热水蒸汽共同供热自动控制系统设计

Q260046902 专业做论文中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：热水蒸汽共同供热自动控制系统设计 做论文加260046902 学习中心： 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业： 0409级电气工程及自动化 学生姓名： 陈玉林 学 号： 0451480038指导教师： 韩亚军 职 称： 讲 师 导师单位： 重庆信息工程专修学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 年 月 日中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）任务书发给学员陈玉林 1设计(论文)题目：热水蒸汽共同供热自动控制系统设计2学生完成设计(论文)期限： 年 月 日 至 年 月 日3设计(论文)课题要求：在工业生产中，工艺过程往往要求在一定的温度下进行。因此热交换器的应用是比较广泛的。生产中许多物料要进行预热或加热，如在工艺生产中，工艺介质需加热或预热到给定值，若高于给定值物料会发生分解、自聚，低于给定值会发生凝结。而工业生产中为了冷却，就会产生大量的冷却水（有一定温度的热水），本文就如何通过热交换器利用热水（工业冷却水）余热进行热交换的自动控制系统作了设计，目的是充分利用余热，只有当用热水加热不能满足出口温度要求时，才使用蒸汽补充加热，这是一种节省能源，降低能耗的设计方案。也应合了当今工业生产中节能控制，提高经济效益的指导思想。 4实验（上机、调研）部分内容：第一部分 根据任务书的设计要求，收集、检索相关资料。 第二部分 整理资料、撰写开题报告，提交指导老师进行修改。开始撰写论文的初稿，做相关实验并获取相关数据。 第三部分 与指导老师再次进行对所撰写的论文进行讨论，并做修订，再次核对实验数据，进行论文格式的规范。利用自己的的所学的电路设计软件(PROTEL、EWB、PSPICE等)，去设计图形。利用学校的实验室进行实验操作计算一些数据并记录下来。然后在用Microsoft word 2003排版论文版面和图象处理软件加工文中图表。 5文献查阅：1 历玉鸣化工仪表及自动化北京：化学工业出版社，2002年 2 何离庆，张寿明，朱文嘉过程控制系统与装置重庆：重庆大学出版社，2003年 3 侯志林过程控制与自动化仪表西安理工大学：机械工业出版社，2003年4 王俊杰，王家桢 检测技术与仪表武汉：武汉理工大学出版社，2003年 5 林锦国过程控制系统.仪表.装置南京：东南大学出版社，2002年 6 美 F.G.Shinskey萧德云，吕伯明过程控制系统应用.设计与整定北京：清华出版社，2004年 7 王俊杰，王家桢传感器与变送器北京：清华大学出版社，2004年 8 吴勤勤，黄祯地电动控制仪表及装置北京：化学工业出版社，2001年 9 翁维勤，周庆海过程控制系统及工程北京：化学工业出版社，1996年 10 边立秀，周俊霞，赵劲松等热工控制系统北京：中国电力出版社，2002年 6发 出 日 期： 年 月 日 7学员完成日期： 年 月 日指导教师签名： 学 生 签 名： ii摘要在工业生产中，工艺过程往往要求在一定的温度下进行。因此热交换器的应用是比较广泛的。生产中许多物料要进行预热或加热，如在工艺生产中，工艺介质需加热或预热到给定值，若高于给定值物料会发生分解、自聚，低于给定值会发生凝结。而工业生产中为了冷却，就会产生大量的冷却水（有一定温度的热水），本文就如何通过热交换器利用热水（工业冷却水）余热进行热交换的自动控制系统作了设计，目的是充分利用余热，只有当用热水加热不能满足出口温度要求时，才使用蒸汽补充加热，这是一种节省能源，降低能耗的设计方案。也应合了当今工业生产中节能控制，提高经济效益的指导思想。关键词 余热；利用；自动控制；设计- 1 -目 录摘要1前言41 冷却水的余热利用问题51.1 工厂冷却水中赋存的余热量十分巨大，温度排放易引起严重的热污染51.2 利用工厂冷却水余热的意义52 热交换器自动控制应用理念82.1 传热设备的控制目标82.2 一般传热设备（两侧均无相变化）92.2.1 对象的静态特性92.3 一侧有相变的加热器112.3.1 控制换热器的有效换热面积123 自动控制方案153.1 变量的选择153.1.1 被控变量153.1.2 操纵变量163.2 简单控制方案183.2.1 控制热水（工业冷却水）的流量203.2.2 控制蒸汽流量243.3 分程控制方案263.3.1 分程控制的应用263.3.2 采用分程控制的理由293.3.3 分程控制系统的几个问题303.3.4 采用分程控制的优点和意义313.4 仪器、仪表的选用324 结束语34参考文献35致 谢36- 3 - 第1章 前 言工业冷却水余热的回收利用在国际上已较为普遍。为了保证社会经济的可持续发展和资源的最大限度利用，充分利用热水（工业冷却水）的余热，在一些发达国家已经提出建立“循环型社会”的21世纪发展的重大战略目标，并从工业生产和人民生活的各个方面，在有机关联的多层面予以实施。工业冷却水余热量所占到的工厂燃煤热量的巨大比例。回收这部分热能对于节约能源和煤炭资源的竭尽利用无疑是意义重大的。未来20年，我国将实行“保障供应、节能优先、结构优化、环境友好”的可持续发展能源战略。工厂冷却水余热综合利用的方向正符合这一宏伟的战略目标。在这个宏伟目标中，余热综合利用的自动控制设计起着十分重要的作用。为了实现工厂生产过程自动化，一般要包括自动检测、自动保护、自动操纵和自动控制等方面的内容。生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的。特别是化工生产连续性生产，各设备相互关联着，当其中某一设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其它设备中某些参数或多或少的波动，偏离了正常的工艺条件。为此，就需要一些自动控制装置，对生产中某些关键性参数进行自动控制，使它们在受到外界的干扰的影响而偏离正常状态时能自动的控制而回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统。在工业生产中，自动化技术在对推动工业生产的飞速发展起着十分重要的作用，提高了劳动生产率，获得了巨大社会效益和经济效益。34 - -第一章 冷却水的余热利用问题工业冷却水在冷却过程中向其周围环境释放出极其巨大的余热能量。如此多的废热排放必将造成能量的大量浪费，也使生态环境遭受热污染。因此，我们必须重视工厂冷却水余热的回收与利用。1.1 工厂冷却水中赋存的余热量十分巨大，温度排放易引起严重的热污染我们容易忽视工厂冷却水所含巨大热量弃置于环境可能带来的热污染的危害。因此我们应该重视这方面的问题。对冷却塔冷却而言，其蒸发散热加以风吹影响，使大量热量和水滴进入大气环境，会使空气局部温度、湿度升高。工厂长期运行，失散的热量和水滴会对局部小气候产生影响。对水面冷却而言，温排水对局部受纳水域的水质产生影响，主要表现在水温、溶解氧等指标的变化；对水生生物产生影响，主要表现在改变藻类、鱼类等的生活条件方面；对水域富营养化程度产生影响，主要表现在水温升高可能加剧水中富营养化藻类的生长、溶解氧下降。冷却水废热对水环境的影响较大时，会发生严重的热污染。1.2 利用工厂冷却水余热的意义随着人民生活水平的提高，城市生活及轻工业生产中对中、低温热能的消费越来越多，如：许多工业生产过程都需要70110范围的热能，目前这些热能大都是通过电力或石油、天然气和煤炭等燃料的燃烧来获得。如果利用热泵、热管技术将低品位的电厂余热提高品位向这些工业过程供热，将会节约大量的燃料。这可提高能源综合利用率，符合“总能系统”的操作原则(高品位能做功，低品位能供热)，也可实现工厂燃煤热能、核能的“循环使用”。许多国家都在进行这方面的研究、开发，以充分利用各种类型的余热。能源生产和能源消费所引起的环境问题已经成为制约我国可持续发展的重要问题之一。而未来20年经济翻两番和全面实现小康社会，能源和能源消费所带来的问题同过去20年相比将会更加突出、更加严峻。在当今全球规模的环境问题日趋严重的情势下，以往那种“大量生产、大量流通、大量浪费、大量废弃”的生产模式己经越来越不被人们所接受。因此，应切实关注这一巨大的低温热源的资源效益，在“把节约放在首位，依法保护和合理使用资源，提高资源利用率，实现永续利用”的方针指导下，树立开展电厂循环冷却水余热利用的超前理念，设立专门的组织机构，统一规划，统一管理。将高技术含量的回收利用与一般性回收利用途径结合起来。以高技术为龙头，因地制宜、因时制宜地开展这一余热利用的事业；在宏观监控上，国家应出台鼓励工厂余热利用的政策，对于利用余热进行生产加工的企业给予优先发展的条件，对其产品销售给予优惠；在技术研发上，要研制和开发低成本高效率、能充分利用工厂自身废热能为驱动能的热泵机组，以及开发采用热管这一热超导元件的高效换热装置。随着科技的发展，应逐步加大热泵、热管高技术回用技术在工厂循环冷却水余热利用中的比例。为保障循环水余热利用研究项目的实施，要建立“产学研”一体的技术开发体系，组织示范工程。利用工业冷却水余热，使排放到大气、水域中的热量降低，甚至实现工厂零热排放，可避免热污染发生，这无疑是工厂对周围生态环境保护的极大贡献，经热泵提升温度后的循环冷却水的热量，不仅可用于空调、生活热水、轻工业生产(如：干燥、食品加工、纺织业)，也可返回工厂回热系统，加热给水，提高工厂热效率。因此，无论从工厂循环冷却水所蕴含的巨大热量可作为城市低温热能资源加以再利用；还是从保证工厂安全经济运行，或是从降低冷却水排放热污染影响，进而一定程度削减工厂建设中关于取、排水工程问题难度而言，都应该把循环冷却水热能回收利用的研究提到考虑的日程上来。如图为热水（工业冷却水）余热在热交换器中的应用。图1所示。 热流体 （工业冷却水） 热水 蒸汽 降温水冷流体 图1 冷却水余热利用示意图从图1可以看出，利用工业冷却水的余热在热交换器中加热冷流体的过程，它充分利用了冷却水的余热。在这个控制过程中，首先让控制冷却水的阀全开，此时，当冷流体的出口温度达不到给定值时，再打开蒸汽阀，以满足出口温度的要求。可见，这节省了能源，充分实现了能源的回收利用，降低了能耗。下面就怎样充分利用（工业冷却水）的余热，作进一步的探讨。第二章 热交换器自动控制应用理念 在石油、化学工业生产中，许多单元操作如蒸馏、干燥、蒸发、结晶等，均需根据具体的工艺要求，对物料进行加热或冷却，以维持一定的温度。对于化学反应器来讲，更需要严格控制一定的反应温度，才能使化学反应达到预定的要求。因此，传热过程是工业生产过程中极其重要的组成部分，对传热设备的控制也就显得十分重要。而热交换器在工业生产中是十分重要的传热设备。2.1 传热设备的控制目标在工业生产中，传热设备应用很广，其传热目的有四种：（1）使工艺介质达到给定的温度，以使化学反应或其它工艺过程能很好进行。（2）在过程中加入所需吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规的范围内进行。（3）工艺介质改变相态。（4）回收热能。在传热设备中，大部分为第一和第二目的服务，把其实视为两侧无相变化。多数情况下被控变量为温度，控制变量可视为不同应用选择热量、载体流量等。而对于具有介质相态变化，加热器来讲，介质在工艺流程中伴随相态。改变其控制具有一定选择性，应区别情况对待。在提高经济效益方面，传热设备作为热量传送，热量装置具有重要的地位，这与传热设备的效果直接相关，而热能的回收利用也在工业生产中担当重要的角色。2.2 一般传热设备（两侧均无相变化）传热设备一般以对流传热为主,最常见的传热设备有换热器、蒸汽加热器、在沸器等，其中以间壁式换热器应用最为普遍。这些传热设备在控制中有一些共性，在大多数情况下，都是以工艺介质的出口温度为被控变量。而操纵变量通常是载热体的流量。换热器的目的是为了使工艺介质加热到某一温度，自动控制的目的就是要通过改变换热器热负荷，以保证工艺介质在换热器的出口温度达到给定值。换热器的传热情况从图2可以看出，要从载热体把热量传递到工艺介质，必须先由载热体传给间壁，然后间壁传给工艺介质。 图2 换热器传热情况当换热器两侧流体在换热过程中均不起相变化时，采用控制载热体（工业冷却水）的流量。2.2.1 对象的静态特性 静态特性主要是输入变量、之间的函数关系。 如果用函数形式来表示，则为 (1) 对象的静态特性就是要确定与、之间的函数关系。静态特性的求得，可以作为控制方案设计时系统的静态分析。静态放大系数也能作为系统整定分析以及控制阀流量特性选择的依据。静态特性指导的两个基本方程式热量平衡关系式及传热速率方程式如下：如果忽略传热过程中损失掉的热量，那么热流体放出的热量应该等于冷流体所获得的热量，这样可写出下列平衡方程式： (2)式中，单位时间内传递的热量；分别为载热体和冷流体的流量； 分别为载热体和冷流体的比热容； 分别为载热体的入口和出口温度； 分别为冷流体的入口和出口温度。另外，热量总是从高温物体向低温物体传递，物体间的温差是传热的动力，温差越大，传递速率越大。传递过程中传热的速率可按下式计算： （3）式中，传递函数；传递面积；两流体间的平均温差从传热角度看，冷热流体间的传热量既要符合热量平衡方程式（2），又要符合传热速率方程式（3），所以得出如下方程式： (4)整理后可得 （5）上式表明，假如让传热设备的面积以及进入传热设备的冷流体的进口流量、温度及比热容保持不变，那么影响冷流体出口温度的因素，主要是传热系数及平均温差。而载热体流量的改变能有效地改变传热过程中的,从而也就改变了传热量。所以采用这个方案能满足要求。例如，由于某种原因使进入换热器的冷流体的量增加了，致使冷流体的出口温度降低，那么控制器TC就会开大阀门以增加载热体的流量，载热体的出口温度将要上升，这就必然导致冷流体平均温差上升，根据式（5）可知冷流体的出口温度也将上升，从而使维持所要求的给定值上。所以此种方案实质上是通过改变平均温差来控制工艺介质出口温度的。另外，载热体流量的变化会引起传热系数的变化，由于这种影响不会太大，可以不考虑。换热器的控制方案中应用最为普遍的是改变载热体流量，这种方案最简单，经常用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏，并且载热体上游压力比较平稳的场合。2.3 一侧有相变的加热器在实际生产过程中，经常利用控制蒸汽流量来稳定被加热介质的出口温度。在这种控制方案中假如蒸汽压自身比较稳定可采用简单控制方案。而当阀前蒸汽压力有波动时，它会影响进入加热器的蒸汽流量，此时需要对蒸汽总管的压力进行控制；或者采用串级控制系统以出口温度为主参数，以蒸汽流量（或压力）为副参数。一般来说，设压力定值控制比较方便，但对于除压力波动以外的干扰就不能克服了，而采用温度与流量（或压力）的串级控制，它对于副环内的其余干扰，或者阀门特性不够完善的情况，也能有所克服，这就是串级控制系统的好处。在石油、化工生产中，经常见到利用蒸汽冷凝来加热介质的加热器。这种加热器叫蒸汽加热器，它是利用蒸汽冷凝有气相变为液相时，放出大量的热量，再通过加热器的管壁来加热工艺介质的。假如要将工艺介质加热到200以上或30以下时，经常要使用一些专门的有机化合物作为载热体。蒸汽冷凝的传热过程不同于上一节介绍的两侧均无相变的传热过程。它在整个冷凝过程中温度保持不变但有相变。传热过程分两阶段完成：先冷凝再降温。在一般情况下，由于蒸汽冷凝所发出的热量要比冷凝降温时所发出的热量大的多，所以为简化起见，就不考虑冷凝降温所发出的那部份热量。当仅考虑蒸汽冷凝所发出的热量时，工艺介质吸收的热量应该等于蒸汽冷凝时放出的热量，因此，我们就能写出下列热量平衡方程式： （6）式中，单位时间传递的热量；被加热介质流量；蒸汽流量； 被加热介质比热容； 分别为被加热介质的入口、出口温度； 蒸汽的汽化潜热。传热方程式仍为： （7）式中，、的意义同式（3）。2.3.1 控制换热器的有效换热面积从传热速率方程来看，假如让传热系数和传热平均温差基本保持不变，那么改变传热面积也可以改变传热量，从而达到控制出口温度的目的。有种方案将控制阀装在凝液管线上，通过调节控制阀的开度来控制冷凝液的排出量。如果某种原因使得被加热物料出口温度高于给定值，表明传热量过大，此时可通过控制器的作用将凝液管线上的控制阀关小，蒸汽的凝液就会积聚起来，蒸汽冷凝的有效换热面积F就会减少了，从而传热量也减少了，工艺介质出口温度就会回复到给定值上来；反之；则相反。在这种控制方案中，冷凝液积聚起来达到改变传热面积的过程是一个积分过程，因此调节起来比较迟钝，变化较缓慢。如果工艺介质温度偏离给定值，往往需要很长时间才能回复到给定值。传热面积改变过程的滞后将降低控制质量，有时需设法克服。比较有效的方法就是采用串级控制方案，可以用温度与凝液的液位组成串级控制。也可以用温度与蒸汽流量组成串级控制。由于串级控制系统不但克服了进入副回路的干扰，也能进入主回路的干扰，因此能大大改善对象特性，控制系统品质指标也提高。综上所述，上面介绍的控制蒸汽流量和控制换热器有效换热面积。这两种方案及其它们各自改进的串级控制系统，各有优缺点。控制蒸汽流量的方案优点是简单易行，过度过程时间短，控制迅速，而缺点是需用较大口径的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，当凝液冷却到100以下时，即常压时的沸点以下，蒸汽的冷凝温度降低，加热器一侧会产生负压造成冷凝液的排放不畅，不能均匀的传热。在控制凝液排出量的方案中，控制阀装在凝液排出管线上，蒸汽压力有保证，不会形成上一种方案中出现的负压，但它控制通道长，变化迟缓，且需要有较大的传热面积富裕量。由于传热过程变化缓慢，因此可以防止局部过热，所以对一些过程后会引起化学变化的介质比较适用。另外，蒸汽冷凝后变成凝液，它的体积比蒸汽体积小很多，那么控制系统中的阀门尺寸可以小一点。由于本次设计方案，就是一种废物利用，就是为了节约设计成本，而且能起到迅速控制简单易行的意图，因此选用控制蒸汽流量的方法。第三章 自动控制方案在工业生产中，为了使工艺介质达到给定的温度，可以采用三种控制方案。其中控制热水（工业冷却水）流量及控制蒸汽流量的简单控制系统。还有采用热水和蒸汽共同供热的分程控制系统。本次自动控制设计主要是以工业冷却水的余热利用为指导思想。目前，我国普遍存在能源利用率低，浪费严重等现象。尤其在北方冬季取暖期，由于控制系统落后，空房取暖现象十分严重，造成大量不必要的浪费。因此，工业冷却水的余热应用于居民小区热水供应收到了良好的成效，既节约了能源，又给使用者带来了显著的经济效益，具有广阔的应用前景。3.1 变量的选择由于分程控制系统本质上是简单控制系统，变量的选择也就与简单控制系统基本相似。也就是说以上所述的三种控制方案，参数的选择可以是一致的，只是在一些参数的选择上有些不同。3.1.1 被控变量生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要。它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。如果被控变量选择不当，不管组成什么形式的控制系统，也不管配上多么精密先进的工业自动化装置，都不能达到预期的控制效果。在热水蒸汽共同供热的热交换器的控制系统中，就是要使冷流体口温度达到给定值。从整个控制过程来看，冷流体口温度T是可以测量出来的，能够及时的与给定值进行比较，做出偏差值，及时的控制生产工艺。温度T是整个控制对象的输出信号，是可以独立控制的。综上所述，物料的出口温度T在这个控制中起着关键作用，它与给定值的比较影响着整个控制回路的运转，因此，出口温度T就是被控变量。3.1.2 操纵变量 在自动控制系统中，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有那些因素会影响被控变量发生变化的。一般来说，影响被控变量的外部输入有若干个而不是一个，在这些输入中有些是可控的，有些是不可控的。原则上，是在诸多影响下被控变量的输入中，选择一个对被控变量影响显著而可控性良好的输入，作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。从工艺分析可知，影响冷流体温度的主要因素有：进料的流量（），进料热流体温度（），蒸汽压力的变化（P），加热器内部传热系数（K）或 环境温度的变化（），蒸汽流量（），热水流量（）等等。这些因素都会影响被控变量（）的变化。如图3所示。 PK T 被控变量 图3 影响冷物料出口温度的各种因素示意图 现在的问题是选择那一个变量作为操纵变量。为此，可先将这些影响因素分为两大类，即可控的和不可控的。从工艺角度看，本系统中只有热水和蒸汽流量为可控因素，其他一般为不可控因素。当然，在不可控因素中，有些也是可以调节的。如 、蒸汽压力P等，只是工艺上一般不允许这些变量去控制物料的出口温度（因为 的波动意味着生产负荷的波动；蒸汽压力的波动意味着该交换器的工况不稳定，并会破坏温度与成分的单值对应关系，这些是不允许的。因此，将这些影响因素也看成是不可控的因素）。在两个可控因素中，在简单控制系统中，蒸汽流量或热水流量对物料出口温度来说是及时、显著的。因此将两者分别作为操纵变量。但对于分程控制系统中，本控制方案，主要就是利用工业冷却水供热是一种节能方案。首先控制工业冷却水流量达到工艺要求再控制蒸汽流量。由此来看，两者都很重要，都可以作为操纵变量，只是有先后关系。 前面已经说过，在诸多影响被控变量的因素中，一旦选择了其中一个作为操纵变量，那其余的影响因素都成了干扰变量。操纵变量与干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量变化的。图4是其示意图。 干扰通道 干扰 操纵变量被控变量 控制通道 图4 干扰通道与控制通道的关系干扰变量由于干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。这是对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与对象特性有密切的关系。因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特性，以提高控制系统的控制质量。3.2 简单控制方案简单控制系统是由一个调节器、一个变送器（测量仪表）、一个执行器（调节阀）和被控制物理对象所组成的控制系统。图5是该系统的方框图。调节器（TC）执行器（气动调节阀）对 象（换热器）测量元件及变送器（TT） 干扰f 偏差E P Q 给定值R 温度（T） 测量值Z图5 换热器温度控制方框图由于控制系统行号流只有一个回路，因此也称单回路控制系统。从图5还可以看出，在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的，这是简单反馈系统的又一特点。简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少投资低操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。因此，这种控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用。据某大型化肥厂统计，简单控制系统约占控制系统总数的85%左右。简单控制系统是最基本的，应用最广泛的系统。下面简要介绍控制系统的各个组成部分。1. 被控对象从图5看到，该控制系统由一个被控变量，即换热器被加热的出口温度T，一个被控对象，即换热器；一个调节变量，即载热体（热水或蒸汽）的流量。调节变量是被控对象的输入信号，被控变量是被控对象的输出信号。从控制方框图的角度看，被控对象换热器只有一个输入信号和一个输出信号。换热中其他对被控变量T具有影响作用的因素都看作为干扰，干扰有时在方框图上不标出。 2. 调节器 实际的调节器包括方框图中的比较部分和调节器方块两部分，即用虚线框起来的部分。调节器可以是电动型、型或S型调节器，甚至是工控计算机。它们的输出信号都是电信号，可通过一只电气转换器。将信号送至气动调节阀，也可以直接将电信号送至带电气阀门定位器的气动调节阀。调节器的输入信号是由测量及变送单元送来的被控变量温度T的测量值的信号，给定值与测量值的偏差送给调节器方块作为输入信号。调节器方块实现各种调节规律，调节规律是调节器输入信号与输出信号之间的数学关系。常规的非数字式调节器包括比例（P），比例积分（PI），比例微分（PD）和比例积分微分（PID）四种调节规律。设置偏差E上升，P也上升。E下降，P也下降。 3. 测量变送单元 由于要面对各种被测量信号及其环境，所以构成该单元的仪表，比较复杂多样。但从控制系统功能分析角度看，这一部分又最简单，就是把被控变量测量出来并转换为调节器可以接受的信号。方框图中所标的被控温度T是真实值，但这个真实值是无法确知的。我们所看到的仅仅是被控变量T的测量值Z。设置为T上升，Z也上升。T下降，Z也下降。 4. 执行器 过程控制中，执行器以气动执行器居多，电动执行器的用量在增加，但总量较少。气动执行器接受调节器发出的控制信号，使阀门处于一个相应的开度，调节变量也就有一个相应的流量作用于被控对象上，执行器还可以根据控制系统的要求改变特性和作用方向。设置为P上升，Q也上升。P下降，Q也下降。3.2.1 控制热水（工业冷却水）的流量工业冷却水长期排放，浪费大。这些冷却水都有一定的余热，可以利用这些余热通过热交换器对（工艺介质进行预热）或对水加热，达到一定的温度，用于小区热水供应进行洗澡和清洗过程。在北方地区应用将更为普遍，冬季气温较低。工业上许多地方都可以利用冷却水的余热。现在就设计了直接利用冷却水余热的控制方案，控制冷却水的流量对其加热。如图6所示。这种控制方案虽然充分利用了冷却水的余热，但它毕竟是余热，可能达不到给定值。这种情况就得引起我们的重视。 这个自动化控制系统，虽然自动化装置少，投资低，但可靠性不是很好，因此它不是本次设计中的最佳方案。TC 热水（冷却水） 热流体 冷流体 图6 控制热水流量的控制方案 图中：为热流体出口温度； 为热流体在单位时间内带走的热量； 为冷流体进口温度； 为冷流体流量； 为热流体在单位时间内带入的热量； 为热水在单位时间内带入的热量。 由于热水相对于冷流体的耗用量较少，当过程处于原有稳定状态时，可近似认为。若流体的比热容为，近似作常数处理，且忽略热损，单位时间内输出过程的热量，即 （8） 在这一传热过程中，把热水流量作为操纵变量比较容易确定，而扰动则可以是冷流体的进口温度、流量、成分的变化，这里暂且假定为冷流体进口温度的变化。 当热水（工业冷却水）带入的热量和冷流体温度作阶跃增加时，必将导致过程蓄热量的变化，其热量平衡方程为 （9）式中 为过程蓄热量的变化率； 为热水流量的增量； 为热流体出口温度的增量； 为冷物料进口温度的增量。 若过程总的热容量表示，则过程的蓄热量为 于是 + 将上式两边除以，得 （10） 令 ， 则有 （11）若，则得过程控制通道的动态方程 （12）若，则得过程扰动通道的动态方程 （13）上式中， 为传热过程控制通道或扰动通道的时间常数； 为传热过程控制通道的放大系数。 由液位过程和传热过程可得出控制通道的动态方程为 （14） 扰动通道的动态方程为 （15）在式14、15中，、和分别为控制通道、扰动通道的时间常数和放大系数。 令，则式14、15可写成 过程的输出与输入之比称为过程的传递函数，一阶过程控制通道的传递函数为 （16）扰动通道的传递函数为 这种控制方案虽然充分利用了冷却水的余热，但它毕竟是余热，可能达不到给定值。这种情况就得引起我们的重视。 这个自动化控制系统，虽然自动化装置少，投资低，但可靠性不是很好，因此它不是本次设计中的最佳设计方案。3.2.2 控制蒸汽流量这种蒸汽加热器温度控制系统，采用控制蒸汽流量而使出口物料温度达到给定值。如图7所示。蒸汽在传热过程中起相变化，其传热机理是同时改变传热速率方程中的和传热面积。当加热器的传热面没有富裕时，以改变为主；而传热面有富裕时，以改变传热面为主。这种控制方案控制灵敏，但是当采用低压蒸汽作为热源时，进入加热器内的蒸汽一侧会产生负压。此时，冷凝液将不能连续排出，采用此方案就需谨慎。 D 图7 控制蒸汽流量的控制方案当进料流量或温度变化等因素引起出口物料温度变化时，可以将该温度变化测量后送至温度控制器TC。温度控制器的输出送至控制阀，以改变加热蒸汽流量来维持出口物料的温度不变。这时被控对象是加热器，被控变量是出口物料的温度。干扰作用可能是进料流量、进料温度的变化、加热蒸汽压力的变化、加热器内部传热系数或环境温度的变化。此次控制的任务是保证外界热水用户负荷要求的前提下使出口物料的温度等于温度给定值。如果在实际的过程中引进进入加热器的蒸汽流量变化的原因除了调节阀开度变化使蒸汽流量变化外还有变化频繁且幅度较大的扰动。如：加热蒸汽压力变动大且频繁。因此，在调节阀开度不变时仍会引起蒸汽流量的变化，这样，它将引起出口温度变化，从而引起系统的不断调节动作，无法保证。同时，调节动作使发生变化，它的调节效果即对出口温度的影响只能从出口温度上反映出来。如果，对象在内扰下的动态特性具有较大的延迟及惯性，改变时要经历较长时间才能从出口温度的变化上了解调节效果。所以，控制总是不及时，会引起被调量在动态过程中出现较大的动态偏差，或出现调节过头的现象。在实际过程中热水用户的用水负荷有频繁及大幅度的扰动（外部扰动），那么，这些扰动也要经后才会在出口温度上反映，再通过控制系统工作去使。此时此控制系统很难保证控制性能指标要求，此设计方案不适用。由于蒸汽的温度较高，可能会使出口物料的温度高于给定值。在工业上，有些地方只是使出口物料预热一下，使温度在不是很高工况下就可以使用。因此这种设计不是最佳设计方案，它不利于工业应用中的普及，而且出口温度很容易高于给定值。3.3 分程控制方案上述所采用的简单控制系统虽然简单方便，成本低。但是控制的出口温度与给定值比较不是偏高就是偏低，且也不能充分利用热水（冷却水）的余热，浪费能源。为此就设计了又能充分利用冷却水的余热又能达到给定值的节能控制系统，即分程控制。在工业生产过程中，冷流体通过热交换器用热水（工业冷却水）和蒸汽对其进行加热时，当用热水加热不能满足出口温度要求时，则再同时使用蒸汽加热。即所述的分程控制系统。3.3.1 分程控制的应用在反馈控制系统中，通常是一台控制器的输出只控制一台控制阀。然而分程控制系统则不然。在这种控制系统中，一台控制器的输出可以同时控制两台甚至两台以上的控制阀。在这里，控制器的输出信号被分割成若干个信号范围段，由每一段信号去控制一台控制阀。由于是分段控制，故取名为分程控制系统。 分程控制系统的方框图如图8所示。、控制阀A对象控制器 给定值控制阀B 测量、变送TTTC图8 分程控制系统的方框图 热流体 （工业冷却水） 热水 蒸汽 降温水 冷流体（a）W(s) X(s) + - Y(s) Z(s) (b) 图9 温度分程控制流程和方框图分程控制系统中控制器输出信号的分段一般是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。阀门定位器相当于一台可变放大器，且零点可以调整的放大器。如果在分程控制系统中采用了两台分程阀。在图8中分别为控制阀A和控制阀B, 将执行器的输入信号0.02Mpa0.1Mpa分成两段，要求A阀在0.02Mpa0.06Mpa信号范围内作全行程动作（即由全关到全开或由全开到全关）；B阀在0.06Mpa0.1Mpa信号范围内作全行程动作。那么，就可以对附设在控制阀A、B上的阀门定位器进行调整，使控制阀A在0.02Mpa0.06Mpa的输入信号下走完全行程。这样一来，当控制器输出信号小于0.06Mpa范围内变化时，就只有控制阀A随着信号压力的变化改变自己的开度，而控制阀B处于某个极限位置（全开或全关），其开度不变。当控制器输出信号在0.06Mpa0.1Mpa范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置开度不再变化，控制阀B的开度却随着信号大小的变化而变化。这种自动控制设计将非常有利于热水（工业冷却水）余热的回收利用。如图9所示，A阀用来控制热水的开度，B阀用来控制蒸汽流量的开度，它们都是接收到传送来的气动信号而改变开度的。蒸汽的温度相对要高一些，它可以满足更高温度的需要。余热得到最大限度的利用，而温度给定值又达到了，因此它的利用将在很多方面得到改善。这种充分利用热水余热的温度分程控制的设计，把冷却水的余热利用发挥到了极限。比如在工厂利用此热量加热，为居民提供生活热水，方便人们洗澡、清洗之类的事情。当要求较低温度时，只需减少热水流量，少量余热也就被利用了。当温度要求较高时，将A阀开到最大，充分利用冷却水的余热。这种节能控制将会带来很大的经济效益和社会效益，它的市场前景将会很广阔。3.3.2 采用分程控制的理由1. 用于节能控制：即通过分程控制手段减少能量消耗，提高经济效益。在本系统中，蒸汽阀和热水阀均选用气开式，调节器为反作用。在正常情况下，热水阀全开仍不能满足出口温度要求时，调节器输出信号同时使蒸汽阀打开，以满足出口温度的要求。可见采用分程控制，可节省能源，降低能耗。2. 用于扩大调节阀的可调范围，改善调节阀的工作特性。在有些工业生产中，要求调节阀工作时，其可调范围比较大，而目前同一设计的柱塞式调节阀，其可调范围一般在30左右，因此能满足小流量就不能满足大流量，反之亦然。解决的办法是设计和应用分程控制，将两个调节阀当作一个调节阀使用，扩大其可调范围，改善其特性，以满足其工艺要求。设调节阀的可控制最小流量为，可流量控制最大，则定义： 式中，R称为阀门的可调比或可调范围 阀门开度% 100 A B 0 0.02 0.06 0.1 p/ 图10 阀门的分程控制特性 在图10中两只阀门均为气开特性，设可控制最大流量,均为200，R=30，可控制最小流量= R=6.67。 当两只阀门以分程方式工作时，A阀工作于控制信号的0.02Mpa0.06Mpa段，B阀工作于控制信号的0.06Mpa0.1Mpa段。这时对于这两只阀门并联而成的起分程控制作用的整体来说： 可控最小流量 =6.67可控最小流量 = + =400 则有 可见，可调比增加了一倍。如果A阀的较小，B阀的较大，则可调比增加的更多。这样也就保证了冷流体在换热器中的温度可调范围也增加了。这能满足不同生产阶段的温度要求，达到了自动控制的需要。3.3.3 分程控制系统的几个问题(1) 控制阀流量特性要正确选择。因为在两阀分程点上，控制阀的放大倍数可能出现突变，表现在特性曲线上产生斜率突变的折点，这在大小控制阀并联时尤其重要。如果两控制阀均为线性特性，情况更为严重。见图11（a）。如果采用对数特性控制阀，分程信号重叠一小段，则情况会有所改善，如图11（b）所示。 Q / % 100 50 0 0.02 0.06 0.1 P入/Mpa(a)线性阀 Q / % 100 50 0 0.02 0.06 0.1 P入/Mpa (b ) 对数阀 图11 阀门特性（2） 大小阀并联时，大阀的泄漏