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1、毕业设计说明书毕业设计说明书 GRADUATE THESIS 论文题目 论文题目 换热器热流出口温度控制换热器热流出口温度控制 学学 院 电气工程学院院 电气工程学院 华北理工大学信息学院 摘 要 换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程 工业部门 以工业上常用的列管式换热器为例 热流体和冷流体通过对流热传导 达到换热的目的 从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求 但由于目前 制造工艺的限制 控制方式的单一性 换热器普遍存在控制效果差 换热效率低的 现象 造成能源的浪费 如何提高换热器的控制效果 提高换热效率 对于缓解我 国能源紧张的状况 具有长远的意义 本课题来源
2、于对 SMPT 1000 实验平台换热器的研究 对于换热器热流出 口温度的控制 使用 PID 控制来进行调节 通过不断的调整其参数 确定一个 比较准确的参数值 通过调整冷水阀的开度调整其流量来控制热流的出口温度 本设计利用 PCS7 来完成整个系统自动控制 通过 PCS7 软件对系统进行 硬件和软件组态 完成控制出口温度的编程 最后通过人机界面监控维护控制 系统正常运行 关键词 换热器 温度 PID 控制 PCS7 目 录 I Abstract Heat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the
3、field of power engineering and other process industries In the industry commonly used shell and tube heat exchanger for example the hot fluid and cold fluid heat transfer by convection heat transfer to achieve the purpose so that the heat exchanger outlet temperature of the material to meet the need
4、s of industrial production However as the manufacturing process constraints control unity common heat exchanger control is poor the phenomenon of low heat transfer efficiency resulting in waste of energy How to improve the control performance of the heat exchanger to improve heat transfer efficiency
5、 to ease China s energy shortage situation have long term significance The design comes from the SMPT 1000 test platform research exchanger for heat exchanger outlet temperature control the use of PID control to adjust through continuous adjusting its parameters to determine a more accurate paramete
6、r values by adjusting opening of the cold water valve to control the flow of adjustment of the outlet temperature of the heat flow This design uses PCS7 to complete the system of automatic control by PCS7 software on the system hardware and software configuration complete control of the outlet tempe
7、rature of the programming the last operating normally by HMI monitoring and control system Keywords Heat temperature PID control PCS7 Abstract II 目目 录录 摘 要 I Abstract II 目 录 III 第 1 章 绪论 1 1 1 换热器设备 1 1 2 选题背景及意义 1 1 3 国内外研究现状及发展史 2 1 4 本设计主要内容 4 1 5 本章小结 4 第 2 章 系统工艺流程及算法控制 5 2 1 SMPT 1000 实验平台及换热器
8、 5 2 2 换热器 6 2 2 1 高阶换热器 6 2 2 2 换热器工作原理 6 2 3 PID 控制 7 2 3 1 PID 基本介绍 7 2 3 2 参数整定 10 2 3 3 主要功能和应用 12 2 4 控制系统的设计 13 2 4 1 温度控制特点 13 2 4 2 换热器温度控制系统 13 2 5 本章小结 15 第 3 章基于 PCS7 实现系统控制 16 3 1 PCS7 简介 16 3 2 PCS7 作用 16 3 3 PCS7 控制系统结构 17 3 4 工程项目的建立 18 3 5 控制系统硬件设计与组态 19 3 5 1 硬件系统组成 19 3 5 2 硬件选型选型
9、以及通讯 20 3 5 3 操作员站组态 22 3 5 4 网络连接组态 23 3 6 软件组态 23 目 录 III 3 6 1 系统软件程序 23 3 6 2 与硬件地址的连接 24 3 6 3 系统报警软件程序 25 3 7 人机界面创建 25 3 8 过程趋势画面的创建 26 第 4 章控制系统的投运 28 4 1 运前的准备工作 28 4 2 副环参数整定 28 4 3 主环参数整定 28 4 4 控制系统的仿真运行 29 4 4 1 热流出口温度 29 4 4 2 系统扰动测试 30 第 5 章 总结 31 参考文献 32 谢 辞 34 华北理工大学电气工程学院 0 第 1 章 绪
10、论 1 1 换热器概述 换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递 的节能设备 是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体 使流体温度达到 流程规定的指标 以满足过程工艺条件的需要 同时也提高能源利用率的主要 设备之一 换热器按传热面的结构分类为以下几种 1 表面式换热器又称为间壁式换热器 在此类换热器中 温度不同的两种 流体 在被一固体壁面分开的不同空间里流动 热流体放出的热量通过固体壁 面传给冷流体 如列管式换热器 一种流体在管内 管程 流动 另一种流体 在管外 壳程 流动 这类换热器类型多 应用广 化工生产中所用换热器绝大 多数属于此类 如列管式换热器 夹套式换热器
11、蛇管式换热器 套管式换热 器 板式换热器等等 2 直接接触式换热器在这类换热器中 冷热两种流体直接接触进行换热 这对工艺上允许两种流体混合的情况而言 既方便又有效 所用设备也较简单 如凉水塔是用来冷却循环水的 在凉水塔内 空气与水直接接触进行换热 又 如在气压冷凝器中 蒸汽与水直接接触使蒸汽冷凝等等 3 蓄热式换热器该换热器是借助热容量较大的固体蓄热体 如耐火砖等 将热量从高温流体传递给低温流体的热交换器 当蓄热体与高温流体接触时 从高温流体处接受热量 蓄热体温度升高 然后与低温流体接触 将热量传递 给低温流体 蓄热体温度下降 从而达到换热的目的 这类换热器结构较简单 可耐高温 故常用于高温气
12、体热量的利用或冷却 其缺点是设备体积较大 同 时也难免两种流体在一定程度上相混合 换热器行业涉及暖通 压力容器 中水处理设备等近 30 多种产业 相互形 成产业链条 1 2 选题背景及意义 近年来 在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃发展 温度已成为工业对象 控制中一种重要的参数 1 热换器是化工和一些工业部门生产过程中主要的换热设 备 生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换 因而都需要换热器 随着科 研人员的不断发展和创新对能源的利用和开发 热换器在生活中的应用也日益增 第 1 章 绪论 1 进 在现在的工业生产换热器占有较大的份额 换热器行业涉及暖通 压力容器 中水处理设备等近 30 多种
13、产业 2 相互 形成产业链条 数据显示 2010 年中国换热器产业市场规模在 500 亿元左右 主 要集中于石油 化工 冶金 电力 船舶 集中供暖 制冷空调 机械 食品 制药等领域 其中 石油化工领域仍然是换热器产业最大的市场 其市场规模 为 150 亿元 电力冶金领域换热器市场规模在 80 亿元左右 船舶工业换热器市 场规模在 40 亿元以上 机械工业换热器市场规模约为 40 亿元 集中供暖行业换热 器市场规模超过 30 亿元 食品工业也有近 30 亿元的市场 另外 航天飞行器 半导体器件 核电常规岛核岛 风力发电机组 太阳能光伏发电多晶硅生产等 领域都需要大量的专业换热器 这些市场约有 1
14、30 亿元的规模 近年来 跟着我国石化 钢铁等行业的快速发展 热交换器的需求水平大幅 上涨 但海内企业的供应能力有限 导致热交换器行业呈现供不应求的市场状态 巨大的供应缺口需要入口来弥补 3 我国能源利用率大约只有 33 其利用率还很 低 比发达国家低约 10 个百分点 国内换热器行业在节能增效 提高传热效率 减少传热面积 降低压降 提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩 基于 石油 化工 电力 冶金 船舶 机械 食品 制药等行业对换热器稳定的需求 增长 我国换热器行业在未来一段时期内将保持稳定增长 2011 年至 2020 年期 间 我国换热器产业将保持年均 10 15 左右的速度增长 到
15、 2020 年我国换热器 行业规模有望达到 1500 亿元 由此可见 在节能方面 我国还存在着非常大的潜力 本课题主要研究列管式换热器 列管式换热器的换热面积大 结构坚固 操作弹 性大 材料广泛 便于清洁 适合大型装置特点 列管换热器在制药行业带来的 效益非常的明显 从卫生要求较高的液体 一个工业用水量较大和卫生要求较高 的制药厂都可以用列管式换热器来处理 本课题研究的换热器是个冷却器 可以 通过换热回收热物料的热量 1 3 国内外研究现状 二十世纪 20 年代出现板式换热器 并应用于食品工业 以板代管制成的换 热器 结构紧凑 传热效果好 因此陆续发展为多种形式 30 年代初 瑞典首次制成螺旋
16、板换热器 接着英国用钎焊法制造出一种由 铜及其合金材料制成的板翅式换热器 用于飞机发动机的散热 30 年代末 瑞典又制造出第一台板壳式换热器 用于纸浆工厂 在此期间 为了解决强腐蚀性介质的换热问题 人们对新型材料制成的换热器开始注意 华北理工大学电气工程学院 2 60 年代左右 由于空间技术和尖端科学的迅速发展 迫切需要各种高效能 紧凑型的换热器 再加上冲压 钎焊和密封等技术的发展 换热器制造工艺得 到进一步完善 从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用 自 60 年代开始 为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要 典型的 管壳式换热器也得到了进一步的发展 70 年代中期 为了强化传热 在研究和发展热管的基础上又创制出热管式 换热器 中国换热器产业起步较晚 1963 年抚顺机械设备制造有限公司按照美国 TEMA 标准制造出中国第一台管壳式换热器 1965 年兰州石油机械研究所研制 出我国第一台板式换热器 苏州新苏化工机械有限公司 原苏州化工机械厂 在 20 世纪 60 年代研制出我国第一台螺旋板式换热器 之后 兰州石油机械研 究所首次引进德国斯密特 Schmidt 换热器技术
