过程控制教程-PPT5 传热设备的控制

5传热设备的控制•工业生产过程中,用于进行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可以发生相变化或不发生相变。•热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流。•实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。根据传热过程中热交换的两种流体是否接触,可分为直接接触式、间壁式和蓄热式等三种。5传热设备的控制5传热设备的控制5传热设备的控制H载热体参数；c:冷流体参数；G质量流量c比热容γ相变热一.换热器静态特性的基本方程式1．热量衡算式n发生相变时：冷凝（汽相→液相）或汽化（液相→汽相）相变时，流体的温度不变：传热速率n不发生相变：传热速率n热量衡算式：热流体放出热量=冷流体吸收热量+热损失冷热流体均有相变仅有一种流体有相变:或冷热流体均无相变:qG()COiqG1122GG112222()OiGGc221111()iOGGc22221111()()OiiOGcGc5传热设备的控制2.传热速率方程式：算术平均值：对数平均值：3．换热器静态特性的基本方程或mmqUA2121()()2oiiom21212121()()ln()oiiomoiio111111212211(1)2oiiiGcGcUAmGc21111111221(1)2iioiGcGcUAmGc5传热设备的控制可见，影响冷流体出口温度的扰动有冷流体流量G1、冷流体入口温度θ1i、冷流体平均比热容c1、载热体的平均比热容c2、载热体流量G2、载热体入口温度θ2o、换热器的传热总系数U和平均传热面积Am等。当冷流体、载热体确定，换热器设备确定后，冷流体平均比热容c1、载热体的平均比热容c2、换热器的传热总系数U和平均传热面积Am等确定。操纵变量是载热体流量G2，因此，主要扰动变量是冷流体热量G1、冷流体入口温度θ1i和载热体入口温度θ2o。5传热设备的控制换热器的静态放大系数（扰动通道一）冷流体流量到出口温度通道的增益K1求导得：该通道的静态放大系数K1〈0,输入输出间呈非线性关系表明：冷流体流量增加，冷流体出口温度降低（斜率为负）且随冷流体流量增大，冷流体出口温度降低量减小21111111221(1)2iioiGcGcUAmGc1211112111112222()()12[(1)]2oiiccKGcGcGUAmGcUAmGc5传热设备的控制换热器的静态放大系数（扰动通道二）2．冷流体入口温度到出口温度通道的增益K2求导得该通道的静态放大系数K2〈1,输入输出间呈线性关系表明：冷流体出口温度变化量小于冷流体入口温度的变化量21111111221(1)2iioiGcGcUAmGc1111122211111221(1)21(1)2oiGcGcUAmGcKGcGcUAmGc5传热设备的控制换热器的静态放大系数（扰动通道三）3．载热体入口温度到出口温度通道的增益K3求导得该通道的静态放大系数K30,输入输出间呈线性关系表明：载热体入口温度变化量正比于冷流体入口温度的变化21111111221(1)2iioiGcGcUAmGc13111122211(1)2oiKGcGcUAmGc5传热设备的控制换热器的静态放大系数（扰动通道四）4．载热体流量到出口温度通道的增益K4求导得该通道的静态放大系数K40,输入输出间呈非线性关系表明：载热体流量增加，冷流体出口温度升高（斜率为正）但随载热体流量增大，冷流体出口温度趋于饱和21111111221(1)2iioiGcGcUAmGc12111422111122222()12[(1)]2oiiGcKGcGcGGcUAmGc5传热设备的控制控制方案确定和控制阀流量特性的选择1．控制方案的确定变量分析：l被扰变量：冷流体出口温度l操作变量：载热体热量l扰动变量：冷流体入口温度、流量及载热体入口温度系统特性分析：非线性特性，饱和特性控制系统框图组成简单反馈控制系统前馈—反馈控制系统串级控制系统其他控制系统5传热设备的控制2控制阀流量特性的选择选择原则：使系统总的开环放大系数保持恒定定值控制系统：l假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线移动根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀l假设扰动是冷流体的流量，负荷线变化根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀随动控制系统：负荷线不变，设定值变化根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀综合上述分析，应选对数或抛物线特性的控制阀5.2一般传热设备的控制一般传热设备指以对流传热为主的传热设备。例如，换热器、蒸汽加热器、氨冷器、精馏塔的再沸器等。被控变量工艺介质的出口温度、操作变量载热体的流量5.2一般传热设备的控制iii12110mUAcG22mUAcG11根据热量衡算式和传热速率方程式：改变载热体流量时，会引起平均温差的变化，流量增大，平均温度升高。采用其他控制方案：工艺介质分路控制载热体流量与冷流体出口温度的关系调节载热体流量调节载热体流量的目的:改变传热速率方程中的传热系数U和平均温差Δθm载热体不发生相变：传热系数U变化不大，根据传热面积Am分为：Am足够大：工作点在负荷线的非饱和区，改变G2能有效控制ΔθmAm不够：负荷增加时，工作点进入饱和区，增加G2不能有效增大Δθm5.2一般传热设备的控制考虑换热器的动态特性：时滞冷流体入口温度对出口温度时滞较大，而且其他扰动通道也具有较大的时间常数。控制方案设计应包含时滞补偿控制系统或改进工艺减小时间常数和时滞。5.2一般传热设备的控制控制系统单回路控制（载热体其他扰动波动不大）串级控制（载热体压力或流量波动较大）前馈-反馈控制（原料流量波动较大）5.2一般传热设备的控制例如：气压高或液位高时发出报警信号，并使连锁动作，关闭有关阀门。当气压或液位波动较大时，也可采用串级控制系统。出口温度和蒸汽压力串级出口温度和液位串级。也可采用选择控制系统，即在安全软极限时，正常控制器切换到取代控制器2载热体发生相变：例如，氨冷器、蒸汽加热器等Am足够大：可满足汽相完全冷凝为液相，液相完全汽化为汽相，因此，改变G2能有效控制ΔθmAm不够：汽相不能完全冷凝为液相，因此，汽相压力会升高，同样，液相不能完全汽化为汽相，因此，液位会升高因此，如采用载热体流量控制出口温度时，应设置报警或联锁系统5.2一般传热设备的控制例如,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；氨冷器的出口温度控制可采用该温度和液氮液位的选择性控制系统等,如图所示。同样,可根据扰动变化的频度和幅度,采用前馈-反馈控制系统5.2一般传热设备的控制调节载热体的汽化温度1．控制目的：改变传热速率方程中的平均温差Δθm控制方案：气氨控制阀开度变化→汽相压力变化→汽化温度变化→传热量变化→出口温度变化要求有一定的蒸发空间，常用LC控制进入的液氨量2．特点改变汽相压力，因此，动态响应快需增加液位控制系统及相应的液氨加压的压缩机。投资费用大液氨的压力要较高，以利汽化。因此，对设备的耐压要求也提高当气氨的压力波动较大时，可加入气氨压力的副环，组成串级控制5.2一般传热设备的控制工艺介质分路1．工艺介质分路的目的：工艺介质分路采用先过热，再混合冷流体降温来达到所需温度控制方案：l采用三通控制阀（可安装在入口或出口处）l采用两个控制阀分程控制（一个是气开型，另一个是气关型）2．特点：l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l由于采用混合，因此，动态响应快，用于多程换热器等时滞大的场合l能耗较大，供热量应大于所需热量，常用于废热回收系统l设备投资大，需要两个控制阀和一个控制器双重控制系统：响应快及静态特性好。先开旁路阀，再慢调载热体流量调节传热面积控制阀安装在蒸汽管线时,蒸汽可能冷却到沸点以下,使加热器一侧出现负压,造成冷凝液不能正常排放。冷凝液的积蓄造成传热面积较小,传热量减小,被加热介质温度下降,载热体控制阀打开,蒸汽量增加,蒸汽压力升高,冷凝液排出,传热面积又增加,传热量增大,被加热介质温度上升,系统又使控制阀关小,蒸汽压力下降,冷凝液积蓄。冷凝液呈现脉冲式排放。当传热面积较小、被加热介质温度较低时采用调节传热面积的控制方案5.2一般传热设备的控制5.2一般传热设备的控制1．调节传热面积的目的：改变传热速率方程中的传热面积Am即改变不发生相变化的冷凝液高度来改变传热面积控制方案：用温度来控制排出的冷凝液量2．特点：l传热量变化缓慢，可防止局部过热l要求传热面积大，因此，对象时滞大，阀开和关时的对象特性不同，因此，控制品质差l控制阀安装在凝液管，控制凝液排放较控制载热体时要畅通l可充分利用载热体的压力，提高传热效率l传热量较小，被控温度较低时，不会发生排液震荡或温度震荡的现象改进控制方案：串级控制传热设备可近似用具有时滞的多容过程描述。在实施控制方案时,应注意下列事项。①被控变量是温度,因此,对检测变送环节的要求是尽量减小检测变送环节造成的时滞和减小时间常数。为此,可采用快响应检测元件。②操纵变量是流量,被控过程具有较大时间常数和时滞,具有非线性饱和特性,因此,控制阀宜选用等百分比流量特性。③控制器的控制规律可选用比例和积分,积分控制作用主要用于消除余差,因此,可采用积分分离等措施。因过程增益一般较小,因此选用的比例度一般较小。当时间常数较大时宜添加微分控制,改善过程动态控制性能。④控制方案以单回路控制为主,根据扰动变化的频度、幅度等,可采用串级、前馈-反馈控制,必要时,可使用选择性控制系统。5.2一般传热设备的控制传热设备的控制以单回路控制为主,但当控制性能不能满足时,可根据过程扰动分析,设置复杂控制系统或先进控制系统。本节介绍传热设备的前馈-反馈控制、基于模型计算的控制和选择性控制等。5.3.1前馈—反馈控制传热设备控制中,当扰动的波动较大,频繁变化,幅度较大,扰动不可控但可测,控制要求又较高时,宜将该主要扰动作为前馈信号,组成前馈-反馈控制系统(一般不采用单纯的前馈控制系统)。5.3复杂控制系统的应用5.3复杂控制系统的应用前馈控制在传热设备控制中的应用1．静态前馈控制：根据热量衡算式计算前馈环节的放大系数;即冷流体流量为主动量，组成静态前馈控制2.前馈-反馈控制：21111()OiGGc11211()OiGcG5.3复杂控制系统的应用以冷流体流量扰动为例，可以计算静态前馈的控制规律。根据不变性原理，得到代入可得到410KmKK222212GcGKmUAmG式中，和采用静态时载热体和冷流体的流量值和。2G1G2G1G5.3复杂控制系统的应用酮苯塔进料温度的前馈-反馈控制系统l由于进料量波动较大，故引入进料量前馈信号组成前馈-反馈控制系统l控制通道时间常数与扰动通道时间常数，经测试，很接近。因此，采用静态前馈5.3复杂控制系统的应用铜业氨冷器出口温度的前馈-反馈控制系统l由于进料量温度波动较大，故引入进料温度前馈信号l由于气氨压力波动较大故引入气氨压力前馈信号l温度扰动通道时间常数较大，因此，用动态前馈动态前馈传递函数是：l压力信号则用静态前馈1()51FFFFsGsKs5.3复杂控制系统的应用5.3.3选择性控制随着生产过程的大型化和自动化的发展,对生产过程的安全操作提出了更高要求,即尽量减少开停车,减少不必要的停车等。选择性控制是为解决安全运行提出的控制方案。传热设备控制中,当载热体有相变,而传热面积可能不足时,调节载热体流量会发生蒸汽不能全部蒸发的现象,使气相带液,造成后续工序的事故,为此,除可增设信号报警和联锁控制系统外,也可采用选择性控制系统,即超驰控制系统。5.3复杂控制系统的应用氨冷器的液位和温度的选择性控制当生产过程中某一变量超过安全软限时，用另一个控制