41 传热设备控制

第四章传热设备控制系统4.1传热设备的控制在工业生产过程中，根据工艺的要求，经常需要对物料进行加热或冷却来维持一定的温度，因此，传热过程是工业生产过程中重要的组成部分。为保证工艺过程的正常、安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。热量传递的方式有热传导、对流和热辐射三种，而实际的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或三种方式综合而成。传热设备主要用来对物料进行加热或冷却，以维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于它们的传热目的不同，被控变量也不完全一样。生产过程中进行传热的目的主要有三种。如下所述。第四章传热设备控制系统①使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程能很好地进行。对工艺介质进行加热或冷却，有时在工艺过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行。②某些工艺过程需要改变物料的相态。根据工艺过程的需要，有时加热使工艺介质汽化；有时则冷凝除热，以使气相物料液化。③回收热量。根据传热设备的传热目的，传热设备的控制主要是热量平衡的控制，一般取温度作为被控变量。对于某些传热设备，也需要增加有约束重要条件的控制，以对生产过程和设备的安全起到保护作用。第四章传热设备控制系统4.1.1传热设备的静态数学模型对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量（通常是受控变量）与输入变量之间的函数关系。而建立数学模型的意义，从自控的角度理解，可体现为如下三个方面：①作为控制方案设计时系统的扰动分析，以选择操纵变量和确定控制方案；②静态放大系数也能作为系统分析和控制器参数整定的参考；③作为控制阀流量特性选择的依据。传热过程工艺计算的两个基本方程式是热量平衡关系式和传热速率方程式，它们是构成传热设备静态特性的两个基本方程式。热量的传递总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差是传热的推动力。对于图4.1所示的列管式换热器，假定输出变量为t2，输入变量为T1、G1、t1、G2，则建立该对象的静态数学模型就是要找出t2与T1、G1、t1、G2之间的函数关系。第四章传热设备控制系统图4.1列管式换热器原理1．热量平衡关系式在忽略热损失的情况下，冷流体所吸收的热量，应等于热流体放出的热量，其热量平衡关系式为（4-1）式中，q——传热速率，单位是J/s；G1，G2——分别为载热体和冷流体的质量流量，单位是kg/h；c1，c2——分别为载热体和冷流体的比热容，单位是J/(kg·℃)；T1，T2——分别为载热体入口和出口温度，单位是℃；t1，t2——分别为冷流体入口和出口温度，单位是℃。12222111ttcGTTcGq第四章传热设备控制系统2．传热速率方程式由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率可按下式计算：mqKFt＝（4-2）式中，K——传热系数，单位为kcal/(℃·m2·h)，(1cal＝4.18J)；F——传热面积，单位为m2；Δtm——两流体间的平均温差，单位为℃。在各种不同情况下平均温差Δtm的计算方法是不同的，篇幅所限，在此不予详细介绍，需要时可参考有关资料。第四章传热设备控制系统4.1.2一般传热设备的控制一般传热设备，通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器及加热炉等。1．换热器的控制换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或冷却到一个工艺要求的温度。当换热器两侧的流体在传热过程中均无相态变化时，一般采用下列几种控制方案。（1）控制载热体的流量对于图4.1所示的换热器，由于冷、热流体间的传热既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有下列关系式：（4-3）式（4-3）可改写为t2＝(KFΔtm/G2c2)＋t1（4-4）mtKFttcG1222第四章传热设备控制系统从式（4-5）可以判断出，在传热面积F及冷流体进口流量G2、入口温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流体出口温度t2的主要因素是传热系数及平均温差Δtm。控制载热体的流量实质上是改变了传热速率方程中的传热系数K和平均温差Δtm，可分为下列两种情况讨论：①对于载热体在传热过程中不发生相变化的情况，主要是改变传热速率方程中的传热系数K；②而当载热体在传热过程中发生相变化时，情况要复杂得多，主要是改变传热速率方程中的平均温差Δtm。如图4.2所示，是控制载热体流量的方案之一，这种方案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变化不大的场合。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会使阀门关小以减小载热体的流量G1。从传热速率方程可以看出，K、Δtm会同时减小，从而把冷流体的出口温度t2拉回到设定值的控制要求。第四章传热设备控制系统如果载热体上游压力不平稳，则需采取稳压措施使其稳定，或采用以出口温度t2为主变量、载热体流量G1为副变量的串级控制系统，力求达到工艺操作的要求，如图4.3所示。图4.2改变载热体流量控制温度图4.3换热器串级控制系统第四章传热设备控制系统控制载热体流量是换热器操作中应用最为普遍的一种控制方案，多适用于载热体流量变化对温度影响较灵敏的场合。（2）控制载热体的旁路当载热体是工艺物料、其流量不允许节流时，可采用图4.4所示的控制方案。这种方案的控制机理与前一种方案相同，也是采用改变温差Δtm和传热系数K的手段来达到控制温度t2的目的的。方案中采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量及其旁路流量的比例，这样既可以控制进入换热器的载热体的流量，又可保证载热体总流量不受影响。这种控制方案在载热体为工艺物料时是极为常见的。图4.4载热体旁路控制方案第四章传热设备控制系统（3）控制被加热流体流量的旁路如图4.5所示，为被加热流体流量旁路控制方案，其中一部分工艺物料经换热器，另一部分走旁路。从控制机理来看，这种方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及时，适用于物料在换热器里停留时间较长的操作。但需要注意的是，换热器必须要有富裕的传热面积，而且载热体流量一直处于高负荷下，该方案在采用专门的载热体时是不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是工艺物料，总量本不宜控制，所以适合采用这种方案。图4.5被加热流体流量旁路控制方案第四章传热设备控制系统（4）控制载热体的汽化温度控制载热体的汽化温度亦即改变了传热平均温差。如图4.6所示的氨冷器出口温度控制就是这类方案的一例。控制阀安装于气氨出口管道上，当阀门开度变化时，气氨的压力将变化，相应的汽化温度也发生变化，这样就改变了传热平均温差，从而控制了传热量。但光这样还不行，还要设置液位控制系统来维持液位，从而保证有足够的蒸发空间。这类方案的动态特点是滞后小、反应迅速、有效，应用亦较广泛。但必须用两套控制系统，所需仪表较多；在控制阀的两端，气氨有压力损失，增大了压缩机的功率；另外，若要行之有效，液氨需有较高的压力，设备必须耐压。图4.6氨冷器出口温度控制mt第四章传热设备控制系统上述四种控制方案都是换热器生产过程中常见的方案，在实际应用过程中一定要对工艺生产的要求和操作条件进行深入分析，从而选择出较合理的一种控制方案，以满足生产过程的要求。2．蒸汽加热器的控制蒸汽加热器的载热体是蒸汽，通过蒸汽冷凝释放热量来加热工艺介质，水蒸气是最常用的一种载热体。根据加热温度的不同，也可采用其他介质的蒸汽作为载热体。（1）控制蒸汽载热体的流量如图4.7所示，为控制蒸汽流量的温度控制方案。蒸汽在传热过程中发生了相变化，其传热机理是同时改变了传热速率方程中的平均温差Δtm和传热面积F。当加热器的传热面积没有富裕时，应以改变温差Δtm为控制手段，控制蒸汽载热体流量G1的大小即可改变温差Δtm的大小，从而实现对被加热物料出口温度t2的控制。这种控制方案控制灵敏，但是当采用低压蒸汽作为载热体时，进入加热器内的蒸汽一侧会产生负压，此时，冷凝液将不能连续排出，故需慎重采用该控制方案。第四章传热设备控制系统图4.7控制蒸汽流量的温度控制方案图4.8控制冷凝液排放量的控制方案（2）控制冷凝液的排放量如图4.8所示，为控制冷凝液排放量的控制方案。该方案的机理是通过控制冷凝液的排放量，改变加热器内冷凝液的液位，导致传热面积F的变化，从而改变传热量q，以达到对被加热物料出口温度的控制。这种控制方案有利于冷凝液的排放，传热变化比较平缓，可防止局部过热，有利于热敏介质的控制。此外，采用该方案时排放阀的口径也小于蒸汽阀，但这种改变传热面积的控制方案的动作比较迟钝。第四章传热设备控制系统3．冷却器的控制冷却器的载热体是冷却剂，常采用液态氨等介质作为冷却剂，利用它们在冷却器内蒸发时吸收工艺物料的大量热量，使工艺物料的出口温度下降来达到生产工艺的要求。工业用冷却器的一般控制方案有以下几种。（1）控制冷却剂的流量如图4.9所示，为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案，其机理也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的。该方案控制平稳，冷量（冷却剂量）利用充分，且对压缩机入口压力无影响。但这种方案控制不够灵活，另外蒸发空间不能得到保证，易引起气氨带液而损坏压缩机。为此，可采用图4.10所示的物料出口温度与液位的串级控制方案，使用这种方案时，可以限制液位的上限，保证有足够的蒸发空间。也可以采用图4.11所示的选择性控制方案。（2）控制气氨排量如图4.12所示，为氨冷却器控制气氨排量的控制方案，其机理是通过改变传热速率方程中的平均温差来控制工艺物料的出口温度的。这种方案控制灵敏迅速，但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动。另外，冷量的利用不充分。为确保系统的安全运行，还需要设置一个液位控制系统，防止液氨进入气氨管路而导致压缩机损坏。第四章传热设备控制系统图4.9控制冷却剂流量的控制方案图4.10温度与液位串级控制方案图4.11温度与液位的选择性控制方案图4.12控制气氨排量的控制方案第四章传热设备控制系统4.1.3管式加热炉的控制生产过程中有各式各样的加热炉，在炼油化工生产中常见的是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆桶式等几类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量，同时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管的使用寿命，因此必须严加控制加热炉出口温度。加热炉是传热设备的一种，热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。加热炉又属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的烟气流，主要通过辐射将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质。工艺介质在辐射室获得的热量约占热负荷的70%～80%，其余热量在对流段获得。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得其对象特性是困难的。第四章传热设备控制系统加热炉的对象特性一般从定性分析和实验测试获得。和一般传热设备一样，加热炉具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它有很大的热容量，滞后更为显著。因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据实验测试并作了一些简化，可以用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的对象特性。其时间常数和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质的停留时间有关，炉膛容量大，工艺介质的停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大；反之亦然。根据实践经验，用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的对象特性还是可行的。1．扰动分析加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度。此温度是控制系统的被控变量，而操纵变量是燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，如允许波动范围为±（1～2）℃。影响炉出口温度的扰动因素有：工艺介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的压力、成分（或热值）、燃料油的雾化情况、空气过量情况、喷嘴的阻力、烟囱抽力等。在这些扰动因素中有些是可控的，有些是不可控的。为了保证炉出口温度稳定，对扰动应采取必要的措施。第四章传热设备控制系统2．加热炉的简单控制如图4.13所示，为某燃油加热炉控制系统示意图，是以炉出口温度为被控变量、以燃料油（或气）为操纵变量组成的简单控制系统。为了对主要扰动采取必要的稳定措施