2傳熱設(shè)備的控制方案-粉體流換熱器煙氣換熱器蘇州協(xié)宏泰

1、<p>　　4.2 傳熱設(shè)備的控制方案</p><p>　　4.2.1 緒 論</p><p>　　傳熱過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛，有的是為了便于工藝介質(zhì)達(dá)到生產(chǎn)工藝所規(guī)定的溫度，以利于生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行，有的則是為了避免生產(chǎn)過(guò)程中能量的浪費(fèi)。在實(shí)現(xiàn)傳熱過(guò)程的各種設(shè)備中，蒸汽加熱的浪費(fèi)最多。目前，蒸汽加熱換熱器的控制仍采用傳統(tǒng)的 PID 控制，以加熱蒸汽的流量作為調(diào)節(jié)手段，以

2、被加熱工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)[1]。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于熱量交換的設(shè)備稱(chēng)為傳熱設(shè)備。傳熱過(guò)程中冷熱流體進(jìn)行熱量交換時(shí)可以發(fā)生相變或不發(fā)生相變。熱量的傳遞可以是熱傳導(dǎo)、熱輻射或熱對(duì)流。實(shí)際傳熱過(guò)程中通常是幾種熱量傳遞方式同時(shí)發(fā)生。傳熱設(shè)備簡(jiǎn)況見(jiàn)表2-1。</p><p>　　表2-1 傳熱設(shè)備</p><p>　　傳熱設(shè)備的特

3、性應(yīng)包括傳熱設(shè)備的靜態(tài)特性和傳熱設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性設(shè)備輸入和輸出變量之間的關(guān)系；動(dòng)態(tài)特性是動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中輸入和輸出之間的關(guān)系。下面以換熱器為例簡(jiǎn)單介紹一下傳熱設(shè)備的基本原理。</p><p>　　4.2.2 換熱器簡(jiǎn)介</p><p>　?。?） 換熱器靜態(tài)特性的基本方程式</p><p><b>　?、?熱量衡算式</b></p

4、><p>　　圖2-1所示為換熱器的基本原理。</p><p>　　圖4。2-1 換熱器的基本原理</p><p>　　由于換熱器兩側(cè)沒(méi)有發(fā)生相變，因此，可列出熱量衡算式</p><p>　　G2c2(θ2i-θ2o)=G1c1(θ1o-θ1i) (2-1)</p><

5、p>　　式中，下標(biāo)1表示冷流體參數(shù)，2表示在熱流體參數(shù)。</p><p><b>　?、趥鳠崴俾史匠淌?lt;/b></p><p>　　換熱器的傳熱速率方程式為 q=UAmΔθm (2-2)</p><p>　　式中，Δθm是平均溫度差，對(duì)單程、逆流換熱器，應(yīng)采用對(duì)數(shù)平均式

6、，表示為</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　但在大多數(shù)情況下，采用算術(shù)平均值已有足夠精度，其誤差小于5%。算術(shù)平均溫度差表示為</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　?、蹞Q熱器靜態(tài)特性的基本方程式</p><p>

7、　　根據(jù)熱量平衡關(guān)系，將式(2-4)代入式(2-2)，并與式(2-1)聯(lián)立求解，得到換熱器靜態(tài)特性的基本方程式</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>　　假設(shè)換熱器的被控變量是冷流體的出口溫度θ1o，操縱變量是載熱體的流量G2，則式(2-5)可改寫(xiě)為</p><p><b>　　(2-6)</b>

8、</p><p>　　（2） 換熱器傳熱過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)負(fù)荷常常是在一定范圍內(nèi)不斷變化的，由此決定了傳熱設(shè)備的運(yùn)行工況必須不斷調(diào)節(jié)以與生產(chǎn)負(fù)荷變化相適應(yīng)。以逆流、單程、列管式換熱器為例，假定換熱過(guò)程中的熱損失可忽略不計(jì)，則有控制通道的靜特性：</p><p><b>　　(2-7)</b></p>

9、;<p>　　T0，Ti ，TSi ——分別為工藝介質(zhì)的出口、入口和加熱蒸汽的溫度</p><p>　　WS ，W ——分別為加熱蒸汽和工藝介質(zhì)的流率</p><p>　　CPS ，C ——分別為加熱蒸汽和工藝介質(zhì)的定壓比熱容</p><p>　　K A——總傳熱系數(shù)</p><p><b>　　A——平均傳熱面積&l

10、t;/b></p><p>　　分析上式可知，換熱器對(duì)象的放大系數(shù)存在嚴(yán)重飽和非線(xiàn)性，即在工藝介質(zhì)流量W 大時(shí)，加熱工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定溫度所需的蒸汽流量WS必然隨之增大，則上式計(jì)算出的放大系數(shù)K 減小。</p><p>　　對(duì)于決定換熱器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的特性參數(shù),機(jī)理分析和工程實(shí)踐都表明,換熱器是一個(gè)慣性和時(shí)間滯后均較大的被控系統(tǒng),且是分布參數(shù)的。若將動(dòng)特性用集中參數(shù)來(lái)描述,換熱器可用一個(gè)三

11、容時(shí)滯對(duì)象來(lái)近似描述。為簡(jiǎn)化起見(jiàn),將換熱器的動(dòng)特性取為:</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　式(2-8)中的放大系數(shù)Ｋ已在上面闡述,時(shí)間常數(shù)Ｔ和滯后時(shí)間τ是兩個(gè)決定換熱器動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的時(shí)間型參數(shù),它們也是隨換熱器的工況變化而變化的。以式(2-8)中的滯后時(shí)間為例,它是由多容對(duì)象處理為單容對(duì)象而引入的容量滯后時(shí)間τc與由工藝介質(zhì)傳輸距離

12、引起的純滯后時(shí)間τd兩部分組成。顯然,當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷變化時(shí),介質(zhì)流速隨之變化,從而使得滯后時(shí)間也是隨負(fù)荷變化的。</p><p>　　4.2.3 控制方案的確定</p><p>　　根據(jù)上述分析，為了控制換熱器的冷流體出口溫度，有四種可以影響的過(guò)程變量，其中，冷流體入口溫度、載熱體入口溫度和冷流體流量都是由上工序 確定，因此不可控制，但可測(cè)量?；蛘咭蛲ǖ赖脑鲆孑^小，不宜作為操縱變量?？刹倏v的過(guò)

13、程變量只有載熱體流量。因此，對(duì)冷流體出口溫度可采用單回路控制系統(tǒng)，即出口溫度為被控變量，載熱體流量為操縱變量的單回路控制系統(tǒng)。</p><p>　　由于其他三個(gè)過(guò)程變量不可控但可測(cè)量，當(dāng)它們的變化較頻繁，幅值波動(dòng)較大時(shí)，也可作為前饋信號(hào)引入，組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　當(dāng)載熱體流量或壓力波動(dòng)較大時(shí)，宜將載熱體流量或壓力作為副被控變量，組成串級(jí)控制系統(tǒng)。</p>

14、<p>　　從上述分析可知，采用載熱體流量作為操縱變量時(shí)，在流量過(guò)大時(shí)，進(jìn)入飽和非線(xiàn)性區(qū)，這時(shí)，增大載熱體流量將不能很好的控制冷流體出口溫度，而需要采用其他控制方案。</p><p>　　4.2.4 傳熱設(shè)備控制方案的實(shí)現(xiàn)</p><p>　?。?） 調(diào)節(jié)載熱體流量</p><p>　　改變載熱體流量，引起傳熱速率方程的傳熱總系數(shù)U和平均溫度差Δθm的

15、變化?？筛鶕?jù)載熱體是否發(fā)生相變，分兩種情況討論。 </p><p>　　①載熱體不發(fā)生相變 </p><p>　　根據(jù)熱量衡算式和傳熱速率方程式可知，當(dāng)改變載熱體流量時(shí)，會(huì)引起平均溫度差的變化，流量增大，平均溫度差增大，因此，在傳熱面積足夠時(shí)，系統(tǒng)工作在圖2-2所示的非飽和區(qū)，通過(guò)改變載熱體流量可控制冷流體出口溫度。</p><p>　　圖4。2-2 載熱體流

16、量與冷流體出口溫度的關(guān)系</p><p>　　當(dāng)傳熱面積受到限制時(shí)，由圖2-2可知，由于傳熱面積不足，通過(guò)增加載熱體流量不能有效的提高冷流體出口溫度，即系統(tǒng)工作在飽和區(qū)。這時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)載熱體流量的控制方案不能很好地控制出口溫度，應(yīng)采用其他控制方案，例如下面將介紹的工藝介質(zhì)分路控制方案。</p><p>　　考慮換熱器的動(dòng)態(tài)特性，由于流體在流動(dòng)過(guò)程中不可避免存在時(shí)滯，例如，冷流體入口溫度對(duì)出

17、口溫度的時(shí)滯就較大，而其他擾動(dòng)通道也具有較大的時(shí)間常數(shù)，為此，在控制方案的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用時(shí)滯補(bǔ)償控制系統(tǒng)或改進(jìn)工藝，減少時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯。</p><p>　　.當(dāng)載熱體壓力波動(dòng)不大時(shí)，可采用以冷流體出口溫度為被控變量、載熱體流量為操縱變量的單回路控制系統(tǒng)，控制方案如圖2-3(a)所示；當(dāng)壓力或流量波動(dòng)較大時(shí)，可增加壓力或流量為副環(huán)，組成以載熱體壓力或流量為副被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)，控制方案如圖2-3(b)所示。&l

18、t;/p><p>　　(a)單回路控制系統(tǒng) (b)串級(jí)控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4。2-3 調(diào)節(jié)載熱體流量的控制方案</p><p>　　當(dāng)原料流量（冷流體流量）等波動(dòng)較大時(shí)，可采用前饋-反饋控制系統(tǒng)，其前饋信號(hào)可來(lái)自冷流體流量，控制方案如圖2-4所示</p><p>　　圖4。2-4

19、 前饋-反饋控制系統(tǒng)</p><p><b>　?、?載熱體發(fā)生相變</b></p><p>　　當(dāng)載熱體發(fā)生相變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放熱或吸熱現(xiàn)象。例如，蒸汽加熱器中蒸汽冷凝放熱，氨冷器中液氨蒸發(fā)吸熱等。熱量衡算式中放熱或吸熱與相變熱有關(guān)。當(dāng)傳熱面積足夠時(shí)，例如，蒸汽加熱器中，送入的蒸汽可以全部冷凝，并可繼續(xù)冷卻，這時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)載熱體流量有效地改變平均溫度差，控制冷流體出口

20、溫度。</p><p>　　當(dāng)傳熱面積不足時(shí)，例如蒸汽加熱器中蒸汽冷凝量確定冷流體出口溫度，蒸汽不能全部冷凝時(shí)，氣相壓力會(huì)升高，同樣，在氨冷器中，液氨不能全部蒸發(fā)成為氣相，使氨冷器液位升高。這時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮傳熱速率方程式和熱量衡算式，確定冷凝量或蒸發(fā)量和相應(yīng)的出口溫度。因此，在傳熱面積不足時(shí)，如果采用載熱體流量控制方案時(shí)，應(yīng)增設(shè)信號(hào)報(bào)警或聯(lián)鎖控制系統(tǒng)。例如，氣壓高或液位高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并使聯(lián)鎖動(dòng)作，關(guān)閉有關(guān)控制

21、閥。當(dāng)氣壓或液位的波動(dòng)較大時(shí)，也可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。例如，出口溫度和蒸汽壓力、出口溫度和液位的串級(jí)控制系統(tǒng)等。有時(shí)，可采用選擇性控制系統(tǒng)，即在安全軟限時(shí)，將正?？刂破髑袚Q到取代控制器。例如，蒸汽加熱器的冷流體出口溫度控制可采用出口溫度和蒸汽壓力的選擇性控制系統(tǒng)，氨冷器的控制可采用該溫度和液氨液位的選擇性控制系統(tǒng)等，如圖2-5所示。</p><p>　　圖4。2-5 氨冷器的選擇性控制</p>&l

22、t;p>　?。?） 調(diào)節(jié)載熱體的汽化溫度</p><p>　　改變載熱體的汽化溫度，引起平均溫度差Δθm的變化。</p><p>　　以圖2-6所示的氨冷器為例。由于控制閥安裝在氣氨管路上，因此，當(dāng)控制閥開(kāi)度變化時(shí)，氣相壓力變化，引起汽化溫度變化，使平均溫度差變化，改變了傳熱量，出口溫度隨之變化。</p><p>　　該控制方案的特點(diǎn)如下：</p>

23、<p>　?、?改變氣相壓力，系統(tǒng)響應(yīng)快，應(yīng)用較廣泛。</p><p>　?、?為了保證足夠蒸發(fā)空間，需要維持液氨的液位恒定，為此，須增設(shè)液位控制系統(tǒng)，增加設(shè)備投資費(fèi)用。</p><p>　?、?由于控制閥兩端有壓損，此外，為使控制閥能有效控制出口溫度，應(yīng)使設(shè)備有較高氣相壓力。為此，需要增大壓縮機(jī)功率，并對(duì)設(shè)備耐壓提出更高要求，使設(shè)備投資費(fèi)用增加。</p>&l

24、t;p>　　圖4。2-6 調(diào)節(jié)汽化溫度的控制</p><p>　?。?） 工藝介質(zhì)分路</p><p>　　上述控制方案在多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合能夠發(fā)揮很好的控制作用。但存在下列問(wèn)題：</p><p>　?、?靜態(tài)特性分析表明，載熱體流量G2較大時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入非線(xiàn)性飽和區(qū)，這時(shí)，增加載熱體流量對(duì)出口溫度的升高影響不大，控制作用減弱。</p><p>

25、;　?、?動(dòng)態(tài)特性分析表明，相對(duì)流體輸送設(shè)備，換熱器是具有較大時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯的被控對(duì)象。動(dòng)態(tài)特性較差，采用改變載熱體流量控制常常不夠及時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)量較大。</p><p>　　為此提出工藝介質(zhì)控制方案，其策略是將熱流體和冷流體混合后的溫度作為被控變量，熱流體溫度大于設(shè)定溫度，冷流體溫度低于設(shè)定溫度，通過(guò)控制冷熱流體流量的配比，使混合后的溫度等于設(shè)定溫度。</p><p>　　可采用三通控制

26、閥直接實(shí)現(xiàn)，也可采用兩個(gè)控制閥（其中，一個(gè)為氣開(kāi)型，一個(gè)為氣關(guān)型）實(shí)現(xiàn)，三通控制閥可采用分流（安裝在入口）或合流（安裝在出口）方式，圖2-7所示為相應(yīng)的控制方案。</p><p>　　(a) 用三通閥的分流控制 (b) 用兩個(gè)閥的分流控制</p><p>　　圖4。2-7 工藝介質(zhì)控制系統(tǒng)</p><p>　　工藝介質(zhì)分路的特點(diǎn)：&

27、lt;/p><p>　?、?對(duì)載熱體流量不加控制，而對(duì)被加熱流體進(jìn)行分路，使飽和區(qū)發(fā)生在被加熱流體流量較大時(shí)，因此，常用于傳熱面積較小的場(chǎng)合；</p><p>　?、?由于采用混合，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，用于多程換熱器等時(shí)滯大的場(chǎng)合；</p><p>　　③ 能耗較大，供熱量應(yīng)大于所需熱量，常用于廢熱回收系統(tǒng)；</p><p>　　設(shè)備投資大，需要兩個(gè)

28、控制閥和一個(gè)控制器。</p><p>　　采用三通控制閥時(shí)，如果換熱器的阻力較小，則為了保證一定的壓降比，控制閥兩端壓降只能取較小數(shù)值，造成控制閥口徑很大。此外，控制閥流量特性的畸變也較嚴(yán)重。因此，也可采用兩個(gè)控制閥組成分流或合流控制，需注意，與分流控制不同，兩個(gè)控制閥的輸入信號(hào)都是20~100kPa，只是一個(gè)為氣開(kāi)型，另一個(gè)為氣關(guān)型。</p><p>　　4.2.5 調(diào)節(jié)傳熱面積<

29、/p><p>　　改變傳熱面積Am，也能夠改變傳熱速率，使傳熱量發(fā)生變化，達(dá)到控制出口溫度的目的。由于冷凝溫度與壓力有關(guān)，如果被加熱介質(zhì)溫度較低，需要熱量較少，控制閥安裝在蒸汽管線(xiàn)時(shí)，蒸汽可能冷卻到沸點(diǎn)以下，使加熱器一側(cè)出現(xiàn)負(fù)壓，造成冷凝液不能正常排放。冷凝液的積蓄造成傳熱面積較小，傳熱量減小，被加熱介質(zhì)溫度下降，通過(guò)控制系統(tǒng)使載熱體控制閥打開(kāi)，蒸汽量增加，而傳熱面積不大的結(jié)果是使蒸汽壓力升高，冷凝液在高壓作用下被排

30、出，隨之，傳熱面積又增加，傳熱量增大，被加熱介質(zhì)溫度上升，控制系統(tǒng)又使控制閥關(guān)小，蒸汽壓力下降，冷凝液積蓄，這種周而復(fù)始的過(guò)程使被加熱介質(zhì)溫度周期振蕩，冷凝液呈現(xiàn)脈沖式排放。為此，當(dāng)傳熱面積較小、被加熱介質(zhì)溫度較低時(shí)，應(yīng)采用調(diào)節(jié)傳熱面積的控制方案。</p><p>　　調(diào)節(jié)傳熱面積的控制方案如圖2-8所示，它將控制閥安裝在冷凝液管線(xiàn)，由于冷凝液液位以下的液體不發(fā)生相變，因此給熱系數(shù)比液位上部氣相冷凝給熱小，這種控

31、制方案通過(guò)改變冷凝液液位來(lái)改變傳熱面積，達(dá)到控制被加熱介質(zhì)溫度的目的。</p><p>　　圖4。2-8 調(diào)節(jié)傳熱面積的控制方案</p><p>　　從靜態(tài)看，控制閥安裝在冷凝液管線(xiàn)，蒸汽壓力得到保證，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，不會(huì)出現(xiàn)冷凝液的脈沖式排放和被加熱介質(zhì)溫度周期振蕩。從動(dòng)態(tài)看，從冷凝液流量變化，到液位變化，再到傳熱面積變化，并使被加熱介質(zhì)溫度變化，這個(gè)被控過(guò)程具有較大的時(shí)滯。冷凝液液位變

32、化到傳熱面積變化的過(guò)程是累積過(guò)程，可用積分環(huán)節(jié)描述。因此，過(guò)程動(dòng)態(tài)特性較差，調(diào)節(jié)不夠及時(shí)。此外，控制閥打開(kāi)的關(guān)閉時(shí)，過(guò)程特性不相同，閥開(kāi)時(shí)傳熱面積變化快，閥關(guān)時(shí)傳熱面積變化慢，造成過(guò)程特性的非線(xiàn)性，時(shí)控制器參數(shù)整定困難。因此該控制方案的控制性能不佳。</p><p>　　由于傳熱量變化緩慢，對(duì)熱敏型介質(zhì)，該控制方案可防止局部過(guò)熱；對(duì)傳熱面積較大，蒸汽壓力較低的場(chǎng)合，可有較好的控制效果。因此，只有在必要時(shí)才采用該控

33、制方案。此外，為防止冷凝液排空，造成排氣，可在排液控制閥后增設(shè)冷凝罐和液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　(a)溫度液位串級(jí) (b)溫度流量前饋-反饋</p><p>　　圖4。2-9 調(diào)節(jié)傳熱面積的控制方案</p><p>　　為改善過(guò)程時(shí)間常數(shù)較大的影響，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)，將部分的被控對(duì)象作為副被控對(duì)象，減小整個(gè)過(guò)

34、程時(shí)間常數(shù)。例如，由于控制閥開(kāi)度變化到冷凝液液位變化的過(guò)程具有一定的時(shí)間滯后，將液位作為副被控變量，可組成溫度和液位的串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖2-9(a)所示,實(shí)施時(shí)需注意設(shè)置液位上限報(bào)警系統(tǒng)，防止因液位過(guò)高造成蒸發(fā)空間的不足。為克服蒸汽壓力或流量波動(dòng)對(duì)溫度控制的影響，可將蒸汽壓力或流量作為前饋信號(hào)，組成溫度和蒸汽壓力或流量的前饋-反饋控制系統(tǒng)。如圖4-2-9(b)所示。</p><p>　　4.2.6 復(fù)雜控制系統(tǒng)&

35、lt;/p><p>　　傳熱設(shè)備的控制以單回路控制為主，但當(dāng)控制性能不能滿(mǎn)足時(shí)，可根據(jù)過(guò)程擾動(dòng)分析，設(shè)置復(fù)雜控制系統(tǒng)或先進(jìn)控制系統(tǒng)。主要有前饋-反饋控制、基于模型計(jì)算的控制和選擇性控制等。</p><p>　　（1）前饋-反饋控制</p><p>　　傳熱設(shè)備控制中，當(dāng)擾動(dòng)的波動(dòng)較大，頻繁變化，幅度較大，擾動(dòng)不可控但可測(cè)，控制要求又較高時(shí)，以將該主要擾動(dòng)作為前饋信號(hào)，組

36、成前饋-反饋控制系統(tǒng)。圖2-10為酮苯塔進(jìn)料溫度的前饋-反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖4。2-10 酮苯塔進(jìn)料溫度的前饋-反饋</p><p>　?。?）基于模型計(jì)算的控制</p><p>　　熱量的計(jì)算可采用熱焓或熱量，當(dāng)傳熱模型已知時(shí)，可采用基于模型計(jì)算的控制。</p><p><b>　?。?）熱量控制</b&

37、gt;</p><p>　　某些生產(chǎn)過(guò)程，需要控制的被控變量是熱量，而不是溫度，因缺乏直接檢測(cè)熱量的儀表，因此通過(guò)熱量衡算式的數(shù)學(xué)模型計(jì)算熱量，并進(jìn)行熱量控制。</p><p>　　在計(jì)算熱量時(shí)，應(yīng)考慮流體是否發(fā)生相變，并采用相應(yīng)的熱量衡算式。</p><p>　　在傳熱設(shè)備中流體不發(fā)生相變時(shí)，</p><p>　　q=Gc(θo-θi)

38、 (2-9)</p><p><b>　　流體發(fā)生相變時(shí)，</b></p><p>　　q=Gγ (2-10)</p><p>　　在一定的溫度和壓力下，相變熱是定值，若溫度或壓力不是恒定值，相

39、變熱是溫度和壓力的函數(shù)，可用回歸方法求得。</p><p>　　飽和液體和蒸汽地相變熱可采用下列回歸公式計(jì)算。</p><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　式中，θ、p是溫度和壓力，其他系數(shù)是經(jīng)回歸得到的系數(shù)。</p><p>　　過(guò)熱蒸汽的相變熱可采用如下回歸公式計(jì)算。</p>

40、<p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　因此，有相變的過(guò)程，熱量計(jì)算只需要測(cè)量相關(guān)的溫度、壓力后，根據(jù)上述模型計(jì)算出相變熱，再計(jì)算熱量。對(duì)沒(méi)有相變的過(guò)程，只需要測(cè)量入口、出口溫度、比熱容和流量就可計(jì)算出熱量。</p><p>　　圖2-11為熱量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖4。2-11 熱量控制示例<

41、/p><p>　　圖中，TdT為溫差變送器；FT檢測(cè)載熱體流量；FC是流量控制器；QC是熱量控制器，組成熱量和流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　?。?）熱焓控制</b></p><p>　　熱焓指單位質(zhì)量的物料所積存的能量。熱焓控制是某物料熱焓為定值或按所需規(guī)律變化的控制。</p><p>　　精餾塔進(jìn)料量或溫

42、度變化時(shí)，使精餾塔操作不穩(wěn)定。但一氣相或液相進(jìn)料時(shí)，溫度與熱量之間有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，采用進(jìn)料溫度作為熱量的間接指標(biāo)對(duì)溫度進(jìn)行控制。但對(duì)于兩相流進(jìn)料，或有相變時(shí)，雖然溫度恒定，但具有的熱量卻相差很大，液相氣化率越大，熱焓越大，但溫度不變，這時(shí)，溫度與熱焓之間沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。更合理的控制方法是進(jìn)料熱焓控制。 熱焓控制是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的這一需要而提出的。</p><p>　　熱焓計(jì)算以單位重量的進(jìn)料量為基準(zhǔn)。它通過(guò)

43、熱量衡算式精計(jì)算間接得到。由于載熱體的狀態(tài)不同，因此，熱焓計(jì)算方程也有不同。從載熱體看有三種情況：</p><p>　?、?載熱體進(jìn)入傳熱設(shè)備之前和之后都為氣相；</p><p>　?、?載熱體進(jìn)入傳熱設(shè)備之前和之后都為液相；</p><p>　?、?載熱體進(jìn)入傳熱設(shè)備之前為氣相，通過(guò)設(shè)備后完全被冷凝成為液相。</p><p>　　由于第三種

44、情況較復(fù)雜，而實(shí)際應(yīng)用又較多，因此，以此為例說(shuō)明熱焓計(jì)算方程。</p><p>　　根據(jù)熱量衡算關(guān)系，得到熱焓計(jì)算方程</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p><b>　　或改寫(xiě)為</b></p><p><b>　　(2-14)</b></p&

45、gt;<p>　　式中，F(xiàn)為進(jìn)料質(zhì)量流量；Fs為載熱體質(zhì)量流量；hf為單位質(zhì)量進(jìn)料帶入的熱焓；θ為入蒸汽加熱器的進(jìn)料溫度；θi和θo為載熱體進(jìn)、出加熱器的溫度；cf和cs為進(jìn)料和載熱體的比熱容；λ為載熱體的冷凝熱。</p><p>　　根據(jù)式(2-14)組成如圖2-12所示的熱焓控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖4。2-12 熱焓控制系統(tǒng)</p><p&

46、gt;　　圖中，F(xiàn)sT和FT是載熱體和進(jìn)料流量測(cè)量的差壓變送器，載熱體進(jìn)出加熱器的溫度差由溫差變送器TdT檢測(cè)。</p><p><b>　?。?） 選擇性控制</b></p><p>　　隨著生產(chǎn)過(guò)程的大型化和自動(dòng)化的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全操作提出了更高要求，基金量減少開(kāi)停車(chē)，減少不必要的停車(chē)等。選擇性控制是為解決安全運(yùn)行提出的控制方案。</p>&l

47、t;p>　　在傳熱設(shè)備中，當(dāng)載熱體有相變，而傳熱面積可能不足時(shí)，調(diào)節(jié)載熱體流量會(huì)發(fā)生蒸汽不能全部蒸發(fā)的現(xiàn)象，使氣相帶液，造成后續(xù)工序的事故，為此，除可增設(shè)信號(hào)報(bào)警和聯(lián)鎖控制外，也可采用選擇性控制系統(tǒng)，即超馳控制系統(tǒng)。</p><p>　　氨冷器根據(jù)被冷卻物料出口溫度控制進(jìn)入的液氨量。液氨在氨冷器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，當(dāng)液位過(guò)高時(shí)，液氨的蒸發(fā)空間減小，蒸發(fā)量減少使溫度升高，造成氣氨中夾雜大量液滴，使后續(xù)設(shè)備（例如壓縮機(jī)

48、）損壞。因此設(shè)計(jì)如圖2-13所示溫度和液位選擇性控制系統(tǒng)。</p><p>　　圖4。2-13 氨冷器的選擇性控制系統(tǒng)</p><p>　　正常工況下，如果溫度升高，溫度控制器輸出控制液氨流量。增加液氨量，經(jīng)液氨的蒸發(fā)，使出口溫度下降。如果液位上升到軟限液位設(shè)定仍不能降低溫度，由液位控制器取代溫度控制器，根據(jù)液位控制進(jìn)氨量，保護(hù)了后續(xù)設(shè)備，一旦溫度下降，溫度控制器輸出與液位控制器輸出相等

49、，并繼續(xù)下降時(shí)，溫度控制器就自動(dòng)取代液位控制器，工藝操作恢復(fù)到正常工況。</p><p>　　4.2.7 對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　對(duì)于間壁式換熱器，如果間壁兩側(cè)都不發(fā)生相變，尤其是流速較慢時(shí)的液相傳熱，一般都是分布參數(shù)對(duì)象。分布參數(shù)對(duì)象中的變量既是時(shí)間的函數(shù)，又是空間的函數(shù)，它們的動(dòng)態(tài)行為要用偏微分方程來(lái)描述?，F(xiàn)以圖2-14所示的套管式換熱器為例，說(shuō)明這類(lèi)對(duì)象動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

50、的建立方法。</p><p>　　圖4。2-14 套管式換熱器</p><p><b>　　現(xiàn)作如下假設(shè)：</b></p><p>　?、?間壁的熱容可忽略；</p><p>　?、?流體1和流體2均為液相，且是層流流動(dòng)；</p><p>　?、?傳熱系數(shù)U和比熱容c1、c2是定值；</p

51、><p>　?、?同一橫截面上的各點(diǎn)溫度相同。</p><p>　　假設(shè)后可取高度為dz的圓柱體為微元，這一微元的熱量動(dòng)態(tài)平衡方程可敘述為：</p><p>　　(單位時(shí)間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)-(單位時(shí)間內(nèi)流體1離開(kāi)微元所帶走的熱量)+(單位時(shí)間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量)=流體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率</p><p><b>　　

52、即</b></p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　式中l(wèi)=z/L;L為套管換熱器的總長(zhǎng)度；A為內(nèi)套管的圓周長(zhǎng)，Adl即為微元的表面積；M1為流體1單位長(zhǎng)度的流體質(zhì)量，M1dl即為微元的質(zhì)量。</p><p>　　消去方程式(2-15)中的dl，并作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整得：</p><p>

53、;<b>　　(2-16)</b></p><p>　　式中 </p><p>　　同理可得流體2的熱量動(dòng)態(tài)平衡方程式：</p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　時(shí)間和空間的邊界條件表達(dá)式為</p><p><b>　　(

54、2-18)</b></p><p>　　方程式(2-16) 和(2-17)及其邊界條件就是描述圖2-14所示的套管式換熱器動(dòng)態(tài)行為的動(dòng)態(tài)方程。為了便于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，采用時(shí)間、空間離散化方法，將上述連續(xù)偏微分方程轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的離散化狀態(tài)空間模型。</p><p>　　首先，將連續(xù)變量離散化：</p><p><b>　　(2-

55、19)</b></p><p>　　把套管式換熱器按軸向劃分為N段，離散空間步長(zhǎng)與相應(yīng)的離散化分?jǐn)?shù)的關(guān)系為</p><p><b>　　(2-20)</b></p><p>　　然后對(duì)方程式(2-16) 和(2-17)進(jìn)行離散化處理，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是有限差分方法[2]。當(dāng)時(shí)間和空間步長(zhǎng)取得足夠小時(shí)，偏微分項(xiàng)可以用相應(yīng)的有限差分來(lái)近似，應(yīng)

56、用這種近似，并經(jīng)過(guò)一定的處理就能夠得到換熱器的離散狀態(tài)空間模型。</p><p><b>　　應(yīng)用下列差分格式：</b></p><p>　　對(duì)方程式(2-16) ~(2-18)進(jìn)行近似處理，得</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p><b>　　(2-22)&l

57、t;/b></p><p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　方程式(2-21) ~(2-23)包括了整個(gè)套管換熱器每一個(gè)段的差分方程，為了簡(jiǎn)化模型的表達(dá)，并應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，引入系統(tǒng)分解的方法，把整個(gè)換熱器分解成N個(gè)子系統(tǒng)。</p><p>　　定義子系統(tǒng)的狀態(tài)矢量、控制矢量分別為：</p><p

58、>　　根據(jù)上述子系統(tǒng)的狀態(tài)矢量和控制矢量的選取，由方程式(2-21) ~(2-23)可以導(dǎo)出各子系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程如下：</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　選取總系統(tǒng)狀態(tài)矢量和控制矢量為</p><p>　　

59、并定義 </p><p>　　則由方程式(2-24)，總系統(tǒng)的離散狀態(tài)模型為</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　方程式(2-25)就是所要求的套管式換熱器離散狀態(tài)空間模型，它是一個(gè)線(xiàn)性定