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1、传热设备控制方案传热设备的控制方案绪 论传热过程在工业生产中应用极为广泛，有的是为了便于工艺介质到达生产工艺所规定的温度， 以利于生产过程的顺利进行，有的那么是为了防范生产过程中能量的浪费。在实现传热过程的各种设备中，蒸汽加热的浪费最多。目前，蒸汽加热换热器的控制仍采用传统的PID控制，以加热蒸汽的流量作为调治手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量组成控制系统 1。工业生产过程中，由于热量交换的设备称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量交换时能够发生相变或不发生相变。热量的传达能够是热传导、热辐射或热对流。实质传热过程中平时是几种热量传达方式同时发生。传热设备简况见表2-1。表 2-1传
2、热设备传热设备的特点应包括传热设备的静态特点和传热设备的动向特点。静态特点设备输入和输出变量之间的关系；动向特点是动向变化过程中输入和输出之间的关系。下面以换热器为例简单介绍一下传热设备的根根源理。换热器简介1 换热器静态特点的根本方程式 热量衡算式图 2-1 所示为换热器的根根源理。图 4。 2-1换热器的根根源理92由于换热器两侧没有发生相变，因此，可列出热量衡算式G2c2( 2i - 2o)=G1c1( 1o- 1i )(2-1)式中，下标1 表示冷流体参数，2 表示在热流体参数。传热速率方程式换热器的传热速率方程式为q=UAmm(2-2)式中， m是平均温度差，对单程、逆流换热器，应采
3、用对数平均式，表示为(2-3)但在大多数情况下，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于5%。算术平均温度差表示为(2-4)换热器静态特点的根本方程式依照热量平衡关系，将式 (2-4) 代入式 (2-2) ，并与式 (2-1) 联立求解，获取换热器静态特点的根本方程式(2-5)假设换热器的被控变量是冷流体的出口温度1o，控制变量是载热体的流量G2，那么式 (2-5)可改写为(2-6)2 换热器传热过程的动向特点在工业生产中，生产负荷常常是在必然范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运行工况必定不断调治以与生产负荷变化相适应。以逆流、 单程、列管式换热器为例，假设换热过程中的热损失可忽略不计，那么
4、有控制通道的静特点：(2-7)T0， Ti ， TSi 分别为工艺介质的出口、入口和加热蒸汽的温度WS ， W 分别为加热蒸汽和工艺介质的流率CPS ， C 分别为加热蒸汽和工艺介质的定压比热容93K A 总传热系数A 平均传热面积解析上式可知，换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性，即在工艺介质流量W 大时，加热工艺介质到达规定温度所需的蒸汽流量W S 必然随之增大，那么上式计算出的放大系数K 减小。对于决定换热器动向响应的特点参数,机理解析和工程实践都说明,换热器是一个惯性和时间滞后均较大的被控系统,且是分布参数的。假设将动特点用集中参数来描述,换热器可用一个三容时滞对象来近似描述。为简化
5、起见,将换热器的动特点取为:(2-8)式 (2-8) 中的放大系数已在上面阐述,时间常数和滞后时间 是两个决定换热器动向响应过程的时间型参数,它们也是随换热器的工况变化而变化的。以式(2-8) 中的滞后时间为例 ,它是由多容对象办理为单容对象而引入的容量滞后时间 c 与由工艺介质传输距离引起的纯滞后时间 d 两局部组成。显然,当生产负荷变化时,介质流速随之变化,从而使得滞后时间也是随负荷变化的。控制方案确实定依照上述解析， 为了控制换热器的冷流体出口温度，有四种能够影响的过程变量，其中，冷流体入口温度、载热体入口温度和冷流体流量都是由上工序确定，因此不能控制，但可测量。 也许因通道的增益较小，
6、不宜作为控制变量。可控制的过程变量只有载热体流量。因此，对冷流体出口温度可采用单回路控制系统，即出口温度为被控变量，载热体流量为控制变量的单回路控制系统。由于其他三个过程变量不能控但可测量，当它们的变化较频频，幅值颠簸较大时，也可作为前馈信号引入，组成前馈-反应控制系统。当载热体流量或压力颠簸较大时，宜将载热体流量或压力作为副被控变量，组成串级控制系统。从上述解析可知， 采用载热体流量作为控制变量时，在流量过大时， 进入饱和非线性区，这时，增大载热体流量将不能够很好的控制冷流体出口温度，而需要采用其他控制方案。传热设备控制方案的实现1 调治载热体流量改变载热体流量，引起传热速率方程的传热总系数
7、U 和平均温度差的变化。可根m据载热体可否发生相变，分两种情况谈论。载热体不发生相变依照热量衡算式和传热速率方程式可知，当改变载热体流量时，会引起平均温度差的变化，流量增大，平均温度差增大，因此，在传热面积足够时，系统工作在图2-2 所示的非饱和区，经过改变载热体流量可控制冷流体出口温度。94图 4。 2-2载热体流量与冷流体出口温度的关系当传热面积碰到限制时， 由图 2-2 可知，由于传热面积缺乏， 经过增加载热体流量不能够有效的提高冷流体出口温度， 即系统工作在饱和区。 这时， 经过调治载热体流量的控制方案不能够很好地控制出口温度， 应采用其他控制方案， 比以下面将介绍的工艺介质分路控制方
8、案。考虑换热器的动向特点，由于流体在流动过程中不能防范存在时滞，比方，冷流体入口温度对出口温度的时滞就较大， 而其他扰动通道也拥有较大的时间常数， 为此，在控制方案的设计时应采用时滞补偿控制系统或改进工艺，减少时间常数和时滞。. 当载热体压力颠簸不大时，可采用以冷流体出口温度为被控变量、载热体流量为控制变量的单回路控制系统，控制方案如图 2-3(a) 所示；当压力或流量颠簸较大时，可增加压力或流量为副环，组成以载热体压力或流量为副被控变量的串级控制系统，控制方案如图2-3(b) 所示。(a) 单回路控制系统(b) 串级控制系统图 4。 2-3调治载热体流量的控制方案当原料流量冷流体流量等颠簸较
9、大时，可采用前馈- 反应控制系统，其前馈信号可来自冷流体流量，控制方案如图2-4 所示图 4。2-4前馈 - 反应控制系统95 载热体发生相变当载热体发生相变时，会产生放热或吸热现象。比方，蒸汽加热器中蒸汽冷凝放热，氨冷器中液氨蒸发吸热等。热量衡算式中放热或吸热与相变热相关。当传热面积足够时， 比方，蒸汽加热器中， 送入的蒸汽能够全部冷凝，并可连续冷却，这时，可经过调治载热体流量有效地改变平均温度差，控制冷流体出口温度。当传热面积缺乏时， 比方蒸汽加热器中蒸汽冷凝量确定冷流体出口温度，蒸汽不能够全部冷凝时，气相压力会高升，同样，在氨冷器中，液氨不能够全部蒸发成为气相，使氨冷器液位高升。 这时，
10、应同时考虑传热速率方程式和热量衡算式，确定冷凝量或蒸发量和相应的出口温度。 因此，在传热面积缺乏时，若是采用载热体流量控制方案时，应增设信号报警或联锁控制系统。比方，气压高或液位高时发出报警信号，并使联锁动作，关闭相关控制阀。当气压或液位的颠簸较大时，也可采用串级控制系统。 比方， 出口温度和蒸汽压力、出口温度和液位的串级控制系统等。有时， 可采用选择性控制系统，即在安全软限时， 将正常控制器切换到取代控制器。 比方，蒸汽加热器的冷流体出口温度控制可采用出口温度和蒸汽压力的选择性控制系统， 氨冷器的控制可采用该温度和液氨液位的选择性控制系统等，如图 2-5 所示。图 4。 2-5氨冷器的选择性
11、控制2 调治载热体的汽化温度改变载热体的汽化温度，引起平均温度差的变化。m以图 2-6 所示的氨冷器为例。由于控制阀安装在气氨管路上，因此，当控制阀开度变化时，气相压力变化， 引起汽化温度变化，使平均温度差变化，改变了传热量， 出口温度随之变化。该控制方案的特点以下： 改变气相压力，系统响应快，应用较广泛。 为了保证足够蒸发空间，需要保持液氨的液位恒定，为此，须增设液位控制系统，增加设备投资花销。 由于控制阀两端有压损，其他，为使控制阀能有效控制出口温度，应使设备有较高气相压力。 为此，需要增大压缩机功率，并对设备耐压提出更高要求，使设备投资花销增加。图 4。 2-6 调治汽化温度的控制963
12、 工艺介质分路上述控制方案在多数应用途合能够发挥很好的控制作用。但存在以下问题： 静态特点解析说明， 载热体流量 G2 较大时，系统进入非线性饱和区，这时，增加载热体流量对出口温度的高升影响不大，控制作用减弱。 动向特点解析说明，相对流体输送设备，换热器是拥有较大时间常数和时滞的被控对象。 动向特点较差， 采用改变载热体流量控制常常不够实时， 系统超调量较大。为此提出工艺介质控制方案， 其策略是将热流体和冷流体混杂后的温度作为被控变量，热流体温度大于设定温度， 冷流体温度低于设定温度， 经过控制冷热流体流量的配比，使混杂后的温度等于设定温度。可采用三通控制阀直接实现，也可采用两个控制阀其中，一个为气开型，一个为气关型实现，三通控制阀可采用分流安装在入口或合流安装在出口方式，图2-7 所示为相应的控制方案。(a)用三通阀的分流控制(b)用两个阀的分流控制图 4。 2-7工艺介质控制系统工艺介质分路的特点： 对载热体流量不加控制，而对被加热流体进行分路，使饱和区发生在被加热流体流量较大时，因此，常用于传热面积较小的场合； 由于采用混杂，因此动
