1、,传热设备的控制,传热设备概述,在许多工业生产过程中，例如蒸馏、干燥、蒸发、结晶、反应和冶金等，均需要根据具体的工业要求，对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。对于化学反应，为了使反应能达到预定要求，更需要严格控制一定的反应温度，这也要依靠冷却或加热才能实现。因此，对传热设备的控制也就显得格外重要。 工业上用以实现冷热两流体换热的设备称为传热设备。,传热设备概述,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分 无相变情况下的加热与冷却；相变情况下的加热与冷却 4、从结构来分
2、 列管式、蛇管式、夹套式和套管式 一般传热设备：换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器 （对流传热） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等,典型的传热设备,换热器,加热炉,锅 炉,传热设备概述,传热设备的结构类型,列管式换热器,蛇管式换热器,套管式换热器,夹套式换热器,传热设备概述,传热设备的控制要求 1、传热目的 使工艺介质达到规定的温度； 使工艺介质改变相态； 回收热量。 2、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。,换热器的静态特性,问题：针对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
3、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。,换热器的静态特性,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/单位时间= 载热体放出的热量/单位时间,热平衡方程,传热速率方程,K 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.,换热器的静态特性,对于逆流单程换热器，可取对数平均值,若,在1/3 3 之间，则可用算术平均近似,考虑,换热器的静态特性,换热器的静态特性,严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。,换热器的控制方案,换热的目的 使工艺介质达到规定的温度以使生产过程正常进行； 如：重油催化裂化
4、原料油预热，要求温度在160-220之间。 在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量； 如：催化裂化再生器温度控制。 在工艺过程中改变物料状态； 如：常减压装置加热炉。 热量回收。 如：分馏塔塔底换热器。,换热器的控制方案,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。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。,换热器的控制方案,调载热体的流量,目的：改变传热速率方程中的传热系数K和平均温差Tm 。 载热体在传热过程中不发生相
5、变，主要改变传热系数； 载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。,特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小的场合。,换热器的控制方案,调载传热平均温差,目的：改变液氨压力和对应的平衡温度。注意：气氨出口调节阀的作用 阀开度变化时，汽化温度的变化改变了传热平均温差。液位控制回路的目的：维持液位不超限，保证足够的蒸发空间。特点：滞后小，反应迅速。,换热器的控制方案,调传热面积,当 不变时，改变 可以改变传热量。调节阀的安装位置和作用： 位置：出口(冷凝液)管线上 作用：开度变化，液位变化，面积变化缺点：冷凝液液位影响传热面积，变化缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于控制器参数
6、整定，影响调节品质。适用场合：适用于传热量小、被控温度较低的场合。,换热器的控制方案,缺点：载热流量高负荷，不经济,问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求，如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？,将工艺介质分路-旁路/混合方案,部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。特点：反应迅速及时,该方案不适用于介质流量较大的场合，适合于能量回收系统。,加热炉的常规控制方案,加热炉是炼厂主要设备，有箱式、立式、圆筒式。控制要求都很严格，另外要求有较高的热效率，能耗大。 对象特性 传热以辐射为主，对流为辅，油在管内剧烈变化，过程较复杂，难以从机理建模，工程上都采用测试法获得经验模型，可用一阶惯性纯滞后
7、环节近似表达。特点 容量滞后和纯滞后大。,加热炉的常规控制方案,被控变量：工艺介质的出口温度。控制变量：燃料油或燃料气的流量。主要干扰： （1）工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）； （2）燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。,加热炉的常规控制方案,单回路控制 出口温度反馈控制 问题：当燃料、蒸汽波动较大时， 油压/蒸汽压变化大，雾化不良， 燃烧不好。 改进方案： （1）油汽压力差控制 （2）压力比值控制,加热炉的常规控制方案,出口温度串级控制 对于加热炉滞后大，要求严格的对象，应考虑串级控制，根据串级设计原则，可有几种方案： （a）炉
8、出口温度燃油（气）流量串级控制 （b）炉出口温度燃油压力串级控制 （c）炉出口温度炉膛温度串级控制 （d）采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制,加热炉的常规控制方案,炉出口温度炉膛温度,炉出口温度燃油（气）流量,加热炉的常规控制方案,炉出口温度燃油压力,采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制,例1：催化裂化装置加热炉的自动控制系统,工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。要求：炉出口温度稳定。,温度控制：炉出口温度对燃料阀后压力串级控制,负荷控制：单回路流量控制,燃料干扰：单回路压力控制,例2：炼厂常压装置中加热炉的自动控制系统,工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。要求：炉出口温度稳定。
9、,温度控制：炉出口温度对炉膛 温度的串级控制,负荷控制：单回路流量控制,燃料干扰：单回路压力控制,加热炉的安全联锁保护系统,1、以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护危险：（1）被加热工艺介质过少 或中断，烧坏管子。（2）脱火现象，燃气 混合物爆炸。（3）回火，燃压过低。（4）炉内熄火。,加热炉的安全联锁保护系统,1、以燃料油为燃料的加热炉安全联锁保护危险：（1）进料流量过低或中断；（2）燃料油压力过高会脱火，过低会回火；（3）雾化蒸汽压力过低或中断； 因此在这里设置联锁保护系统基本上与燃料气为燃料的加热炉相似，仅是原来的火焰检测器BS换成雾化蒸汽压力过低联锁保护系统。,锅炉汽包水位的动态特性,概
10、述,燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统,锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响,作用：,分类：,锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质（煤、油、气）、压力（高、中、低）,结构：,锅炉汽包水位的动态特性,工艺流程,锅炉汽包水位的动态特性,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。,锅炉汽包水位的动态特性,干扰通道特性（蒸汽负荷）,控制通道特性（给水量）,锅炉汽包水位的动态特性,“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
11、； 虚假水位现象属于反向特性，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。,锅炉汽包水位控制,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。 水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化。 水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行。 所以，必须对汽包水位进行严格的控制。,锅炉汽包水位控制-单冲量水位控制,方案如图：适用于负荷变化平稳，幅度小。若假水位严重，则H的影响： 当D时，由于假水位H，使G。 当假水位消失时，由于D，使水位大幅度下降，如此使H变化较大。 当D变化较大时，往往使调节阀全开或全关。G、H波动都大
12、，甚至发生危险。,锅炉汽包水位控制-双冲量水位控制,(1) FFCFBC 前馈反馈控制 引入蒸汽流量信号作前馈，可以抑制“假水位”误动作。一般用静态前馈即可。,C1：取1,决定控制器增益。C0：偏置量， 可用C0抵消C2PD静态分量，使加法器输出有适当值。C2：当气关阀时，取“” 当气开阀时，取“+”C2的大小，即静态前馈系数，也可以近似计算,对线性调节阀： 其中 蒸汽变送器量程； 给水变送器量程； 变送器的输出范围。 取 思考：注意，双冲量仍有假液位，只是减误动作（以至消除） ，相应加大，使第二波峰减小。,锅炉汽包水位控制-双冲量水位控制,锅炉汽包水位控制-双冲量水位控制,（2）双冲量水位控
13、制（加法器在控制器之前）如图，采用双通道输入控制器省加法器。不能用PI作用，否则有余差。PI规律 原稳定 新稳定， ，用PI作用 ， 不变 有余差，PI规律时，有余差。,锅炉汽包水位控制-三冲量控制系统,原因：当给水压力有波动；阀门非线性，影响补偿效果。所以可以引入给水信号，构成三冲量控制。,（1）串级加前馈，方案（一）,锅炉汽包水位控制-三冲量控制系统,锅炉汽包水位控制-三冲量控制系统,（2）方案（二）,加法器在控制器之前，用多输入通道控制器（省加法器）,锅炉汽包水位控制-三冲量控制系统,（3）方案（三）,锅炉汽包水位控制-三冲量控制系统,锅炉燃烧系统的控制,任务（1）出口蒸汽压力（2） 控
14、制， 控制，空/燃比控制（3）负压（4）安全保护，脱火，回火，熄火。,锅炉燃烧系统的控制,出口压力与燃料控制 （1） 单回路控制特点：压力对燃料量的单回路控制适用于负荷及燃料 波动较小的场合，而燃料量波动较大时，可采用压力对燃料量的比值和串级控制。,锅炉燃烧系统的控制,出口压力与燃料控制 （2）并联式空燃比控制特点：各自动态时，比值不严格。,出口压力与燃料控制 （3）串级式空燃比控制 压力对燃料量的串级，送风量随燃料变化的比值控制。特点：送风量滞后于燃料量。 *上述方案都没能实现锅炉燃烧系统中的逻辑提降问题。,锅炉燃烧系统的控制,锅炉燃烧系统的控制,逻辑提量比值控制 保持比值有个先后的问题，蒸
15、汽压力是控制目标，燃料是调节量，如图所示，锅炉燃烧系统，要求Fuel/air比值一定。同时要求 增加Fuel时，先增加air量，降Fuel时，先降Fuel，后降air。,锅炉燃烧系统的控制,氧含量控制 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。,锅炉燃烧系统的控制,负压控制 炉膛负压的操作手段是控制引风量。当负荷变化较大时，单回路难于满足要求，可采用前馈反馈控制，在引风量回路中引入送风量的前馈或蒸汽压力的前馈。,（1）炉膛负压控制系统（2）防脱火和防回火控制系统,
