7传热设备控制

内容引言换热器的静态特性换热器的控制加热炉的控制传热设备的控制换热器的静态特性G1,T1o,c1G2,T2i,c2G1,T1i,c1G2,T2o,c2工艺介质载热体问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1,T1i,G2,T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质的出口温度T1o。其中c1,c2分别为相应介质的比热。热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量/单位时间=载热体放出的热量/单位时间)(11111ioTTGcq)(22222ioTTGcq21qqG1,T1o,c1G2,T2i,c2G1,T1i,c1G2,T2o,c2工艺介质载热体热交换过程的传热速率方程mmTKFqK为传热系数；Fm为传热面积；ΔTm为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在1/3~3之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTT热交换过程的静态方程)(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioiiiomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiioG1,T1o,c1G2,T2i,c2G1,T1i,c1G2,T2o,c2工艺介质载热体热交换过程的静态特性分析iiioTTTTy1211mKFcGx111mKFcGx2222111211xxxy01234567800.10.20.30.40.50.60.70.80.91yx1=0.5x1=1.0x1=2x1=4x2严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分比阀。22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiio令：，，换热器的控制问题被控变量(1)被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；(2)加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。控制变量(1)调载热体的流量；(2)调节传热平均温差；(3)调传热面积；(4)将工艺介质分路，一路经换热，另一路走旁路。11112222mmoiioqKFTcGTTcGTT换热器的控制方案凝液蒸汽TCTCLC氨气液氨改变传热系数K和平均温差ΔTm改变平均温差ΔTm换热器的控制方案(续)TC蒸汽凝液TC载热体工艺介质改变传热面积Fm加热炉的控制问题被控变量：工艺介质的出口温度。控制变量：燃料油或燃料气的流量。主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。加热炉的单回路控制FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的串级控制（一）TCTC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油出口温度对炉膛温度的串级控制出口温度对燃料油流量的串级控制加热炉的串级控制（二）TC进料出料燃料油PCTC进料出料燃料油出口温度对燃料油压力的串级控制采用浮动阀的控制方案催化裂化加热炉的控制系统FCFCTCPCPCPC自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气(热裂解气)加热炉的安全联锁保护系统TCPCLSGL2BSGL1燃料进料出料LS：低选器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。流量控制系统的特点控制通道的对象时间常数小只需采用PI调节器，无须引入微分作用；测量信号通常带有高频噪声应考虑对测量信号的滤波或在控制器与变送器之间引入一阶滞后环节，以减小调节阀的振动；静态非线性应考虑选用合适的控制阀特性，使广义对象的静态特性接近线性。流体输送设备控制离心泵的特性HHLn1n2n3Q2221QKnKHH为泵的压头，即泵前后的流体静压差；n为离心泵转速；Q为泵的排出量。HL为泵的最大输出功率线，即在给定的转速下，H*Q在该压头下达到最大。采用直接节流法的流量控制系统HL1HL2HL3C1C2C3HQFC调节原理：通过改变相关管路的阻力系数，以控制管道流量。注意：控制阀不应装在泵的吸入口；另外，控制阀的开度不应过小或过大，即应合理选择控制阀的尺寸。还有，检测元件宜装在控制阀的上游。泵的流量特性曲线与管路特性曲线采用变频调速法的流量控制调节原理：采用变频调速器通过改变泵的转速，以控制管道流量。特点：节能，调节平稳，但投资较大。FC调转速采用旁路法的流量控制FCxrxrPC特点：机械效率低，但适合于某些不能采用直接节流法的容积式泵。容积式泵的流量控制特点：容积式泵不能采用直接节流法。可采用旁路法或调速法或改变冲程控制方案。FCPC入口出口往复泵原动机离心式压缩机的特性曲线P2/P1为压缩机出口压力与进口压力（均为绝压）之比，或称压缩比；n为压缩机的转速；Q为压缩机出口流量。其气量或出口压力的控制系统与离心泵相近，可用直接节流法、旁路回流法与变频调速等。100n1n2n3Q,%喘振区501.02.03.0P2/P1离心式压缩机特性曲线流体输送设备的喘振现象(1)泵刚启动时，液位为1-1，对应管路特性为I，工作点为QM，QAQM.(2)工作点的变化过程：QM→QN→QO→QP→QN→QO→...QA112233QQMHTIOH--QMNPIIIIIQNQOQA固定极限流量法对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量Qo，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值QP，且有QP＜Qo。防喘振旁路控制当压缩机正常运行时，控制器的测量值恒大于设定值，要求旁路阀全关；而当压缩机吸气量小于设定值时，要求旁路阀打开，使压缩机总的吸入量等于或大于设定值.压缩机排出吸入循环FC防喘振操作线方程n1n2n3Q21.02.03.0P2/P1喘振极限线安全操作线aTQKPP12112Q1为压缩机吸入口气体的体积流量,即压力为P1，温度为T1条件下的气体体积流量。K，a由压缩机生产厂给出。采用差压计测流量时的安全操作线aTQKPP12112111dPQ111zRTMPaPPmPPd11121)(121PPmPdzRKMm22可变极限防喘振控制系统压缩机排出吸入循环FC∑×P1P2P2--aP1mm(P2--aP1)P1d该方案控制器FC的给定值是经过运算得到的，因此能根据压缩机负荷变化的情况随时调整入口流量的给定值，而且由于这种方案将运算部分放在闭合回路之外，因此可像单回路流量控制系统那样整定控制器参数。内容精馏塔的控制目标精馏塔的静态特性精馏塔质量指标的选取精馏塔的基本控制方案精馏塔的复杂控制方案精馏塔设备的控制连续精馏装置的工艺流程回流泵原料塔顶产品塔底产品精馏塔再沸器冷凝器回流罐操作目的：通过反复的部分汽化与部分冷凝，将混合液中沸点不同的各组分分离成产品。操作代价：消耗能量，塔底需要加热使塔底液部分汽化；塔顶需要冷却使塔顶组分冷凝；精馏塔的控制目标安全平稳操作产品质量对于仅有塔顶、塔底出料的简单精馏塔，其质量指标可用塔顶与塔底料中关键组分的纯度来表示。产品回收率经济效益在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品的回收率并设法降低装置的能耗。精馏塔产品纯度、产品回收率和能耗之间的相互关系120100806040200809095989999.599.8产品回收率*100%产品纯度*100%2FV468产品回收率：进料中每单位产品组分所能得到的可售产品的数量；能耗指标：用单位进料的塔底上升蒸气量V/F来表示；若能耗一定，随着产品纯度提高，回收率迅速下降；若产品纯度一定，在一定范围内随着能耗提高，回收率也明显提高；到一定程度后，增加能耗的效果就不显著了。精馏塔的静态特性F,xFVB,xBD,xDBDF总组分与轻组分的物料平衡方程：BDFBxDxFx能耗与分离度S的关系：)1()1(lnlnDBBDxxxxSFVBDFDBDBFxxxxFBxxxxFD或结论：对于给定的进料，若D/F和V/F保持一定，则该塔的分离结果xD,xB就完全确定。塔内部平衡关系——进料板的物料平衡LsFVRVSLRRSSRFLVLV泡点进料：SRSRLFLVV露点进料：RSRSVVFLL塔内部平衡关系——精馏段和提馏段的物料平衡D,xDVRLR=Liyi+1xi1RiRiDVyLxDxjyjxj-1V=VsB,xBLs1SjSjBVyLxBx动态影响分析上升蒸汽和回流的影响——除了顶部塔板外，再沸器加热量对汽液比的影响比回流量快组分滞后的影响——组分滞后随着塔板上液相蓄存量和塔板数的增加而增加回流罐蓄液量和塔釜液量引起的滞后影响——回流罐和塔釜液位必须保持一定，否则会影响控制品质精馏塔的控制问题精馏过程塔顶采出量D回流量L塔底采出量B再沸器加热量QH冷凝器冷却量QC塔顶汽相采出量DV塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LD塔顶压力P外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量被控变量精馏塔的压力控制FLDPCFLDPC塔顶汽相采出量DV—塔压P冷凝器冷却量QC—塔压P精馏塔的简化控制问题精馏过程塔顶采出量D回流量L塔底采出量B再沸器加热量QH塔顶产品纯度xD塔底产品纯度xB塔底液位LB回流罐液位LD外部扰动(进料的流量,组成与温度等)操作变量/控制变量被控变量精馏塔质量指标的选取直接质量指标（1）产品质量在线分析仪/软测量仪间接质量指标（1）灵敏板温度，与塔顶/塔底温度相比，可提高温度变化的灵敏度（对于同样的浓度变化）；（2）温差信息，与灵敏板温度相比，可减弱压力波动对温度的影响；（3）双温差信息，可用于精馏塔的适宜分离度控制，即使塔顶/塔底产品纯度均适中。精馏塔物料平衡控制问题精馏塔DLBQHLBLDFW特点：仅保证塔的物料平衡要求，而不对塔顶、塔底产品质量作严格控制。适应场合：（1）对产品质量要求不高；（2）处理量与进料性质变化不频繁或变化幅度小。DLQHBLD××LB××方案操纵变量DLQHB备注1受控变量LDLQHLB对产品的质量控制较弱2DLDQHLB当D＜＜B时采用3LDLLBB当B＜＜D时采用4DLDLBB不可用精流塔物料平衡控制方案物料平衡控制方案之方案一DFCFBFCLCFCQHLC精馏塔LPC对产品的质量控制较弱物料平衡控制方案之方案二DLCFBFCFCFCQHLC精馏塔LPC当D＜＜B时采用1、如果对B自控，B的小波动会造成D的大波动2、小流量控制液位太慢物料平衡控制方案之方案三DLCFBFCFCFCQHLC精馏塔LPC当B＜＜D时采用一端产品质量控制：塔顶质量被控变量：TR,LD,LB(即只对塔顶产品质量指标进行控制，对塔底产品质量指标不作严格要求)方案操纵变量DLQHB5LDTRQHLB6TRLDQHLB7LDTRLBB8TRLDLBB精馏塔DLBQHTRLBLDW一个产品质量控制之方案五DLCFBLCTCQHFC精馏塔LPCFC直接控制塔内能量平衡关系来实现对分离精度的控制，但是回流L的波动对精馏塔的平稳操作是不利的。再沸器加热量需要足够大，以保证最大负荷时的产品质量。一个产品质量控制之方案六DLCFBLCTCQHFC精馏塔LPCFC一种物料平衡控制方案。实质是通过D的变化使LD改变，从而在LD的液位控制作用下使L变化。因此温度回路滞后较大。回流量较大时控制D较灵敏。当产品质量不合格时，可采取全回流保证产品质量。再沸器加热量也要保持较高的值。一个产品质量控制之方案七塔顶温度回路和塔底液位回路之间存在着较严重的关联，多为负相关，不使用。DLCFBLCTCQHFC精馏塔LFC一