《过程控制工程》第二次作业分析.docx

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《过程控制工程》第二次作业分析

《过程控制工程》第二次作业

——设计换热器温度控制系统

换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。

换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。

换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。

换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。

其中间壁式换热器应用最广。

它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。

其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。

列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。

下图为一列管式换热器，换热器采用蒸汽对冷物料进行加热，使换热器出口介质温度为某一定值。

工艺要求换热器出口温度在185±2℃以内，引起出口温度变化的扰动有:

冷物料的流量与初温、蒸汽压力波动等，其中最主要的扰动是冷物料的流量Q。

静态特性分析：

对象的静态特性就是要确定

之间的函数关系。

（1-1）

式中，

为传热速率（单位时间内传递的热量）；

为质量流量；

为比热容；

为温度。

式中的下标处1为载热体；2为冷流体；

为入口；

为出口。

另外，传热过程中的

为

（1-2）

式中，

为传热系数；

为传热面积；

为两流体间的平均温差。

其中平均温差

对于逆流、单程的情况为对数平均值

在

，其误差在5%以内，可采用算数平均值来代替。

算术平均值为：

控制方案的选择

由热平衡公式（1-1）可知，当冷热流体的流量成一定的比值关系时便可以保证按照两流体出口温度的变化量成一定比值关系同时假定冷热流体入口处温度

、

都保持恒定，则此时，冷热流体的温度

、

便同时可以保持恒定。

即有

如果采用比值控制对换热器的出口温度进行控制，从而达到换热器冷热流体的温度同时得到控制的目的。

但由于此次课程设计并没有提供冷热流体在达到实验要求时的进出口温度，无法依靠此确定比例控制的系数，所以不能采用此方案。

因此我拟采用通过控制热流体的流量来对冷流体出口温度进行闭环串级控制

系统框图：

可看出来自热流体流量方面干扰因素包括副回路内，因此可大大减少这些扰

动因素对于冷流体出口温度影响。

对于热流体流量和温度方面的干扰，采用串级控制系统可以得到改善，具体控制效果明显改善。

综上对串级控制系统方案的基本参数进行确定：

主回路：

冷流体出口温度——热流体流量控制回路

副回路：

热流体流量

主变量：

换热器出口温度

副变量：

热流体流量

主检测变送器：

铜电阻温度传感器

副检测变送器：

涡轮流量传感器

执行器：

蒸汽阀门

主回路设计

换热器温度串级控制系统是以工艺介质出口温度为主要被控参数的控制系统。

温度调节器对被控参数精确控制与温度调节器对介质干扰的及时控制相结合，先根据换热器出口温度的变化，改变介质量，快速消除干扰；然后再根据工艺介质出口温度与设定值的偏差，改变温度调节器的设定值，进一步调节介质量，使出口温度恒定，达到温度控制的目的

副回路设计

副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。

工艺料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。

所以，对于冷却器我们选择冷流体的流量为串级控制系统的辅助被控参数。

串级系统中，通过调整副参数流量能够有效地影响主参数出口温度，提高了主参数的控制效果。

主副调节器规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

在换热器温度串级控制系统中，我们选择出口温度为主要被控参数，介质料温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为换热器串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，无明显滞后，所以我们的副调节器调节规律选择PI控制。

主副调节器正反作用方式确定

由生产工艺安全考虑，蒸气调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。

主调节器作用方式确定：

主被控过程Ko1﹥0。

为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。

又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

仪表的选型及参数的确定

流量测量仪

产品名称：

蒸汽流量变送器

型号：

LUGB

1 、最小流量值低、流量范围大；

2 、结构简单，无运动磨损部件；

3 、测量精度高，阻力损失小；

4 、安装方便，维修简易；

5 、可远距离传输流量信号，并能与计算机连网，实现集中管理；

6 、完整的传感器通径，具有 10mm ～ 500mm 的 20 种不同通径的传感器。

蒸汽流量计技术指标：

1 、蒸汽流量计确度等级：

 1.0 级标准流量范围内）；

2 、蒸汽流量计公称压力：

 ① 通径 ≥DN200mm2.5MPa ；

② 通径 ≤DN150mm4.0MPa ；

③6.3MPa ～ 25MPa （协议定货）；

3 、蒸汽流量计被测介质温度：

 40℃～ 200℃， 280℃， 350℃；

4 、蒸汽流量计压力损失：

阻力系数 Cd≤2.4 ；

5 、蒸汽流量计重复性误差 % ：

 ≤1/3 准确度等级值；

6 、蒸汽流量计流量范围：

 8 ：

 1 ～ 40 ：

 1

7 、蒸汽流量计供电电源：

 12 ～ 24VDC ；

8 、蒸汽流量计输出信号：

 ① 电压脉冲：

低电平 ≤0.5V ，高电平 ≥5V ；

② 标准电流：

 0 ～ 10mA 、 4 ～ 20mADC ；

③ 标准电压：

 0 ～ 5V 、 1 ～ 5V

蒸汽流量变送器技术参数

公称通经（mm）15，20，25，40，50，65，80，100，125，150，200，250，300

仪表材质 1Cr18Ni9Ti

公称压力（Mpa）PN1.6Mpa；PN2.5Mpa； PN4.0Mpa

被测介质温度（℃） －40～+250℃ ；－40～+350℃

环境条件温度－10～+55℃，相对湿度5％～90％，大气压力86～106Kpa

精度等级测量液体：

示值的±0.5

测量气体或蒸汽：

示值的±1.0、±1.5

量程比 1:

10；1:

15

阻力损失系数 Cd<2.6

输出信号传感器：

脉冲频率信号0.1~3000Hz 低电平≤1V 高电平≥6V

变送器：

两线制4~20mADC电流信号

供电电源传感器：

+12VDC 、+24VDC（可选）

变送器：

+24VDC

现场显示型：

仪表自带3.2V锂电池

信号传输线 STVPV3×0.3（三线制），2×0.3（二线制）

传输距离 ≤500m

信号线接口内螺纹M20×1.5

防爆等级 ExdIIBT6

防护等级 IP65

允许振动加速度 1.0g

调节器

SK－808/900系列智能PID调节仪

智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。

调节阀

选择KVQJ系列电动单座、套筒调节阀。

图8调节阀

KVQJ系列电动单座、套筒调节阀，接受调节仪表来的直流电流信号，改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值。

广泛应用于电力、冶金、化工、石油、轻纺、制药、造纸等工业部门的生产自动化控制。

本系列产品公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-40℃~450℃，接受信号为0~10mA.DC或4~20mA.DC。

流量特性为线性或等百分比。

配用不同的执行机构可分为普通型和电子型两种。

表2调节阀技术参数

公称通径DN（mm）

（阀座直径dn）

20

25

32

40

50

65

80

10

12

15

20

额定流量系数

直级

1.8

2.8

4.4

6.9

11

17.6

27.5

44

69

110

等百分比

1.6

2.5

4

6.3

10

16

25

40

63

100

额定行程（mm）

16

25

40

公称压力PN（MPa）

1.01.64.06.4

固有流量特性

直线等百分比

固有可调比

50

工作温度t（℃）

-20~200-40~250-40~450-60~450

信号范围（mA.DC）

0~104~20

作用方式

电关式电开式

使用环境温度（℃）

电动调节阀：

-20~70℃伺服放大器：

0~50℃

使用环境条件

电动调节阀：

≤95%伺服放大器：

≤85%

电源电压

220V50Hz380V50Hz24AC/DC

温度测量环节

Cu50热电阻

轨式热电阻温度变送器模快

                       ·型    号：

MTRS1

　                   　·输出信号：

4-20mA二线制

　                   　·供电电压：

24VDC（12~30V）

　                   　·测温范围：

用户订制

　                   　·精度等级：

±0.5%FS ±0.2%FS ±0.1%FS

　                   　·环境温度：

-20~80℃

　　                   ·功能特点：

线性补偿，传感器断线报警功能

　                   　·适用范围：

适配各类热电阻传感器Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100型等

　　                   ·外形尺寸：

94×24mmH41mm

　　                   ·DIN35导轨式安装

调节控制参数

变送测量环节

假设流量测量仪表处理后为线性单元：

动态滞后忽略则有：

Gm2（s）=Km2=1

而温度环节可用一阶环节代替，Gtm（s）=Km1/（1+T1s）=1/（1+s）

执行器/调节阀

假设控制阀为近似线性阀，其动态滞后忽略,

Gv（s）=Kv=1

被控对象 

对于流量对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为：

Gp2（s）=1/（15s+1）

对于温度对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为：

Gp1（s）=1/（60s+1）*exp（-3s）

PID参数整定及系统仿真

副回路：

首先设定流量控制器PID的参数初始值为：

P=1,I=0.066

在根据设定值跟踪速度的快慢，调整控制器增益Kc直到满意为止。

最后流量控制器的PID参数最后选取为：

P=5,I=0.066.如图

主回路：