傳熱設備的控制

1、,傳熱設備的控制,傳熱設備概述,在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，例如蒸餾、干燥、蒸發(fā)、結晶、反應和冶金等，均需要根據(jù)具體的工業(yè)要求，對物料進行加熱或冷卻來維持一定的溫度。對于化學反應，為了使反應能達到預定要求，更需要嚴格控制一定的反應溫度，這也要依靠冷卻或加熱才能實現(xiàn)。因此，對傳熱設備的控制也就顯得格外重要。 工業(yè)上用以實現(xiàn)冷熱兩流體換熱的設備稱為傳熱設備。,傳熱設備概述,傳熱設備的類型 1、從熱量的傳遞方式來分 熱傳導、

2、對流和熱輻射 2、從進行熱交換的兩種流體的接觸關系來分 直接接觸式、間接式和蓄熱式 3、按冷熱流體進行熱量交換的形式分 無相變情況下的加熱與冷卻；相變情況下的加熱與冷卻 4、從結構來分 列管式、蛇管式、夾套式和套管式 一般傳熱設備：換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器 （對流傳熱） 特殊傳熱設備：加熱爐、鍋爐、蒸發(fā)器等,典型的傳熱設備,換熱器,加熱爐,{,鍋

3、爐,傳熱設備概述,傳熱設備的結構類型,列管式換熱器,蛇管式換熱器,套管式換熱器,夾套式換熱器,傳熱設備概述,傳熱設備的控制要求 1、傳熱目的 ①使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度； ②使工藝介質(zhì)改變相態(tài)； ③回收熱量。 2、傳熱設備的控制 主要是熱量平衡的控制，溫度作為被控變量。對某些傳熱設備，也有約束條件的控制。,換熱器的靜態(tài)特性,問題：針對逆流單程列管式熱交換器，巳知入口條件（G1, T1i, G2,

4、T2i）,要求計算穩(wěn)定條件下工藝介質(zhì)與載熱體的出口溫度（T1o, T2o）。其中c1, c2分別為相應介質(zhì)的比熱。,換熱器的靜態(tài)特性,假設工藝介質(zhì)與載熱體均無相變，而且沒有熱損失。即被加熱物料得到的熱量/單位時間= 載熱體放出的熱量/單位時間,熱平衡方程,傳熱速率方程,K 為傳熱系數(shù)；Fm 為傳熱面積；ΔTm 為傳熱壁兩側(cè)流體的平均溫差.,換熱器的靜態(tài)特性,對于逆流單程換熱器，可取對數(shù)平均值,若,在1/3 ~ 3 之間，則可用算術平均

5、近似,考慮,,換熱器的靜態(tài)特性,,,換熱器的靜態(tài)特性,嚴重非線性，若其它環(huán)節(jié)為線性，調(diào)節(jié)閥需選用等百分數(shù)閥。,換熱器的控制方案,換熱的目的 ① 使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度以使生產(chǎn)過程正常進行； 如：重油催化裂化原料油預熱，要求溫度在160-220℃之間。 ② 在過程進行中加入吸收的熱量或除去放出的熱量； 如：催化裂化再生器溫度控制。 ③ 在工藝過程中改變物料狀態(tài)；

6、 如：常減壓裝置加熱爐。 ④ 熱量回收。 如：分餾塔塔底換熱器。,換熱器的控制方案,被控變量 (1) 被加熱/冷卻介質(zhì)的出口溫度（無相變）； (2) 加熱/冷卻所需的熱量（有相變），如精餾塔底再沸器的蒸發(fā)量。控制變量 (1) 調(diào)載熱體的流量；(2) 調(diào)節(jié)傳熱平均溫差； (3) 調(diào)傳熱面積；(4) 將工藝介質(zhì)分路，一路經(jīng)換熱，另一路走旁路。,換熱器的控制方案

7、,調(diào)載熱體的流量,目的：改變傳熱速率方程中的傳熱系數(shù)K和平均溫差△Tm 。 ① 載熱體在傳熱過程中不發(fā)生相變，主要改變傳熱系數(shù)； ② 載熱體在傳熱過程中發(fā)生相變，主要改變平均溫差。,特點：方案簡單、適用于載熱體上游壓力平穩(wěn)及負荷變化小的場合。,換熱器的控制方案,調(diào)載傳熱平均溫差,目的：改變液氨壓力和對應的平衡溫度。注意：氣氨出口調(diào)節(jié)閥的作用 閥開度變化時，汽化溫度的變化改變了傳熱平均溫差。液位控制回路的

8、目的：維持液位不超限，保證足夠的蒸發(fā)空間。特點：滯后小，反應迅速。,換熱器的控制方案,調(diào)傳熱面積,當 不變時，改變 可以改變傳熱量。調(diào)節(jié)閥的安裝位置和作用： 位置：出口(冷凝液)管線上 作用：開度變化，液位變化，面積變化缺點：冷凝液液位影響傳熱面積，變化緩慢，是一滯后的過程，調(diào)節(jié)不及時，不利于控制器參數(shù)整定，影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。適用場合：適用于傳熱量小、被控溫度較低的場合。,換熱器的控制方案,缺點：載熱流量高

9、負荷，不經(jīng)濟,問題：若上述單回路控制方案仍未能滿足工藝要求，如何改進控制方案，以進一步提高控制質(zhì)量？,將工藝介質(zhì)分路--旁路/混合方案,部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱器，另一部分走旁路。特點：反應迅速及時,該方案不適用于介質(zhì)流量較大的場合，適合于能量回收系統(tǒng)。,加熱爐的常規(guī)控制方案,加熱爐是煉廠主要設備，有箱式、立式、圓筒式?？刂埔蠖己車栏?，另外要求有較高的熱效率，能耗大。 對象特性 傳熱以輻射為主，對流為輔，油在管內(nèi)劇烈變化，過

10、程較復雜，難以從機理建模，工程上都采用測試法獲得經(jīng)驗模型，可用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)近似表達。特點 容量滯后和純滯后大。,加熱爐的常規(guī)控制方案,被控變量：工藝介質(zhì)的出口溫度?？刂谱兞浚喝剂嫌突蛉剂蠚獾牧髁?。主要干擾： （1）工藝介質(zhì)的進料溫度、流量、組分；燃料油/燃料氣的壓力、流量、成分（或熱值）； （2）燃料油的霧化情況；空氣充分情況；火嘴的阻力，爐膛壓力等。,加熱爐的常規(guī)控制方案,單回路控制 出口溫度

11、反饋控制 問題：當燃料、蒸汽波動較大時， 油壓/蒸汽壓變化大，霧化不良， 燃燒不好。 改進方案： （1）油汽壓力差控制 （2）壓力比值控制,加熱爐的常規(guī)控制方案,出口溫度串級控制 對于加熱爐滯后大，要求嚴格的對象，應考慮串級控制，根據(jù)串級設計原則，可有幾種方案： （a）爐出口溫度——燃油（氣）流量串級控制 （b）爐出口溫度——燃油壓力串級控制 （c）爐出口

12、溫度——爐膛溫度串級控制 （d）采用壓力平衡式控制閥（浮動閥）的控制,加熱爐的常規(guī)控制方案,爐出口溫度—爐膛溫度,爐出口溫度—燃油（氣）流量,加熱爐的常規(guī)控制方案,爐出口溫度—燃油壓力,采用壓力平衡式控制閥（浮動閥）的控制,例1：催化裂化裝置加熱爐的自動控制系統(tǒng),,工藝：把原油加熱到一定溫度送至常壓塔分餾。要求：爐出口溫度穩(wěn)定。,溫度控制：爐出口溫度對燃料閥后壓力串級控制,負荷控制：單回路流量控制,燃料干擾：單回路壓力控制,例2

13、：煉廠常壓裝置中加熱爐的自動控制系統(tǒng),,,工藝：把原油加熱到一定溫度送至常壓塔分餾。要求：爐出口溫度穩(wěn)定。,溫度控制：爐出口溫度對爐膛 溫度的串級控制,負荷控制：單回路流量控制,燃料干擾：單回路壓力控制,加熱爐的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng),1、以燃料氣為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護危險：（1）被加熱工藝介質(zhì)過少 或中斷，燒壞管子。（2）脫火現(xiàn)象，燃—氣 混合物爆炸。（3）回火，燃壓過低。（4）爐內(nèi)熄

14、火。,,加熱爐的安全聯(lián)鎖保護系統(tǒng),,,,,1、以燃料油為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護危險：（1）進料流量過低或中斷；（2）燃料油壓力過高會脫火，過低會回火；（3）霧化蒸汽壓力過低或中斷； 因此在這里設置聯(lián)鎖保護系統(tǒng)基本上與燃料氣為燃料的加熱爐相似，僅是原來的火焰檢測器BS換成霧化蒸汽壓力過低聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。,鍋爐汽包水位的動態(tài)特性,概述,燃燒系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng),鍋爐產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽一般是過程設備的能量來源——動

15、力設備，而蒸汽質(zhì)量對過程生產(chǎn)有直接影響,作用：,分類：,鍋爐有多種分類，根據(jù)鍋爐用途、燃料性質(zhì)（煤、油、氣）、壓力（高、中、低）,結構：,鍋爐汽包水位的動態(tài)特性,工藝流程,鍋爐汽包水位的動態(tài)特性,系統(tǒng)分解： （1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制；（3）過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。,鍋爐汽包水位的動態(tài)特性,,干擾通道特性（蒸汽負荷）,控制通道特性（給水量）,鍋爐汽包水位的動態(tài)特性,“虛假水位”現(xiàn)象： 蒸

16、汽量突然加大時，水位不下降反而迅速上升，然后再下降； 蒸汽量突然減少時，水位不上升反而迅速下降，然后再上升； 虛假水位現(xiàn)象屬于反向特性，給控制帶來了一定的困難，在控制方案的設計時，必須引起特別注意。,鍋爐汽包水位控制,汽包水位是鍋爐運行的重要指標，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件。 水位過低：負荷加大時，汽化速度加快，控制不及時會全部汽化。 水位過高：影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶液，影響后序

17、設備的正常運行。 所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。,鍋爐汽包水位控制--單沖量水位控制,方案如圖：適用于負荷變化平穩(wěn)，幅度小。若假水位嚴重，則H的影響： 當D↑時，由于假水位H↑，使G↓。 當假水位消失時，由于D↑，使水位大幅度下降，如此使H變化較大。 ∴當D變化較大時，往往使調(diào)節(jié)閥全開或全關。G、H波動都大，甚至發(fā)生危險。,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,(1) FFC—FBC 前

18、饋—反饋控制 引入蒸汽流量信號作前饋，可以抑制“假水位”誤動作。一般用靜態(tài)前饋即可。,,,,,,,C1：取1,決定控制器增益。C0：偏置量， 可用C0抵消C2PD靜態(tài)分量，使加法器輸出有適當值。C2：當氣關閥時，取“—” 當氣開閥時，取“+”C2的大小，即靜態(tài)前饋系數(shù)，也可以近似計算,對線性調(diào)節(jié)閥： 其中 蒸汽變送器量程； 給水變送器量程； 變送

19、器的輸出范圍。 取 思考：注意，雙沖量仍有假液位，只是減誤動作（以至消除） ，相應加大，使第二波峰減小。,,,,,,,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,,,,鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制,（2）雙沖量水位控制（加法器在控制器之前）如圖，采用雙通道輸入控制器省加法器。不能用PI作用，否則有余差。PI規(guī)律 ∵原穩(wěn)定

20、 新穩(wěn)定， ，∵用PI作用 ∴ ，∵ 不變 ∴ ∴有余差，∴PI規(guī)律時，有余差。,,,,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),原因：①當給水壓力有波動；②閥門非線性，影響補償效果。所以可以引入給水信號，構成三沖量控制。

21、,（1）串級加前饋，方案（一）,,,,,,,,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),,,,（2）方案（二）,加法器在控制器之前，用多輸入通道控制器（省加法器）,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),（3）方案（三）,,,,鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng),鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,任務（1）出口蒸汽壓力（2） 控制， 控制，空/燃比控制（3）負壓（4）安全保護，脫火，回火，熄火。,,,,鍋

22、爐燃燒系統(tǒng)的控制,出口壓力與燃料控制 （1） 單回路控制特點：壓力對燃料量的單回路控制適用于負荷及燃料 波動較小的場合，而燃料量波動較大時，可采用壓力對燃料量的比值和串級控制。,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,出口壓力與燃料控制 （2）并聯(lián)式空燃比控制特點：各自動態(tài)時，比值不嚴格。,,出口壓力與燃料控制 （3）串級式空燃比控制 壓力對燃料量的串級，送風量隨燃料變化的比值控制。特點：送風量滯后于燃料量。 *上

23、述方案都沒能實現(xiàn)鍋爐燃燒系統(tǒng)中的邏輯提降問題。,,,,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,,,,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,邏輯提量比值控制 保持比值有個先后的問題，蒸汽壓力是控制目標，燃料是調(diào)節(jié)量，如圖所示，鍋爐燃燒系統(tǒng)，要求Fuel/air比值一定。同時要求 增加Fuel時，先增加air量，降Fuel時，先降Fuel，后降air。,鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制,氧含量控制 鍋爐的熱效率（經(jīng)濟燃燒）最簡便的檢測方法，是用煙氣中的氧含量來表示。