傳熱設(shè)備控制

傳熱設(shè)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(jié)晶、反應(yīng)和冶金等，均需要根據(jù)具體的工業(yè)要求，對(duì)物料進(jìn)行加熱或冷卻來維持一定的溫度。對(duì)于化學(xué)反應(yīng)，為了使反應(yīng)能達(dá)到預(yù)定要求，更需要嚴(yán)格控制一定的反應(yīng)溫度，這也要依靠冷卻或加熱才能實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)傳熱設(shè)備的控制也就顯得格外重要。

工業(yè)上用以實(shí)現(xiàn)冷熱兩流體換熱的設(shè)備稱為傳熱設(shè)備。

傳熱設(shè)備概述傳熱設(shè)備的類型

1、從熱量的傳遞方式來分熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射

2、從進(jìn)行熱交換的兩種流體的接觸關(guān)系來分直接接觸式、間接式和蓄熱式

3、按冷熱流體進(jìn)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(jié)構(gòu)來分

列管式、蛇管式、夾套式和套管式

一般傳熱設(shè)備：換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器

（對(duì)流傳熱）

特殊傳熱設(shè)備：加熱爐、鍋爐、蒸發(fā)器等

典型的傳熱設(shè)備換熱器加熱爐{鍋爐傳熱設(shè)備概述

傳熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(shè)備概述傳熱設(shè)備的控制要求

1、傳熱目的

①使工藝介質(zhì)達(dá)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(shè)備的控制主要是熱量平衡的控制，溫度作為被控變量。對(duì)某些傳熱設(shè)備，也有約束條件的控制。換熱器的靜態(tài)特性問題：針對(duì)逆流單程列管式熱交換器，巳知入口條件（G1,T1i,G2,T2i）,要求計(jì)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(yīng)介質(zhì)的比熱。換熱器的靜態(tài)特性假設(shè)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(shí)間=載熱體放出的熱量/單位時(shí)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(duì)于逆流單程換熱器，可取對(duì)數(shù)平均值若在1/3~3之間，則可用算術(shù)平均近似考慮換熱器的靜態(tài)特性換熱器的靜態(tài)特性嚴(yán)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?jǐn)?shù)閥。換熱器的控制方案換熱的目的

①使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度以使生產(chǎn)過程正常進(jìn)行；如：重油催化裂化原料油預(yù)熱，要求溫度在160-220℃之間。

②在過程進(jìn)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)；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

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(diǎn)：方案簡(jiǎn)單、適用于載熱體上游壓力平穩(wěn)及負(fù)荷變化小的場(chǎng)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(duì)應(yīng)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(shí)，汽化溫度的變化改變了傳熱平均溫差。液位控制回路的目的：維持液位不超限，保證足夠的蒸發(fā)空間。特點(diǎn)：滯后小，反應(yīng)迅速。換熱器的控制方案

調(diào)傳熱面積當(dāng)不變時(shí)，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(diǎn)：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(shí)，不利于控制器參數(shù)整定，影響調(diào)節(jié)品質(zhì)。適用場(chǎng)合：適用于傳熱量小、被控溫度較低的場(chǎng)合。換熱器的控制方案缺點(diǎn)：載熱流量高負(fù)荷，不經(jīng)濟(jì)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(jìn)控制方案，以進(jìn)一步提高控制質(zhì)量？TC載熱體工藝介質(zhì)

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(diǎn)：反應(yīng)迅速及時(shí)該方案不適用于介質(zhì)流量較大的場(chǎng)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(shè)備，有箱式、立式、圓筒式?？刂埔蠖己車?yán)格，另外要求有較高的熱效率，能耗大。

對(duì)象特性傳熱以輻射為主，對(duì)流為輔，油在管內(nèi)劇烈變化，過程較復(fù)雜，難以從機(jī)理建模，工程上都采用測(cè)試法獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎靡浑A慣性純滯后環(huán)節(jié)近似表達(dá)。特點(diǎn)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。控制變量：燃料油或燃料氣的流量。主要干擾：（1）工藝介質(zhì)的進(jìn)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反饋控制問題：當(dāng)燃料、蒸汽波動(dòng)較大時(shí)，油壓/蒸汽壓變化大，霧化不良，燃燒不好。改進(jìn)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(jí)控制

對(duì)于加熱爐滯后大，要求嚴(yán)格的對(duì)象，應(yīng)考慮串級(jí)控制，根據(jù)串級(jí)設(shè)計(jì)原則，可有幾種方案：（a）爐出口溫度——燃油（氣）流量串級(jí)控制（b）爐出口溫度——燃油壓力串級(jí)控制（c）爐出口溫度——爐膛溫度串級(jí)控制（d）采用壓力平衡式控制閥（浮動(dòng)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(dòng)閥）的控制例1：催化裂化裝置加熱爐的自動(dòng)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(duì)燃料閥后壓力串級(jí)控制負(fù)荷控制：?jiǎn)位芈妨髁靠刂迫剂细蓴_：?jiǎn)位芈穳毫刂评?：煉廠常壓裝置中加熱爐的自動(dòng)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(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制負(fù)荷控制：?jiǎn)位芈妨髁靠刂迫剂细蓴_：?jiǎn)位芈穳毫刂萍訜釥t的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)

1、以燃料氣為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)危險(xiǎn)：（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—?dú)饣旌衔锉ā＃?）回火，燃?jí)哼^低。（4）爐內(nèi)熄火。TCPCSLGL2BSGL1燃料進(jìn)料出料回火脫火熄火加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)PdCTCPCPL1PL2GL1GL2新鮮氣循環(huán)氣儀表氣儀表氣煉廠氣燃料油霧化氣出料1、以燃料油為燃料的加熱爐安全聯(lián)鎖保護(hù)危險(xiǎn)：（1）進(jìn)料流量過低或中斷；（2）燃料油壓力過高會(huì)脫火，過低會(huì)回火；（3）霧化蒸汽壓力過低或中斷；

因此在這里設(shè)置聯(lián)鎖保護(hù)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(cè)器BS換成霧化蒸汽壓力過低聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。鍋爐汽包水位的動(dòng)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(shè)備的能量來源——?jiǎng)恿υO(shè)備，而蒸汽質(zhì)量對(duì)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(jié)構(gòu)：鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

工藝流程燃料熱空氣煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)排出過熱器減溫器爐膛汽包過熱蒸汽空氣預(yù)熱器冷空氣給水熱空氣送爐膛省煤器由給水泵來燃料

空氣混合燃燒發(fā)熱汽包飽和蒸汽過熱蒸汽母管輸出燃燒煙氣飽和蒸汽過熱蒸汽省煤器空氣預(yù)熱器引風(fēng)機(jī)排出過熱器鍋爐汽包水位的動(dòng)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(dòng)態(tài)特性干擾通道特性（蒸汽負(fù)荷）控制通道特性（給水量）鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

“虛假水位”現(xiàn)象：蒸汽量突然加大時(shí)，水位不下降反而迅速上升，然后再下降；蒸汽量突然減少時(shí)，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(shè)計(jì)時(shí)，必須引起特別注意。鍋爐汽包水位控制

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)，保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。水位過低：負(fù)荷加大時(shí)，汽化速度加快，控制不及時(shí)會(huì)全部汽化。水位過高：影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶液，影響后序設(shè)備的正常運(yùn)行。

所以，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)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(fù)荷變化平穩(wěn)，幅度小。若假水位嚴(yán)重，則H的影響：當(dāng)D↑時(shí)，由于假水位H↑，使G↓。當(dāng)假水位消失時(shí)，由于D↑，使水位大幅度下降，如此使H變化較大。

∴當(dāng)D變化較大時(shí)，往往使調(diào)節(jié)閥全開或全關(guān)。G、H波動(dòng)都大，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。鍋爐汽包水位控制--雙沖量水位控制(1)FFC—FBC前饋—反饋控制引入蒸汽流量信號(hào)作前饋，可以抑制“假水位”誤動(dòng)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(dāng)值。C2：當(dāng)氣關(guān)閥時(shí)，取“—”

當(dāng)氣開閥時(shí)，取“+”C2的大小，即靜態(tài)前饋系數(shù)，也可以近似計(jì)算

對(duì)線性調(diào)節(jié)閥：

其中蒸汽變送器量程；給水變送器量程；變送器的輸出范圍。取思考：注意，雙沖量仍有假液位，只是減誤動(dòng)作（以至消除），相應(yīng)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

新穩(wěn)定，，∵用PI作用

∴，∵不變

∴∴有余差，∴PI規(guī)律時(shí)，有余差。鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng)原因：①當(dāng)給水壓力有波動(dòng)；②閥門非線性，影響補(bǔ)償效果。所以可以引入給水信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制。（1）串級(jí)加前饋，方案（一）：用+,取反作用。若采用氣開閥門，為反作用為正作用若采用氣關(guān)閥門，設(shè)負(fù)荷變化

物平衡：

給水測(cè)量表，

（調(diào)節(jié)閥）給定變化，

：取+（信號(hào)作用與閥無關(guān)）抵消

靜態(tài)分量。

的計(jì)算

鍋爐汽包水位控制--三沖量控制系統(tǒng)儀表輸出為統(tǒng)一信號(hào)，相同

控制器，PI作用，則∴，量程相等時(shí)，可取1?！羝兯推髁砍??！o水變送器量程。按液位、流量串級(jí)整定即可。

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(wù)（1）出口蒸汽壓力（2）控制，控制，空/燃比控制（3）負(fù)壓（4）安全保護(hù)，脫火，回火，熄火。鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制出口壓力與燃料控制（1）單回路控制特點(diǎn)：壓力對(duì)燃料量的單回路控制適用于負(fù)荷及燃料波動(dòng)較小的場(chǎng)合，而燃料量波動(dòng)較大時(shí)，可采