第九章1传热设备的控制

1、2021-9-231第九第九 章章典型化工单元的控制典型化工单元的控制传热设备的控制传热设备的控制 2021-9-232内 容n 引 言n热交换过程的静态特性n换热设备的控制n加热炉的控制n锅炉设备的控制（自学）2021-9-233n传热设备传热设备：工业生产过程中，用于进行工业生产过程中，用于进行热量交换热量交换的设备的设备 或工业上用以或工业上用以实现冷热两流体换热实现冷热两流体换热的设备的设备2021-9-234 2021-9-235 控制要求：控制要求：2021-9-236两侧均有相变两侧均有相变2021-9-237热交换过程的静态特性G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1

2、, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体问题问题：针对逆流单程列管式逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2分别为相应介质的比热。2021-9-238热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即被加热物料得到的热量被加热物料得到的热量/单位时间单位时间= 载热体放出的热量载热体放出的热量/单位时间单位时间)(11111ioTTGcq22222()ioqc G TT21qq G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i

3、, c1G2, T2o , c2工艺介质载热体2021-9-239热交换过程的传热速率方程热交换过程的传热速率方程mmTKFqK 为传热系数；Fm 为传热面积；Tm 为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在1/3 3 之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTTG1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体2021-9-2310热交换过程的静态方程热交换过程的静态方程)(2)()(11111212ioo

4、iiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioiiiomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiio2021-9-2311热交换过程的静态特性分析热交换过程的静态特性分析iiioTTTTy1211mKFcGx111mKFcGx2222111211xxxy01234567800.10.20.30.40.50.60.70.80.91yx1 = 0.5x1 = 1.0 x1 = 2x1 = 4x2严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀等百分数阀。2021-9-

5、2312换热设备的控制换热设备的控制方法n被控变量被控变量(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；(2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸器的蒸发量。n控制变量控制变量(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差；(3) 调传热面积； (4) 将工艺介质分路，一路经换热，另一路走旁路。2021-9-2313换热设备的控制方案凝液蒸汽TCTCLC氨气液氨TC蒸汽凝液TC载热体工艺介质2021-9-2314加热炉的控制问题n被控变量被控变量：工艺介质的出口温度。n控制变量控制变量：燃料油或燃料气的流量。n主要干扰主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力

6、、流量、成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。n对象特性建模方法对象特性建模方法：定性分析+实验测试，通常可用一阶加纯滞后环节来近似。2021-9-2315加热炉的单回路控制FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质2021-9-2316加热炉的串级控制TCTC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC采用浮动阀的控制方案气2021-9-2317催化裂化加热炉的控制系统FCFCTCPCPCPC自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气( 热裂解气 )2021-9-2318加热炉的安全联锁保护系统TCPCLSGL2BSGL1燃料

7、进料出料LS：低选器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。2021-9-2319锅炉设备的工艺流程(自学 )热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)2021-9-2320锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。2021-9-2321汽包水位的控制问题n被控变量：汽包水位，用H (s)表示n控制变量：汽包给

8、水量，用G (s)表示n主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示n通道对象：非自衡、非最小相位、非线性等特性2021-9-2322汽包水位的对象特性DHH 0HH 2H 1ttGHHH 1tt干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsHsesKsGsH0)()(2021-9-2323非最小相位特性1)()(221sTKsKsDsH) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为02120TKKT2021-9-2324汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水20

9、21-9-2325液位非自衡对象响应测试（1）手动改变控制器的输出信号u(k)，观察被控变量y(k)的变化过程。（2）由阶跃响应曲线得到对象基本特征参数 。2021-9-2326非自衡对象特征参数的获得 Kp (稳态输出斜率)：minmax01minmax1212)()(1uuuuyytytyttKp其中umax、umin与 ymax、ymin为输入输出的量程上下限；若巳归一化，则 umax umin =1, ymax ymin =1。 T0 (纯滞后时间)：2021-9-2327非自衡对象PID控制系统稳定性分析sTpcesKKsG01)(wjTpcejwKKjwG01)(开环传递函数：R(

10、s)Y(s)+_sTpesK0Kc稳定条件：1/)()2()(0cpccccwKKjwGwTjwGpcKTK0202021-9-2328非自衡对象PID参数整定原则将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方式，并适当改变控制回路的设定值，观察控制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调存在，则适当加大Kc值，例如增大到原来的两倍；反之，则减小Kc值。0;)205(;100dipcTTTKTK2021-9-2329汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFC1PC +C2PF+C0前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。2021-9-2330汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFFCLC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC +C2PF+C02021-9