第十六章_传热设备的控制

过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程Email:[e-mail]第16章传热设备的控制传热设备的控制第11章16.1概述16.2传热设备的特性16.3一般传热设备的控制16.4锅炉设备的控制16.5加热炉的控制16.6蒸发器的控制16.1概述对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式一般传热设备（以上）特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等传热设备的类型16.1.1传热方式：传导、对流、辐射物流接触关系：直接接触式，间壁式、蓄热式热量交换形式：无相变的热量交换、有相变的热量交换16.2一般传热设备的控制换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等传热设备作用及控制16.1.2（1）对工艺介质进行加热或冷却（2）使工艺介质发生相变（3）热量回收主要是进行温度控制，以及一些保护性控制控制要求：换热器的特性16.2图逆流单程换热器G2c2T2iG1c1T1iG1c1T10G2c2T20①对象静态特性分析基于热量平衡方程和传热速率方程，用于系统扰动分析及静态控制设计依据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101211111221112iiiTTTTGcGcKFGc换热器的特性16.21110122220()()iiqGcTTGcTTq=KFΔT单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式换热器的特性16.2热交换过程的传热速率方程mmqKFT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21212121()()lnoiiomoiioTTTTTTTTT2121oiioTTTT若在1/3~3之间，则可用算术平均近似2121()()2oiiomTTTTT换热器的特性16.2热交换过程的静态方程21211111()()()2oiiomoiTTTTqKFcGTT111112222()()oiioqcGTTcGTT1111112111221()()1()2oiiioimcGcGTTTTTTKFcG11211111221112oiiimTTTTcGcGKFcG单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式仿真分析（静态放大倍数）：T1i→T1o：式11-8T2i→T1o：式11-910111112211112iTTGcGcKFGc1021111221112iTTGcGcKFGc换热器的特性16.2仿真分析（静态放大倍数）：T1o--G2：T1o--G1：11GcKF22GcKF3110121iiiTTTT22GcKF10121iiiTTTT111GcKF24换热器的特性16.2严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。②对象动态特性分析换热器的特性16.2T1i→T1o：1111()WsGsGsKeKe动态纯滞后环节T2i→T1o、G1→T1o、G2→T1o212()(1)(1)sKGsess带纯滞后的二阶惯性环节分布参数对象：既是时间函数，又是空间的函数精确描述：偏微分方程，求解困难经验公式近似描述：特点：简单易行但是，当G2已经很大，而温差较小时，迟钝控制另外，若工艺上不允许对载热体节流时，不能采用这种方案控制方案两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量换热器的控制16.3工业介质G1载热体G2TC图16-8①控制载热体流量用载热体流量控制介质出口温度，最常用的方法②介质旁路控制介质混合过程控制及时（相当于前馈机理）另外，还可以组成前馈——串级控制方案图换热器的控制16.3.1图16-9工业介质G1载热体G2TC蒸汽加热器的控制16.3.2①控制载热体流量蒸汽发生相变，可同时通过ΔT和传热面积控制，只是要注意出口液体能够连续排出。蒸汽作为热载体，工业常用蒸汽G2TC凝液G1图16-12②控制冷凝液排量热载体的出口控制，通过改变F控制控制阀控制液体，口径可以小些，液体控制平稳，缺点：滞后蒸汽G2凝液TCFCG1蒸汽加热器的控制16.3.2图16-14前馈-反馈控制系统冷凝冷却器的控制16.3.3缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液T-L串级控制系统热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量气氨TC液氮图16-16①控制载热体流量优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响冷凝冷却器的控制16.3.3②控制汽相流量控制灵活，但出口压力波动，若直接进入压缩机，对压缩机有影响TCLC液氮气氨传热设备的控制16.1概述16.2传热设备的特性16.3一般传热设备的控制16.4锅炉设备的控制16.5加热炉的控制16.6蒸发器的控制第11章教学进程热空气送往炉膛265DSD过热蒸汽送负荷设备Pm378给水（由水泵来）1燃料热空气1一燃烧嘴；2一炉膛；3一汽包；4一减温器；5一炉墙；6一过热器；7一省煤器；8一空气预热器烟气（经引风机送往烟囱）冷空气（由送风机来）16.4锅炉设备的控制16.4.1概述燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响作用：分类：锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质（煤、油、气）结构：压力：低压小于或等于2.45MPa的锅炉，蒸汽温度多为饱和温度或不高于400℃。中压为2.94——4.90MPa的锅炉，蒸汽温度为450℃。高压为7.84—10.8MPa的锅炉，蒸汽温度多为540℃.超高压为11.8—14.7MPa的锅炉，蒸汽出口温度为540℃,少数为555℃.亚临界压力为15.7—19.6MPa的锅炉，出口蒸汽温度为540℃或555℃,少数为570℃.超临界压力为22.1MPa以上。347.15℃（4）水处理控制防止或减少结垢主要控制系统16.4.1概述（1）汽包水位控制保持水量与蒸汽量的物料平衡（2）燃烧控制保证燃烧的经济性和安全性（3）蒸汽控制控制过热蒸汽的温度16.4.2锅炉汽包水位的控制锅炉的汽包水位控制一般比较严格汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证水位过高——影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多，使过热蒸汽温度下降水位过低——可能全部汽化，产生危险汽包水位的动态特性影响因素多主要讨论水流量、蒸汽流量—L特性16.4.2锅炉汽包水位的控制①给水流量W—L阶跃响应H曲线，相当于积分加纯滞后环节给水温度越低，纯滞后时间越大WHH1Hτtt曲线H——汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假水位”现象1)()()()()()(2221sTKsKsDsHsDsHsDsHf16.4.2锅炉汽包水位的控制②蒸汽流量D—L曲线H1——D突然增加，物料平衡，水位下降曲线H2——D突然增加，瞬间汽包压力下降，水沸腾加剧，气泡增加，水位上升H1H2H非最小相位特性122()()1KKHsDssTs10212122(1)()()()(1)(1)KTsKKTsKHsDssTssTs2021KTTK对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为20210KTTK③对给水扰动控制滞后16.4.2锅炉汽包水位的控制（1）单冲量控制系统汽包水位的单回路控制，“单冲量”—汽包水位适用于负荷小的锅炉三个问题：①不能克服虚假水位带来的后果②对蒸汽负荷的变化控制不灵敏蒸汽气泡省煤器给水LC前馈（蒸汽流量）—反馈（汽包水位）控制系统16.4.2锅炉汽包水位的控制（2）双冲量控制系统为了克服虚假水位现象，引入蒸汽流量，“双冲量”静态前馈I=C1IC±C2IF±I0蒸汽ICIFI0LC给水（b）GCC1GVGPCGmFC2GmGPDIFL0ICI0ID16.4.2锅炉汽包水位的控制021IICICIFC①加法器系数IC汽包水位信号，C1≤1IF蒸汽流量信号，C2根据静态前馈补偿设置I0偏置值，调整I的输出，正常负荷下，I0与C2、IF相互抵消max2maxmin()VDCKzz22maxminmax()VVFVDWKIKCIKCzzDmaxminmax()FDIzzD16.4.2锅炉汽包水位的控制WD/VKWI安全角度，保护锅炉，气闭，防止烧干保护蒸汽用户，气开16.4.2锅炉汽包水位的控制②阀、控制器、运算器符号阀的开闭形式：控制器正反作用：对象：正，若气闭阀，LC=正，若气开阀LC=负运算器正负号：C2：取决于控制阀开闭形式蒸汽量↑给水量应该↑：气闭：I应该↓C2取“-”气开：I应该↑C2取“+”③双冲量控制系统其它形式LC水位蒸汽量∑给水阀∑LC水位蒸汽量TdS给水阀16.4.2锅炉汽包水位的控制在双冲量基础上，进一步克服给水干扰，引入给水流量信号16.4.2锅炉汽包水位的控制（3）三冲量控制系统I=IC±CIF-I0蒸汽LCFC给水I’FICIFI0I前馈（蒸汽流量）——串级（汽包水位—给水流量）控制系统GPDGmFGPCGP2GC2GmF∑GC1GmIFICI0I0I’FIUL16.4.2锅炉汽包水位的控制I0与IC抵消maxmaxDCWFFICI16.4.2锅炉汽包水位的控制①加法器系数C根据给水流量变化W=蒸汽流量变化（前馈补偿）对于I0，正常负荷时由于CIF作为流量控制器的给定，蒸汽流量增加，给水流量应该提高，C永远为正（与阀的形式无关，与双冲量不同）I=IC+CIF-I016.4.2锅炉汽包水位的控制②阀、控制器、运算器符号阀安全角度确定控制器按串级系统确定（先副后主）运算器符号：出口温度控制控制方案一级过热器、二级过热器、减温器16.4.3过热蒸汽系统控制d/dtTC图16-34双冲量控制T2CT1C减温水图16-33串级减温器减温器与燃料种类（油、气、煤）、燃烧设备、锅炉形式有关基本要求：（1）出口蒸汽压力稳定，根据蒸汽负荷调节燃烧程度（2）燃烧良好（3）安全16.4.4锅炉燃烧过程的控制（1）蒸汽压力与燃烧控制一般，用燃料量控制蒸汽压力，单回路/串级燃烧控制要求燃料与空气的一定比例，比值控制加入逻辑关系，16.4.4锅炉燃烧过程的控制FCFCFCFCLSHSPCPCKK燃料阀燃料阀空气阀空气量空气量燃料量燃料量pp图16-35图16-34燃料与空气比值的最优化维持燃烧，理论上要维持一个最低空气量，实际空气量要略大于最低量，过剩空气量。大，能量浪费，小，燃烧不完全对于不同的燃料，都有一个最优空气量——最经济燃烧αPTQQ02121A16.4.4锅炉燃烧过程的控制（2）烟气含氧量控制可通过烟气含氧量信号间接获得燃料阀空气阀燃料量空气量最优值O2pPCFCLSACFCHS×16.4.4锅炉燃烧过程的控制在燃烧控制方案中引入含氧量信号校正若要求能够适应负荷变化，可构成图16-40的控制系统。燃烧嘴背压过低，实施联锁保护，切断燃气阀。16.4.4锅炉燃烧过程的控制（3）炉膛负压控制及安全控制①炉膛负压控制引风量控制为克服滞后，可引入蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈——反馈控制系统②防脱火控制引入燃气压力信号（燃烧嘴背压）构成选择性系统③防回火控制16.4.4锅炉燃烧过程的控制蒸汽气泡P1CLSP2CPSAP3C∑K燃料炉膛负压控制及安全控制16.4.4锅炉整体控制方案火力加热设备，主要是控制炉膛温度（防止烧坏）、燃烧控制，以及被加热物料出口温度控制。16.5加热炉的控制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。对象特性建模方法：定性分析+实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。