换热器出口温度.doc

中北大学课程设计说明书 目 录1. 换热器的概述2 1.1设备的类型 21.2换热器的控制 32.换热器组成及工作原理32.1换热器的组成 32.2换热器工作原理 32.3换热器的数学描述 43. 控制方案的选择63.1系统参数选择 63.2确定参数 74.现场仪表选型84.1温度测量 842温度变送器 94.3流量传感器 104.4流量调节器 124.5执行器 135.系统方块图 156.分析被控对象特性15 6.1分析被控对象15 6.2选择控制算法 167进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能177.1调节控制参数177.2 PID参数确定187.3 进行系统仿真188.课程设计总结 201. 换热设备的概述 使热量从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。换热设备广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品 、加工、动力以及原子能工业部门当中。通常，在某些化工厂的设备投资中，换热器占总投资的30%；在现代炼油厂中，换热器约占全部工艺设备投资的40%以上；在海水淡化工业生产当中，几乎全部设备都是由换热器组成的。换热器的先进性、合理性和运转的可靠性直接影响产品的质量、数量和成本。 1.1设备的分类 根据不同的使用目的，换热器可以分为四类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器。按照传热原理和实现热交换的形式不同可以分为间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热（冷热流体直接接触）、有液态载热体的间接式换热器四种。在石油、化工生产中间壁式换热器应用的最为广泛。按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类：一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一种是在相变的情况下的加热或冷却。按传热设备的 结构形式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等1。 衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构合理，安全可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便。 1.2换热设备的换热目的在炼油的化工生产中，换热器设备应用极其广泛。进行换热的目的主要有下列四种：1.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；2.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；3.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。2 .换热器出口温度控制系统的组成特点2.1 换热器的组成有换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵、变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。被调参数（换热器出口温度）经检验元件测温并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值的送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。2.2 换热器的工作原理 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壳程和管程，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，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。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。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据数入信号自动调节冷流体流量的大小。多级离心泵的转速由变频器来控制2。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：1. 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。2. 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。3. 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3。23 换热器的数学描述 在工业生产中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了换热设备的运行工矿必须不断调节以与生产负荷变化相适应。以列管式换热器为例，假定换热器过程中的热损失可忽略不计，则有：1.热平衡方程式当不考虑热损失时，热流量体放出的热量应该等于冷流体吸收的热量，则有：q=G2C2(t20-t21)=G1C1(t11-t10)式中,G1,G2表示冷、热流体的重量流量,kg/h;C1,C2表示冷、热流体在进出口温度范围的平均比热,kJ/(kg);t10,t20表示冷、热流体进入换热器的温度,;t11,t21表示冷、热流体出换热器的温度,;2传热速率方程式热量的传递方向总是由高温物体传向低温物体,两物体之间的温差是传热的推动力,温差越大,传热速率亦越大.传热速率方程式是:在大多数情况下,如果不是用于设备的设计,而只是为了表示变量之间关系,那么算术平均温差就足分析上式可知,换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性,即在工艺介质流量大时,加热工艺介质达到规定温度所需的蒸汽流量必然随之增大,则上式计算出放大系数K减小.对于决定换热器动态响应的特性参数,机理分析和工程实践都表明,换热系统是一种大惯性、大时变、非线性的很难建立数学模型的复杂系统4。3.控制方案的选择为保证此系统出口温度的一定，我选择定比值控制系统中的前馈-反馈控制系统5。31换热器出口温度前馈-反馈控制系统参数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.加热器出口水的温度不但与蒸汽的流量、温度、压力有关,而且与冷流体的流量、入口温度等均有关系.对于存在大的负荷干扰且对控制品质要求较高的应用场合,则多采用加入负荷干扰的前馈控制,这也是目前蒸汽加热换热器的通常控制方案,如图所示。图4换热器控制图换热器控制系统结构见下图所示,输出量为被控参数,传感器把它测回到输入端,与给定值比较,在由控制器指导执行器对被控参数进行操作图5控制系统结构图 控制参数选择5。由图1的换热器程流程图可知引起换热器出口温度变化的扰动因素大概主要有：（1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口的阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉温度和管路散热的影响。（2）冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速和阀门的开度等因素影响。（3）加热炉的启停机的影响。（4）室内温度与管路内气体变化和阀门开度的影响。32 控制参数的确定、编制有关仪表信息的设计文件从换热器控制图所示,其被控制量为热流体出口温度,控制参数是蒸汽流量qv.如果出口水温度比期望的温度值低,就要加大蒸汽流量;如果出口水温度比期望的温度值要高,就要减少蒸汽流量.如果出口水温度正好等于期望的温度值,蒸汽流量就可以保持不变. 前馈-反馈控制系统是按扰动控制与偏差控制相结合，开环控制与闭环控制相结合的复合控制系统。它既发挥了前馈控制响应快的优点，又保持了反馈控制能克服各种扰动的特长。两种控制方式的结合，又互相抑制了对方的缺点，取长补短，是一种过程控制中经常用到的控制系统。对系统的主要扰动，采用前馈控制方法，对其他扰动，采用反馈控制方法，既能在主要扰动发生时使系统快速克服扰动的影响，又能在其他扰动发生时，使被控变量最终与给定值保持一致6。4.现场仪表选型根据流程图，需要选择一个温度测量变送器、一个流量传感器、一个流量调节器、一个调节阀。41温度的测量 选择装配式热电偶表1测量范围及允许误差范围表2 热电偶时间常数热电偶工程压力：一般是指在工作温度下保护管所能承受的静态外压而破裂。热电偶最小插入深度：应不小于其保护套管外径的8-10倍。表3热电偶参数42温度变送器 故选择通用型智能温度变送器 接线端子如图743流量传感器选用SKLUCB型插入式涡街流量计 如图8工作原理： 按国际标准IS07145，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口劲工业管道内，将卡门漩涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或4-20mADC电流信号。表4技术参数44流量调节器 调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被测量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。所我选用SK-808/900系列智能PID调节仪如图9所示，接线端子如图 10所示主要技术指标：基本误差：0.5%FS或0.2%FS 分辨力： 1/20000 、 14位A/D转换器采样周期：0.5S波特率：300-9600bps内部自由设定馈电输出：DC24V/30mA45执行器（调节阀）选用电动三通合流（分流）调节器 如图11所示ZAZQ(X)型电动三通合流（分流）调节阀有合流和分流两种形式，由DKZ电动执行机构和三通合流或三通分流调节组成，以电源为动力，接受统一的标准信号0-10mADC或4-20mADC驱使阀门只能对应选用，但当DN80时，和流阀可用于分流场合。可替代两台单、双座调节阀，节省投资，占据空间小。三通调节阀通常用于热交换器的两种介质调节，及简单的配比调节。图11表5主要技术参数表6性能指标图5系统方块图根据换热器前馈-反馈控制方案图可得方块图如下：6分析被控对象特性，选择控制算法（调节器控制规律的确定）61分析被控对象特性由上图可知是控制器的传递函数，Gff（s）是另一个控制器机构的传递函数，Gpd（s）是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。）图3中，控制器，执行机构、测量变送器都属于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作7。被控对象为单容对象： 即 控制阀为比例控制： 即Gv(s)=Kv 6.2选择控制算法前馈-反馈控制系统的参数整定，可以分开独立进行。前馈按前馈控制规律进行，反馈按反馈控制的PID参数进行整定。由于反馈控制有消除偏差的能力，前馈控制在复合控制系统中仅起“粗调”作用就可以了，不必要求一定要补偿主要扰动的影响。前馈控制把主要扰动的影响降低到一定程度后，余下的部分可以通过反馈的“细调”作用来补偿，这就减低了对前馈控制器的要求。1.比例控制规律：适用于控制通道滞后较小，时间常数不太大，扰动幅度较小，负荷变化不大，控制质量要求不高，允许有余差的场合。如贮罐液位、塔釜液位的控制和不太重要的蒸汽压力的控制等。2.比例积分控制规律：引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。3.比例微分控制规律：引入了微分，会有超前控制作用，能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小，加快了控制过程，改善了控制质量。适用于过程容量滞后较大的场合。对于滞后很小和扰动作用频繁的系统，应尽可能避免使用微分作用。4.比例积分微分控制规律：可以使系统获得较高的控制质量，它适用于容量滞后大、负荷变化大、控制质量要求较高的场合，如反应器、聚合釜的温度控制。结合本设计被控参数的特性，选择比例积分微分控制算法，即PID最为合适。理想的PID调节规律的数学表达式为：比例积分微分控制器的特点是：微分作用使控制器的输出与输入偏差的变化速度成比例，它对克服对象的滞后有显著的效果。在比例的基础上加上微分作用能提高稳定性，再加上积分作用可以消除余差。所以，适当调整、TI、TD三个参数、可以使控制系统获得较高的控制质量。比例积分微分控制器适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制质量要求较高的系统，应用最普遍的是温度控制系统与成分控制系统。对于滞后很小或噪声严重的系统，应避免引人微分作用，否则会由于被控变量的快速变化引起控制作用的大幅度变化，严重时会导致控制系统不稳定5。7.调节控制参数，进行系统仿真，分析系统性能7.1调节控制参数1.流量测量环节可用一介环节来近视表示：式中，与测量仪表的量程有关；0为流量测量环节的时间常数，单位为分(min)。在实际过程中这些参数基本不变。假设有=10%/（T/hr）2.假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且式中，为调节阀的流通面积，通常在一定范围内变化。这里假设=（0.51.0）%（即控制器的输出变化1%，调节阀的相对流通面积变化0.5%1.0%）。3.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 , ，式中，流量控制环节的时间常数基本不变，而和通常在一定范围内变化。这里假设=0.50.20=0.1,=0.1,=2以上控制参数参考3。7.2 PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数P、积分时间Ti和微分时间Td，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法7。对于温度控制系统，工程上已经有大量经验，其规律如下表所示：表7 工程参考参数被控变量规律选择温度滞后较大20603100.537.3进行系统仿真图13.simulink仿真方框图图14：系统在无干扰输入情况下的仿真图根据系统方框图及传递函数做系统仿真，并调节调节器的参数，以便使系统达到最佳的状态,即：=40 =3 =1.5 时候有系统达到稳定9。8总结在这次课程设计中我觉得最重要的就是要有自学能力，因