换热器温度控制系统.docx

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换热器温度控制系统

1.E-0101B混合加热器设计

为确保混合加热器（E-0101B）中MN（亚硝酸甲酯），C0（—氧化碳）的出口温度为408K,选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。

为保证生成物的产量，质量,及最终生成物的转化率,且工艺介质较稳定,蒸汽源压力较小,变化不大,因此针对此实际情况,最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。

1.1换热器概述

换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。

常用的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。

它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态,在生产和科学试验中了解这些指标,对于换热器的管理和改进都是必不可少的。

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备,又称热交换器。

换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位,其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等,应用广泛。

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,是使热量由温度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,以满足工艺条件的需要,同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

1.2换热器的分类

适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器,结构型式也不同,换热器

的具体分类如下：

1按传热原理分类：

间壁式换热器,蓄热式换热器,流体连接间接式换热器,直接接触

式换热器,复式换热器

2按用途分类：

加热器,预热器,过热器,蒸发器

三、按结构分类：

浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等

此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO（—氧化碳）加热到出口温度为473K,所以我们经过调查研究，综合比较之后选择了管壳式（又称列管式）换热器管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。

在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。

管束的壁面即为传热面。

1.3换热器的用途

换热器又叫做热交换器（heatexchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。

进行换热的目的主要有下列四种：

.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；•生产过

程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；•某些工

艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。

由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。

在大多数情况下，被控变量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。

对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。

1.4换热器的工作原理及工艺流程图

换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：

冷流体和热流体分别通过换热器的管程和壳程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。

热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。

冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程。

在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。

图1换热器温度控制系统工艺流程图

从传热过程的基本方程式可知，为了保证出口的温度平稳，满足工艺生产的要求，必须

对传热量进行调节，调节传热量有以下几条途径：

、调节载热体的流量。

调节载热体流量大小，其实只是改变传热速率方程中的传热系数k和平均温差△Tm对于载热体在加热过程中不发生相变的情况，主要是改变传热速率方程的热系数K;而对于载热体在传热过程中发生相变的情况，主要是改变传热方程中的△Tm、调节传热平均温差△Tm这种控制方案滞后较小反应迅速，应用比较广泛。

、调节传热面积F。

这种方案滞后较大，只有在某些必要的场合才采用。

④、将工艺介质分路。

该方案是一部分工艺介质经换热，另一部分走旁路。

在设计传热设备自动化控制方案时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。

而在某些场合，当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调节传热面积，以保持出口温度恒定。

2.控制系统

2.1控制系统的选择

由于本次设计的任务控制换热器被加热物料出口温度，工艺过程主要就是冷热流体热交换，且外来干扰因素主要是载热体的流量变化，故选择单回路控制系统便可以达到预定的控制精度。

2.2工艺流程图和系统方框图

单回路控制系统又称为简单控制系统，是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个控制器所构成的闭合系统。

单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般的一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到广泛的应

图2、单回路控制系统方框图

其中，被控变量：

被加热物料的出口温度；操纵变量：

载热体的流量。

如图所示：

测量元件及变送器对冷物料出口温度进行测量，得到测量值Ym并传送给调节器，调节器把Ym与内部给定值Ys比较得到偏差信号e按一定的调节运算规律计算出控制信号，并将控制信u号

传送给执行器，执行器接收到控制信号U,自动的改变阀门的开度，改变蒸汽的流量。

2.3、被控对象特性研究

换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。

通常它两侧的介质（工艺介质和载热体）在换热过程中均无相变。

换热器换热的目的是保证工艺介质加热（或冷却）到一定温度。

为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。

2.4被控变量的选择

影响一个生产过程正常操作的因素很多,但并非对所有影响因素都要进行控制.被控参数是一个输出参数,应为独立变量,与输入量之间应有单值函数关系.对于换热器过程控制系统,人们最关心的是对换热器中介质即冷流体的温度和压力的自动控制与调节,而在这两项当中,温度的自动调节又处于首位.因为出口水温直接影响产品质量、产量、效率及安全性,即本系统把换热器出口水温作为被控参数.

2.5操纵变量的选择

在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。

将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度的有很多因素，比说冷物料的流量，载热体的流量，载热体的温度等。

冷物料是工艺所需要的，不能选用冷物料作为被控变量，而若选载热体温度作为操纵变量，改变其温度还需改变其他工艺过程如锅炉的温度，考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。

2.6被控对象特性

换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这

个方案的控制流程图如图3

为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：

q=GiC（Tii-Tio）=G2C2（T2o-T2）

式中，q为传热速率（单位时间内传递的热量）；G为质量流量；c为比热容；T为温度。

式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i为入口；o为出口。

传热过程中的传热速率为：

式中，K为传热系数；F为传热面积；厶T为两流体间的平均温差

其中，平均温差•汀对于逆流、单程的情况为对数平均值：

（Tii-TO-（To-E）远-匀'2

当1Tii_Ti°3时，

3T2o-T2i

其误差在5%以内，可米用算术平均值来代替，算术平均值表示为:

T（Tii-Tio）+（T2o-T2i）

2

由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系

G2（（（T2o-T2i）=KFT

整理后得

G2c2

从上式可以看出，在传热面积F、冷流体进口流量G2、温度T2i和比热容c一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K以及平均温差.：

To

2.7调节器调节规律的选择

调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e（t）进行比例（P）、

比例积分（PI）、比例微分（PD）或比例积分微分（PID）运算，并输出信号到执行器。

选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。

比例控制规律（P）是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。

在一般情况下控制质量较高，但最后有余差。

对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。

比例控制规律（P）的微分方程数学模型为：

u（trkpe（t）

比例积分（pi）控制规律，结合了比例控制反应快，积分控制能消除余差。

但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。

通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。

比例积分（pi）控制规律的微分方程数学模型为：

it

u（t^kp{e（t>T：

0e（t）dt}

比例微分（PD）控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。

但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。

比例微分（PD）控制规律的微分方程数学模型为：

u（t）=kp{e（t）+Td讐}

比例积分微分（PID）作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。

当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。

比例积分微分（PID）控制规律的微分方程数学模型为：

右严⑴水Td詈}

其中：

u（t）:

为调节器的输出号

kP:

放大倍数

Ti:

积分时间常数

Td:

微分时间常数

e（t）:

设定值与测量值偏差信号

通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分（PID）控制规律。

3、过程检测控制仪表的选用

3.1测温元件及变送器

根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。

热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。

热电偶温度计有以下特点：

1测温精度高、性能稳定；

2结构简单，易于制造，产品互换性好；

3将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；

4测温范围广，可达-200~2000C；

5形式多样，适用于多种测温条件；

被控温度在500C以下，由［1］表3-5选用铂热电阻温度计，为了提高检测精度，应采用三线制接法，并配用DDZ-IH型热电偶温度变送器。

DDZ-IH型热电偶温度变送器主要性能指标如下：

1测量范围最小量程3mV最大量程60mV零点迁移-50~+50mV

2基本误差-0.5%

3温度特性环境温度每变化25C，附加误差不超过千分之五。

4恒流性能当负载电阻在0~100Q范围变化时，附加误差不超过千分之五。

5防爆指标结构为安全火花型；防爆等级为HMe；防爆额定电压为220VAC/DC其优点有以下几点:

1采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。

2在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系。

3线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。

3.2执行器

根据生产工艺原