(dāng)燃料、蒸汽波動(dòng)較大時(shí)， 油壓/蒸汽壓變化大，霧化不良， 燃燒不好。 改進(jìn)方案： （1）油汽壓力差控制 （2）壓力比值控制,加熱爐的常規(guī)控制方案,出口溫度串級(jí)控制 對(duì)于加熱爐滯后大，要求嚴(yán)格的對(duì)象，應(yīng)考慮串級(jí)控制，根據(jù)串級(jí)設(shè)計(jì)原則，可有幾種方案： （a）爐出口溫度——燃油（氣）流量串級(jí)控制 （b）爐出口溫度——燃油壓力串級(jí)控制 （c）爐出口

12、溫度——爐膛溫度串級(jí)控制 （d）采用壓力平衡式控制閥（浮動(dòng)閥）的控制,加熱爐的常規(guī)控制方案,爐出口溫度—爐膛溫度,爐出口溫度—燃油（氣）流量,加熱爐的常規(guī)控制方案,爐出口溫度—燃油壓力,采用壓力平衡式控制閥（浮動(dòng)閥）的控制,例1：催化裂化裝置加熱爐的自動(dòng)控制系統(tǒng),,工藝：把原油加熱到一定溫度送至常壓塔分餾。要求：爐出口溫度穩(wěn)定。,溫度控制：爐出口溫度對(duì)燃料閥后壓力串級(jí)控制,負(fù)荷控制：?jiǎn)位芈妨髁靠刂?燃料干擾：?jiǎn)位芈穳毫刂?例2

13、：煉廠常壓裝置中加熱爐的自動(dòng)控制系統(tǒng),,,工藝：把原油加熱到一定溫度送至常壓塔分餾。要求：爐出口溫度穩(wěn)定。,溫度控制：爐出口溫度對(duì)爐膛 溫度的串級(jí)控制,負(fù)荷控制：?jiǎn)位芈妨髁靠刂?燃料干擾：?jiǎn)位芈穳毫刂?加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),1、以燃料氣為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)危險(xiǎn)：（1）被加熱工藝介質(zhì)過少 或中斷，燒壞管子。（2）脫火現(xiàn)象，燃—?dú)?混合物爆炸。（3）回火，燃?jí)哼^低。（4）爐內(nèi)熄

14、火。,,加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),,,,,1、以燃料油為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)危險(xiǎn)：（1）進(jìn)料流量過低或中斷；（2）燃料油壓力過高會(huì)脫火，過低會(huì)回火；（3）霧化蒸汽壓力過低或中斷； 因此在這里設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)基本上與燃料氣為燃料的加熱爐相似，僅是原來的火焰檢測(cè)器BS換成霧化蒸汽壓力過低聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。,鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性,概述,燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng),鍋爐產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽一般是過程設(shè)備的能量來源——?jiǎng)?/p>

15、力設(shè)備，而蒸汽質(zhì)量對(duì)過程生產(chǎn)有直接影響,作用：,分類：,鍋爐有多種分類，根據(jù)鍋爐用途、燃料性質(zhì)（煤、油、氣）、壓力（高、中、低）,結(jié)構(gòu)：,鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性,工藝流程,鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性,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。,鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性,,干擾通道特性（蒸汽負(fù)荷）,控制通道特性（給水量）,鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性,“虛假水位”現(xiàn)象： 蒸

16、汽量突然加大時(shí)，水位不下降反而迅速上升，然后再下降； 蒸汽量突然減少時(shí)，水位不上升反而迅速下降，然后再上升； 虛假水位現(xiàn)象屬于反向特性，給控制帶來了一定的困難，在控制方案的設(shè)計(jì)時(shí)，必須引起特別注意。,鍋爐汽包水位控制,汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。 水位過低：負(fù)荷加大時(shí)，汽化速度加快，控制不及時(shí)會(huì)全部汽化。 水位過高：影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶液，影響后序

17、設(shè)備的正常運(yùn)行。 所以，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。,鍋爐汽包水位控制--單沖量水位控制,方案如圖：適用于負(fù)荷變化平穩(wěn)，幅度小。若假水位嚴(yán)重，則H的影響： 當(dāng)D↑時(shí)，由于假水位H↑，使G↓。 當(dāng)假水位消失時(shí)，由于D↑，使水位大幅度下降，如此使H變化較大。 ∴當(dāng)D變化較大時(shí)，往往使調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)。G、H波動(dòng)都大，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,(1) FFC—FBC 前

18、饋—反饋控制 引入蒸汽流量信號(hào)作前饋，可以抑制“假水位”誤動(dòng)作。一般用靜態(tài)前饋即可。,,,,,,,C1：取1,決定控制器增益。C0：偏置量， 可用C0抵消C2PD靜態(tài)分量，使加法器輸出有適當(dāng)值。C2：當(dāng)氣關(guān)閥時(shí)，取“—” 當(dāng)氣開閥時(shí)，取“+”C2的大小，即靜態(tài)前饋系數(shù)，也可以近似計(jì)算,對(duì)線性調(diào)節(jié)閥： 其中 蒸汽變送器量程； 給水變送器量程； 變送

19、器的輸出范圍。 取 思考：注意，雙沖量仍有假液位，只是減誤動(dòng)作（以至消除） ，相應(yīng)加大，使第二波峰減小。,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,（2）雙沖量水位控制（加法器在控制器之前）如圖，采用雙通道輸入控制器省加法器。不能用PI作用，否則有余差。PI規(guī)律 ∵原穩(wěn)定

20、 新穩(wěn)定， ，∵用PI作用 ∴ ，∵ 不變 ∴ ∴有余差，∴PI規(guī)律時(shí)，有余差。,,,,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),原因：①當(dāng)給水壓力有波動(dòng)；②閥門非線性，影響補(bǔ)償效果。所以可以引入給水信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制。

21、,（1）串級(jí)加前饋，方案（一）,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),,,,（2）方案（二）,加法器在控制器之前，用多輸入通道控制器（省加法器）,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),（3）方案（三）,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,任務(wù)（1）出口蒸汽壓力（2） 控制， 控制，空/燃比控制（3）負(fù)壓（4）安全保護(hù)，脫火，回火，熄火。,,,,鍋

22、爐燃燒系統(tǒng)的控制,出口壓力與燃料控制 （1） 單回路控制特點(diǎn)：壓力對(duì)燃料量的單回路控制適用于負(fù)荷及燃料 波動(dòng)較小的場(chǎng)合，而燃料量波動(dòng)較大時(shí)，可采用壓力對(duì)燃料量的比值和串級(jí)控制。,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,出口壓力與燃料控制 （2）并聯(lián)式空燃比控制特點(diǎn)：各自動(dòng)態(tài)時(shí)，比值不嚴(yán)格。,,出口壓力與燃料控制 （3）串級(jí)式空燃比控制 壓力對(duì)燃料量的串級(jí)，送風(fēng)量隨燃料變化的比值控制。特點(diǎn)：送風(fēng)量滯后于燃料量。 *上

23、述方案都沒能實(shí)現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)中的邏輯提降問題。,,,,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,,,,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,邏輯提量比值控制 保持比值有個(gè)先后的問題，蒸汽壓力是控制目標(biāo)，燃料是調(diào)節(jié)量，如圖所示，鍋爐燃燒系統(tǒng)，要求Fuel/air比值一定。同時(shí)要求 增加Fuel時(shí)，先增加air量，降Fuel時(shí)，先降Fuel，后降air。,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,氧含量控制 鍋爐的熱效率（經(jīng)濟(jì)燃燒）最簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法，是用煙氣中的氧含量來表示。