换热器热流出口温度控制.docx
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换热器热流出口温度控制
换热器热流出口温度控制
毕业设计说明书
GRADUATETHESIS
论文题目:
换热器热流出口温度操纵
学院:
电气工程学院
摘要
换热器作为一种标准工艺设备差不多被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。
以工业上常用的列管式换热器为例,热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的,从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。
但由于目前制造工艺的限制,操纵方式的单一性,换热器普遍存在操纵成效差,换热效率低的现象,造成能源的白费。
如何提高换热器的操纵成效,提高换热效率,关于缓解我国能源紧张的状况,具有长远的意义。
本课题来源于对SMPT—1000实验平台换热器的研究,关于换热器热流出口温度的操纵,使用PID操纵来进行调剂,通过不断的调整其参数,确定一个比较准确的参数值,通过调整冷水阀的开度调整其流量来操纵热流的出口温度。
本设计利用PCS7来完成整个系统自动操纵,通过PCS7软件对系统进行硬件和软件组态,完成操纵出口温度的编程,最后通过人机界面监控爱护操纵系统正常运行。
关键词换热器;温度;PID操纵;PCS7
Abstract
Heatexchangerasastandardprocessequipmenthasbeenwidelyusedinthefieldofpowerengineeringandotherprocessindustries.Intheindustrycommonlyusedshellandtubeheatexchanger,forexample,thehotfluidandcoldfluidheattransferbyconvectionheattransfertoachievethepurpose,sothattheheatexchangeroutlettemperatureofthematerialtomeettheneedsofindustrialproduction.However,asthemanufacturingprocessconstraints,controlunity,commonheatexchangercontrolispoor,thephenomenonoflowheattransferefficiency,resultinginwasteofenergy.Howtoimprovethecontrolperformanceoftheheatexchangertoimproveheattransferefficiency,toeaseChina'senergyshortagesituation,havelong-termsignificance.
ThedesigncomesfromtheSMPT-1000testplatformresearchexchangerforheatexchangeroutlettemperaturecontrol,theuseofPIDcontroltoadjust,throughcontinuousadjustingitsparameterstodetermineamoreaccurateparametervaluesbyadjustingopeningofthecoldwatervalvetocontroltheflowofadjustmentoftheoutlettemperatureoftheheatflow.
ThisdesignusesPCS7tocompletethesystemofautomaticcontrolbyPCS7softwareonthesystemhardwareandsoftwareconfiguration,completecontroloftheoutlettemperatureoftheprogramming,thelastoperatingnormallybyHMImonitoringandcontrolsystem.
KeywordsHeat;temperature;PIDcontrol;PCS7
第1章绪论
1.1换热器概述
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备,是使热量由较高的流体传递给温度较低的流体,使流体温度达到流程规定的指标,以满足过程工艺条件的需要,同时也提高能源利用率的要紧设备之一。
换热器按传热面的结构分类为以下几种:
(1)表面式换热器又称为间壁式换热器。
在此类换热器中,温度不同的两种流体,在被一固体壁面分开的不同空间里流淌。
热流体放出的热量通过固体壁面传给冷流体。
如列管式换热器,一种流体在管内〔管程〕流淌,另一种流体在管外〔壳程〕流淌。
这类换热器类型多,应用广.化工生产中所用换热器绝大多数属于此类,如列管式换热器、夹套式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、板式换热器等等。
(2)直截了当接触式换热器在这类换热器中,冷热两种流体直截了当接触进行换热。
这对工艺上承诺两种流体混合的情形而言,既方便又有效,所用设备也较简单。
如凉水塔是用来冷却循环水的,在凉水塔内,空气与水直截了当接触进行换热。
又如在气压冷凝器中,蒸汽与水直截了当接触使蒸汽冷凝等等。
(3)蓄热式换热器该换热器是借助热容量较大的固体蓄热体〔如耐火砖等〕,将热量从高温流体传递给低温流体的热交换器。
当蓄热体与高温流体接触时,从高温流体处同意热量,蓄热体温度升高,然后与低温流体接触,将热量传递给低温流体,蓄热体温度下降,从而达到换热的目的。
这类换热器结构较简单,可耐高温,故常用于高温气体热量的利用或冷却。
其缺点是设备体积较大,同时也难免两种流体在一定程度上相混合。
换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业,相互形成产业链条。
1.2选题背景及意义
近年来,在我国以信息化带动的工业化正在蓬勃进展,温度已成为工业对象操纵中一种重要的参数[1]热换器是化工和一些工业部门生产过程中要紧的换热设备,生产中通常对流体加热或冷却都要有热量交换,因而都需要换热器,随着科研人员的不断进展和创新对能源的利用和开发。
热换器在生活中的应用也日益增进,在现在的工业生产换热器占有较大的份额。
换热器行业涉及暖通、压力容器、中水处理设备等近30多种产业[2],相互形成产业链条。
数据显示2020年中国换热器产业市场规模在500亿元左右,要紧集中于石油、化工、冶金、电力、船舶、集中供暖、制冷空调、机械、食品、制药等领域。
其中,石油化工领域仍旧是换热器产业最大的市场,其市场规模为150亿元,;电力冶金领域换热器市场规模在80亿元左右;船舶工业换热器市场规模在40亿元以上;机械工业换热器市场规模约为40亿元;集中供暖行业换热器市场规模超过30亿元,食品工业也有近30亿元的市场。
另外,航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器,这些市场约有130亿元的规模。
近年来,跟着我国石化、钢铁等行业的快速进展,热交换器的需求水平大幅上涨,但海内企业的供应能力有限,导致热交换器行业出现供不应求的市场状态,庞大的供应缺口需要入口来补偿[3]。
我国能源利用率大约只有33%,其利用率还专门低,比发达国家低约10个百分点。
国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。
基于石油、化工、电力、冶金、船舶、机械、食品、制药等行业对换热器稳固的需求增长,我国换热器行业在以后一段时期内将保持稳固增长,2020年至2020年期间,我国换热器产业将保持年均10-15%左右的速度增长,到2020年我国换热器行业规模有望达到1500亿元。
由此可见,在节能方面,我国还存在着专门大的潜力。
本课题要紧研究列管式换热器,列管式换热器的换热面积大,结构牢固,操作弹性大,材料广泛,便于清洁,适合大型装置特点,列管换热器在制药行业带来的效益专门的明显。
从卫生要求较高的液体,一个工业用水量较大和卫生要求较高的制药厂都能够用列管式换热器来处理。
本课题研究的换热器是个冷却器,能够通过换热回收热物料的热量。
1.3国内外研究现状
二十世纪20年代显现板式换热器,并应用于食品工业。
以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热成效好,因此连续进展为多种形式。
30年代初,瑞典首次制成螺旋板换热器。
接着英国用钎焊法制造出一种由铜及其合金材料制成的板翅式换热器,用于飞机发动机的散热。
30年代末,瑞典又制造出第一台板壳式换热器,用于纸浆工厂。
在此期间,为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们对新型材料制成的换热器开始注意。
60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速进展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的进展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃进展和广泛应用。
自60年代开始,为了适应高温顺高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的进展。
70年代中期,为了强化传热,在研究和进展热管的基础上又创制出热管式换热器。
中国换热器产业起步较晚。
1963年抚顺机械设备制造按照美国TEMA标准制造出中国第一台管壳式换热器,1965年兰州石油机械研究所研制出我国第一台板式换热器,苏州新苏化工机械〔原苏州化工机械厂〕在20世纪60年代研制出我国第一台螺旋板式换热器。
之后,兰州石油机械研究所首次引进德国斯密特〔Schmidt〕换热器技术,原四平换热器总厂引进法国维卡勃〔Vicarb〕换热器技术,国内换热器行业在消化吸取国外技术的基础上,开始获得较快进展。
20世纪80年代后,中国显现了自主开发传热技术的新趋势,大量的强化传热元件被推向市场,国内传热技术高潮时期的代表作有折流杆换热器、新结构高效换热器、高效重沸器、高效冷凝器、双壳程换热器、板壳式换热器、表面蒸发式空冷器等一批优良的高效换热器。
入二十一世纪以来,我国的板式换热器研究取得了长足的进步,在借鉴国外先进体会的同时,也逐步形成了自己的一套设计开发模式,与世界领先技术的差距进一步缩小。
我国板式换热器的制造厂家有四五十家、年产各种板式换热器数千台计,然而我国的板式换热器的应用远不及国外,这与人们对板式换热器的了解程度、使用适应以及国内产品的水平有关。
七十年代,板式换热器要紧应用于食品、轻工、机械等部门;八十年代也仅仅是应用到民用建筑的集中供热;八十年代中期开始,在化工工艺流程中较苛刻的场合也显现了板式换热器的身影。
由于人们对板式换热器工作原理、热力运算、校验等不熟悉的缘故,使得板式换热器在开发到应用的时刻跨度上,花费了较多的时刻。
最近几年,我国还在大型管壳式换热器、大直径螺纹锁紧环高压换热器、高效节能板壳式换热器、大型板式空气预热器方面获得了重大突破。
飞速进展的柏恩品牌〔BHE〕产生于2004年。
2020年8月,由中国石化集团上海工程公司与中国第一重型机械公司、兰州石油机械研究所、镇海炼化公司共同承担研制的镇海炼化百万吨/年乙烯项目-EO/EG装置大型管壳式换热器国产化研制通过技术鉴定,标志着我国在大型管壳式换热器领域获得了重大突破。
该换热器是国内正在制造的首台换热面积超过10000m2的超大型管壳式换热器。
1.4本设计要紧内容
本课题要紧设计并实现换热器热流的出口温度的操纵系统,操纵系统的要紧目的是实现换热器热流出口温度的自动操纵,换热器出口温度的测量、指示、记录和操纵关于生产过程十分重要,温度动态特性的特点是惯性大、容量滞后大、多容,操纵起来不灵敏,因此温度操纵系用需要增加微分和积分作用,因此本课题用PID操纵系统来分析,PID操纵系统参数调整方便,使换热器操纵精度更高、动态偏差小,被控对象的时刻滞后较大问题得到了解决,通过适当的调整PID参数,能够获得比较中意的操纵成效。
要紧设计手段是利用PCS7软件完成PLC和本机以及SMPT-10000设备的连接通讯,然后对系统进行设计编程同时利用WinCC完成设计界面,通过操作源站来操纵监视整个系统的自动运行情形。
1.5本章小结
本章要紧介绍了换热器的种类和换热器的历史进展及应用现状。
分析了换热器的PID操纵方式和利用PCS7软件完成整个系统操纵和监视。
并总结了换热器研究的意义和进展前景。
第2章系统工艺流程及算法操纵
2.1SMPT-1000实验平台及换热器
SMPT-1000是一款将全数字仿真技术与实物外观模拟装置相结合,集多种实验功能于一体的仿真实验装置。
SMPT-1000被控对象取材于过程工业常见的锅炉与蒸发器构成的水汽热能系统,广泛见于石油、化工、冶金、制药、食品、生物、电力等工业生产装置中,可拆分成非线性储罐与离心泵单元、动力除氧单元、高阶换热单元、加热炉单元、锅炉单元、蒸发器单元,提供由简到难的各个层次的过程操纵被控对象。
依照工业装置实际数据矫正的动态仿真引擎保证了被控对象的工业级动态响应精度,对象特性灵活多变,装置尺寸、外表、操纵系统、执行器等均可灵活定义,以下图是SMPT-1000实验平台正视图和实物图:
图2-1SMPT-1000实训平台
SMPT-1000运用真实的立体管路和空间分布的设备外观设计,在钢结构的盘台上安装着由不锈钢制的比例缩小的流程设备模型,主设备包括1台卧式除氧器、1台盘管式省煤器、1台加热炉炉体、1台汽包、1台列管式换热器、1台蒸发器、2台离心泵、1台鼓风机、11个手操/自控双效阀〔其中有2个旋钮位于辅助操作台上〕、5个开关阀、1个炉膛着火指示灯以及假设干管路系统。
空间分布有9个流量〔F〕、3个液位〔L〕、5个压力〔P〕、4个温度〔T〕、1个组分的仿传感器〔变送器〕数字式软外表。
2.2换热器
2.2.1高阶换热器
换热器在整套设备中起降低过热流体温度的作用,流体温度的操纵在整个系统中有着专门重要的作用,下面是换热器的结构图:
图2-2换热器结构图
高阶列管式换热器要紧由壳体、管束、管板和封头等部分组成。
在其中进行换热的液体有两种,一种在管内流淌,其行程称为管程;一种在管外流淌,其行程称为壳程。
2.2.2换热器工作原理
该换热器为液-液两相非接触换热器。
通过换热,将热流体的温度降低到工艺要求范畴内。
热流走壳程,出口温度为TI1104,出口流量为FI1105.冷水走管程,冷却水上水流量为FT1102,冷却水上水管线上设有调剂阀FV1103,冷却水出口温度为TT1103。
本设计实际上是一个冷却器,通过换热回收热物料的热量,下游设备对热物料的温度有严格要求,因此要使用换热器对热流出口温度进行调整。
工业上一样使用来自公用工程的冷却水为热物料降温,假如有深度冷却的需要能够使用液氨作为冷却剂。
如以下图2-2所示
图2-3换热器工作原理图
调剂过程:
依照检测到的冷流量的变化,先调剂阀门开关,操纵冷流量的大小,即为副回路,然后再依照热流体出口温度与设定值之间的偏差,依照合适的操纵算法,进一步调剂冷流体的流量,以保持出口温度的稳固,,如此组成流体出口温度调剂器和流体流量调剂器串联起来的串级操纵系统。
2.3PID操纵
2.3.1PID差不多介绍
在模拟操纵系统中,PID(ProportionIntegrationDifferentiation,比例-积分-微分)操纵是操纵器最常用的操纵规律[4],PID操纵器作为最早有用化的操纵器已有70多年历史,现在仍旧是应用最广泛的工业操纵器。
比例积分微分,PID操纵是最早进展起来的操纵策略之一[5][6]。
简单易明白,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的操纵器。
那个理论和应用自动操纵的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。
PID操纵器由比例单元〔P〕、积分单元〔I〕和微分单元〔D〕组成。
其输入e(t〕与输出u(t〕的关系为:
u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD·de(t)/dt](2.1)
式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为:
G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI·s)+TD·s](2.2)
其中kp为比例系数;TI为积分时刻常数;TD为微分时刻常数
〔1〕比例作用P
比例〔P〕操纵:
比例操纵是一种最简单的操纵方式[7]。
所谓的P,确实是比例作用,确实是把调剂器的输入偏差乘以一个系数,作为调剂器的输出。
滞后性不是专门大的操纵对象使用比例操纵方式就能够满足操纵要求,但专门多被控对象中因为有滞后性。
一样来说,设定值可不能经常改变,那确实是说:
当设定值不变的时候,调剂器的输出只与被调量的波动有关。
调剂器的输出信号u与输入的偏差信号e成比例
u=Kc·e〔2.3〕
Kc称为比例增益,Kc接近于0时,操纵器的输出u不受输入偏差e的阻碍,相当于操纵系统不工作,Kc专门大时,只要有一个专门小的输入偏差e显现,就会使操纵器输出u发生专门大的变化,Kc由小到大变化,系统将由稳固向振荡进展。
比例作用的特点,比例调剂是有差调剂,比例调剂的余差随着比例增益的增大而减小;比例增益越大,意味着执行机构〔调剂阀、挡板等〕的动作幅度较大,被调剂变量的变化较为剧烈;比例调剂能够单独使用,也能够和其它调剂动作结合成PI、PD或PID调剂动作。
〔2〕积分作用I
在积分操纵中,操纵器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动操纵系统,假如在进入稳态后存在稳态误差,那么称那个操纵系统是有稳态误差的或简称有差系统〔SystemwithSteady-stateError〕。
为了排除稳态误差,在操纵器中必须引入〝积分项〞。
积分项对误差取决于时刻的积分,随着时刻的增加,积分项会增大。
如此,即便误差专门小,积分项也会随着时刻的增加而加大,它推动操纵器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分〔PI〕操纵器,能够使系统在进入稳态后无稳态误差。
调剂器的输出信号的变化速度du/dt与输入的偏差信号e成正比
du/dt=Ki·e〔2.4〕
Ki称为积分速度,积分调剂将输入偏差e按时刻进行累积,偏差存在输出就增大,直到排除偏差为止,Ki趋向于0时,积分作用排除,Ki专门大时,积分作用强烈,排除余差的能力强,但容易引起振荡。
积分特点:
积分调剂是无差调剂。
只有当偏差e为0时,积分调剂器的输出才会保持不变;积分速度越大,执行机构的动作越快,越容易引起和加剧振荡;积分调剂能够单独使用,但调剂的过程专门慢。
通常,积分调剂和其它调剂动作结合成PI或PID调剂动作。
PI两个结合使用的情形下,我们的调整方式如下:
①先将I值设为0,将P值放至比较大,当显现稳固振荡时,我们再减小P值直到P值不振荡或者振荡专门小为止〔术语叫临界振荡状态〕,在有些情形下,我们还能够在些P值的基础上再加大一点。
②加大I值,直到输出达到设定值为止。
③等系统冷却后,再重上电,看看系统的超调是否过大,加热速度是否太慢。
通过上面的那个调试过程,我们能够看到P值要紧能够用来调整系统的响应速度,但太大会增大超调量和稳固时刻;而I值要紧用来减小静态误差。
〔3〕微分作用D
在微分操纵中,操纵器的输出与输入误差信号的微分〔即误差的变化率〕成正比关系[8]。
自动操纵系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳。
其缘故是由于存在有较大惯性组件〔环节〕或有滞后〔delay〕组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的方法是使抑制误差的作用的变化〝超前〞,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这确实是说,在操纵器中仅引入〝比例〞项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是〝微分项〞,它能推测误差变化的趋势,如此,具有比例+微分的操纵器,就能够提早使抑制误差的操纵作用等于零,甚至为负值,从而幸免了被控量的严峻超调。
因此对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分〔PD〕操纵器能改善系统在调剂过程中的动态特性调剂器的输出与输入的偏差信号的变化速度de/dt成正比
u=Kd·(de/dt)〔2.5〕
Kd是微分速度微分调剂的输出与输入偏差e的变化速度成正比,e变化越大,微分调剂的输出越大,Kd为0时,微分作用排除
微分作用的特点:
微分调剂总是力图抑制被调量的振荡;微分调剂只能起到辅助的调剂作用,能够与其它调剂动作结合成PD或PID调剂动作
其完整的公式如下:
u(t)=K·pe(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)–e(t-1)]+u0〔2.6〕
在PID的调试过程中,应注意以下步骤:
①关闭I和D,也确实是设为0.加大P,使其产生振荡;
②减小P,找到临界振荡点;
③加大I,使其达到目标值;
④重新上电看超调、振荡和稳固时刻是否吻合要求;
⑤针对超调和振荡的情形适当的增加一些微分项;
⑥注意所有调试均应在最大争载的情形下调试,如此才能保证调试完的结果能够在全工作范畴内均有效;
〔4〕采样周期 由于运算机操纵是一种采样操纵,它只能依照采样时刻的偏差值运算操纵量[9],PID操纵程序是周期性执行的,执行的周期称为采样周期。
采样周期越小,采样值越能反映模拟量的变化情形。
然而太小会增加CPU的运算工作量,相邻两次采样的差值几乎没有什么变化,将使PID操纵器输出的微分部分接近为零,因此也不宜将采样周期取得过小。
应保证在被控量迅速变化时〔例如启动过程中的上升时期〕,能有足够多的采样点数,不致因为采样点数过少而丢失被采集的模拟量中的重要信息。
PID由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数〔Kp,Ti和Td〕即可。
在专门多情形下,并不一定需要全部三个单元,能够取其中的一到两个单元,但比例操纵单元是必不可少的。
2.3.2参数整定
PID参数整定方法专门多,工程上最常用的有临界比例度法、衰减曲线法和体会凑试法。
(1)临界比例法
这是目前使用较多的一种方法。
它是先通过试验得到临界比例度PB和临界周期Tk,然后依照体会公式求出操纵器各参数值。
具体做法如下:
①被控系统稳固后,把操纵器的积分时问放到最大,微分时刻放到零(相当于切除了积分和微分作用,只使用比例作用)。
②通过外界干扰或使操纵器设定值作一阶跃变化,观看由此而引起的测量值震荡③从大到小逐步把操纵器的比例度减小,看测量值振荡的变化是发散的依旧衰减的,如是衰减的那么应把比例度连续减小;如是发散的那么应把比例度放大。
④连续重复②、③步骤,直至测量值按恒定幅度和周期发生振荡,即连续4~5次等幅振荡为止。
现在的比例度示值确实是临界比例度PB。
⑤从振荡波形图来看,来回振荡1次的时刻确实是临界周期Tk,即从振荡波的第一个波的顶点到第二个波的顶点的时刻。
假如有条件用记录仪,就比较好观看了,即可看振荡波幅值,还可看测量值输出曲线的峰——峰距离,把该测量值除以记录纸的走纸速度,就可运算出临界周期Tk
得到了临界比例度PB和临界周期Tk后.就可依照表1中的体会公式求出操纵器的P、Ti、刚参数值了。
表2-1临界比例度法参数运算公式表
操纵作用
比例度p
积分时刻
微分时刻
比例
2PB
比例+积分
2.2PB
0.85Tk
比例+微分
1.8PB
0.1Tk
比例+积分+微分
1.7PB
0.5Tk
0.125Tk
临界比
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