换热器及锅炉控制函数

88 第 11 章 传热设备的控制 11 1 概述 传热过程是工业生产过程中重要的组成部分 根据工艺的要求 完成对物料进行加热或冷 却来维持一定的温度 为了保证工艺过程的正常 安全运行 必须对传热设备进行有效的 控制 一 传热设备的类型 1 从热量的传递方式来分 热传导 对流和热辐射 2 从进行热交换的两种流体的接触关系来分 直接接触式 间接式和蓄热式 3 按冷热流体进行热量交换的形式看有两类 一类是在无相变情况下的加热与冷却 另一类是在相变情况下的加热与冷却 4 从结构来分 列管式 蛇管式 夹套式和套管式 传热设备的结构类型见课本 P192 图 11 1 热设备的类型 二 传热设备的控制要求 传热目的 使工艺介质达到规定的温度 使工艺介质达到规定的温度 使工艺介质改变相态 使工艺介质改变相态 回收热量 回收热量 传热设备的控制 主要是热量平衡的控制 温度作为被控变量 对某些传热设备 也有约束条件的控制 89 11 2 一般传热设备的控制 一般传热设备通常指 换热器 蒸汽加热器 再沸器 冷凝冷却器 一 换热器的控制 1 换热器的特性换热器两侧介质 工艺介质和载热体 在换热过程中都没有相变 1 换热器的特性 G1 工艺介质的流量 G2 载热体的流量 汽化并 升温 燃烧放热锅炉有相变蒸汽冷凝放 热 再沸器 升温或 汽化 燃烧放热加热器升温 不起相 变 蒸汽冷凝放 热 蒸汽加热 器 冷凝或 冷却 冷剂升温或 蒸发吸热 冷凝 冷却器 温度变 化 不 起相变 不起相变 显热变化 换热器 工艺介 质情况 载热体 冷 热源 情况 设备类 型 工艺介 质情况 载热体 冷 热源 情况 设备类型 G1c1T1oG1c1T1i G2c2T2i G2c2T2o T1i T2i G1 G2 逆流单程换热器 换热器特性 90 T1i 工艺介质的入口温度 T2i 载热体的入口温度 T1o 工艺介质的出口温度 T2o 载热 体的出口温度 c1 工艺介质的比热容 c2 载热体的比热容 对象静态特性 T1O f T1i T2i G1 G2 静态特性基于热平衡关系式 传热速率方程式来推导 静态特性基于热平衡关系式 传热速率方程式来推导 热平衡关系式 q G1c1 T1o T1i G2c2 T2i T2o 11 2 q 传热速率 G 质量流量 c 比热容 T 温度 传热速率方程式 q KFDT 11 3 K 传热系数 F 传热面积 DT 平均温差 平均温差 DT对于逆流 单程的情况为对数平均值 工程上可采用算术平均值近似代替对数平均值 将 11 5 及 11 2 代入 11 3 中 得 11 6 式为逆流 单程列管式换热器静态特性的基本表达式 各通道的静态放大倍数均 可由此式导出 选取 T10为被控变量 G2为操纵变量 T1i为主要干扰 则可按 11 6 式对 G2 T1i分别求导 以得到控制通道和干扰通道的静态放大倍数 对象的动态特性 一般换热器为分布参数对象 而分布参数对象中的变量既是时间的函数 又是空间的 函数 其变化规律需用微分方程来描述 对于换热器的动态特性 可以用下面的近似关系 式来表示 a 工艺介质入口温度对其出口温度的影响 即 DT1i D T1o通道特性 式中 K1 通道的静态放大倍数 W1 换热器内 工艺介质储存量 G1 工艺介质的流量 W1 G1 工 2 1 21 12 12 1212 ln ln t t tt TT TT TTTT T io oi iooi 2 2 121221iooi TTTTtt T 1 2 1 1 22 1111 12 11 cG cG KF cG TT TT ii io 11 4 11 5 11 6 S S G W eKeKSG 11 1 1 11 11 S e SS K SG 2 1 1 21 11 12 91 艺介质在换热器内的停留时间 b 载热体入口温度 T2i 流量 G2以及工艺介质流量 G1对 工艺介质出口温度 T1o的影响 即 T2i T1o G1 T1o G1 T1o三个通道的特性 可近似 表示为 式中 K 各通道的静态放大倍数 2 2 换热器的控制方案 换热器的控制方案换热器的控制基本方案有两类 a 以载热剂的流量为操纵变量 控制载热体流量的方案 b 工艺介质的旁路控制 二 蒸汽加热器的控制载热剂蒸汽的流量 改变温差 T和传热面积F 8 2 2211 2 2211 1 GWGW GWGW W1 W2 G1 G2分别为工艺介质和载热体的储存 量 流量 G1 G2 G2 TC G2 TC 合流形式载热体流量控制 将工艺介质分路的方案 G2 TC G1 换热器前馈 串级控制 Sp Gff F Mff 1 2 TC FC FS G2 TC 控制载热体流量的方案 蒸 汽 将工艺介质合路的方案 G2 TC G1 92 2 控制冷凝液排放 传热面积F 三 冷凝冷却器的控制 1 控制载热剂流量 控制冷凝管排放的方案 G2 TC G1 冷凝液 蒸 汽 蒸汽加热器T L串级控制 G2 TC G1 蒸 汽 LC 蒸汽加热器前馈控制 G2 TC G1 冷凝液 FC 物料气氨 液氨 TC 控制载热体流量的方案 LC 物料气氨 液氨 TC 冷凝冷却器T L串级控制 物料气氨 液氨 TC 冷凝冷却器选择性控制 LS LC 93 2 控制气氨排量 11 3 锅炉设备的控制一 概述 1 锅炉可产生高压蒸汽用于驱动蒸汽透平的动力源或作为精馏 干燥 反应 加热等过程 的热源 是石油化工 发电厂的重要动力设备 2 锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要 供应一定压力或温度的蒸汽 同时要使锅 炉在安全 经济的条件下运行 锅炉设备主要控制系统 1 锅炉汽包水位控制 汽包水位作为被控变量 给水流量作为操纵变量 控制气氨排量方案 气 氨 液氨 TC LC 94 作用 保持汽包内部的物料平衡 使给水量适应锅炉的蒸汽量 维持汽包中水位在工艺允 许的范围内 2 锅炉燃烧系统的控制 被控变量 蒸汽压力 负荷 烟气成份 经济燃烧指标 和炉膛负压 操纵变量 燃料量 送风量 引风量 控制系统的作用 a 满足燃烧所产生的热量 适应蒸汽负荷的需要 b 使燃料与空气量之间保持一定的比值 保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行 c 使引风量和送风量相适应 保证炉膛负压在一定范围内 3 过热蒸汽系统的控制 被控变量为过热蒸汽温度 操作变量为减温器的喷水量 作用 使过热器出口温度保持在允许范围内 并保证管壁温度不超过工艺允许的温度 4 锅炉水处理过程的控制 锅炉给水的水性能指标达到工艺要求 一般采用离子交换树脂对水进行软化处理 另 外采用蒸汽加热进行除氧处理 二 锅炉汽包水位的控制 汽包水位是锅炉运行的重要指标 保持水位在一定范围内是保 证锅炉安全运行的首要条件 水位过高 过低 都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不 利的影响 所以 必须对汽包水位进行严格的控制 1 汽包水位的动态特性决定汽包水位除汽 包中储水量的多少外 也与水位下汽包容积有关 影响汽包水位的主要因素 锅炉蒸发量 蒸汽流量 D 和给水流量 W 1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 即控制通道特性 1 2 3 4 5 6 78 锅炉汽水系统 S e S K SW SH 0 W H H1 H t t 给水流量阶跃作用下 水位变化响应曲线 D H H2 H t t H1 95 2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 飞升速度 即在蒸汽流量变化单位流量时的 变化速度 K2 响应曲线H2的放大系数 T2 响应曲线H2的时间常数 虚假水位 现象 蒸汽量突然加大时 水位不下降反而迅速上升 然后再下降 蒸汽量突然减少时 水位不上升反而迅速下降 然后再上升 虚假水位现象属于反向特性反向特性 给控制带来了一定的困难 在控制方案的设计时 必须 引起特别注意 2 单冲量控制系统冲量泛指变量或参数 单冲量控制系统存在三个问题 1 当负荷变化产生虚假液位时 将使控制器反向误动作 2 对负荷不灵敏 3 不能克服给水流量的干扰 特点 控制系统结构简单 适用于汽包内水位的停留时间 长 负荷变化小的小型锅炉 3 双冲量控制系统 针对单冲量控制系统存在的问题 如果根据蒸汽流量作为校正作用 就可以纠正虚假 水位引起的误动作 而且也能提前发现负荷的变化 从而大大改善了控制质量 加法器的运算关系为 I C1IC C2IF I0 阀的开闭形式 控制器正反作用 运算器符号决定 以保护锅炉的安全为主 选气闭 以保护汽轮机用户安全为主 选气开 1 2 221 ST K S K SD SH SD SH SD SH f LC 给水 蒸汽 蒸汽流量扰动下的 水位变化响应曲线 96 LC 控制器正反作用 气闭时为正作用 气开时为反作用 运算器符号 气闭时 C2为负号 气开时 C2为正号 双冲量控制系统的其他形式 4 三冲量控制系统 双冲量控制系统无法克服给水干扰的影响 引入给水量 构成三冲 量控制系统 LC 给水 蒸汽 FT I0 IF IC I 前馈 蒸汽流量 单回路控制系统 GC1 Gm GvGPC GmF GPD c1 D IC IF I0 IL L0 c2 LC 给水阀 蒸 汽 水 位 LC 给水阀 蒸 汽 水 位 TdS LC 给水 蒸汽 FT I0 IF IC I FC 97 三冲量控制系统方框图 三冲量控制系统的其它形式 三 蒸汽过热系统的系统 蒸汽过热系统的系统包括一级过热器 减温器 二级过热器 GC1GC2 Gm GmF GP2GPC GmFGPD U IC IF I0 I I F L L0 LC 给水阀 蒸 汽 D 水 位 给 水 W 气闭阀 正 LC 给水阀 蒸 汽 水 位 给 水 气闭阀 正 LC 给水阀 蒸 汽 水 位 给 水 FC 气闭阀 反 正 T1C 第一过热器 T2C 第二过热器减温器 减 温 水 过热蒸汽温度串级控制系统 TC 第一过热器第二过热器减温器 减 温 水 d dt 过热蒸汽温度双冲量控制系统 98 四 锅炉燃烧系统的控制燃烧系统的控制基本要求 使出口蒸汽压力稳定 保证燃烧过程的经济性 保持炉膛负压恒定 1 蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 具有逻辑提减量的比值控制系统 2 燃烧过程的烟气氧含量闭环控制 锅炉的热效率 经济燃烧 最简便的检测方法 是用 烟气中的氧含量来表示 实际上完全燃烧所需的空气量应超过理论空气量 即需有一定的空气过剩量 而氧 含量的多少就表示了空气过剩的大小 PC 空气 蒸 汽 K 燃 料 空 气 FC FC 燃料 PC F1C K F2C HSLS 蒸汽 燃料 空气 反 气开气开 PC 空气 蒸 汽 K 燃 料 空 气 FC FC 燃料 AC O2 最优值 99 3 炉膛负压控制与有关安全保护系统 1 炉膛负压控制系统 2 防脱火和防回火控制系统 11 4 加热炉的控制 加热炉在生产过程中往往是关键的工艺设备 其控制系统应给予足够的重视 其控 制系统的主要作用 维持对物料热传递的效率 维持一可以控制的燃料燃烧效率 保证加热炉操作的安全 加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度及流量 一 加热炉的流量控制 加热炉的流量控制一般有两方面的意义 1 工艺介质的流量平稳为整个工艺的稳定操作提供了有利条件 2 工艺介质流量的平稳为介质温度的自动控制提供了有利条件 加热炉的流量控制 二 加热炉的温度控制1 简单温度控制 蒸汽 P1C PSA LS P2C P3C 燃料 K FC 燃料 原料 FC 燃料 原料 TC 100 2 串级温度控制 a 温度 流量串级控制 b 温度 压力串级控制 c 温度 温度串级控制 d 采用压力浮动阀的控制 FC 燃料 原料 FC TC FC 燃料 原料 PCTC FC 燃料 原料 T1C T2CFC 燃料气 原料 TC P控 P燃 101 3 前馈 反馈控制 三 加热炉燃料系统的控制 加热炉燃料油的压力和雾化情况对炉出口温度有较大的影响 也需要加以控制 控制方案有 a 燃料油与雾化蒸汽压力控制 b 燃料油与雾化蒸汽压差控制 c 燃料油与雾化蒸汽压力比值控制 FT 燃料 原料 TC Gff P1C P2C 燃料油 雾化蒸汽 回流 至喷嘴 PdTPdC 燃料油 雾化蒸汽 至喷嘴 K PC 燃料油 雾化蒸汽 至喷嘴 102 四 加热炉安全联锁保护系统 1 以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护系统 在以燃料气为燃料的加热炉中 主要危险是 1 被加热工艺介质流量过低或中断 此时必须采取安全措施 切断燃料气控制阀 停止燃 烧 否则会将加热炉管子烧坏 使其破裂 造成严重的生产事故 2 当火焰熄灭时 会在燃烧室里形成危险性的燃料气 空气混合物 3 当燃料气压力过低即流量过小时 会产生回火现象 故要保证最小燃料气流量 4 当燃料气压力过高时 喷嘴会出现脱火现象 以至造成灭火 甚至会在燃烧