换热器温度控制系统.docx
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换热器温度控制系统
1.E-0101B混合加热器设计
为确保混合加热器（E-0101B）中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。
为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。
1.1换热器概述
换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。
常用的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。
它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
1.2换热器的分类
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：
一按传热原理分类：
间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器
二按用途分类：
加热器，预热器，过热器，蒸发器
3、按结构分类：
浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等
此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出口温度为473K，所以我们经过调查研究，综合比较之后选择了管壳式（又称列管式）换热器。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。
在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
管束的壁面即为传热面。
1.3换热器的用途
换热器又叫做热交换器（heatexchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。
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。
1.4换热器的工作原理及工艺流程图
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管程和壳程，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。
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。
图1换热器温度控制系统工艺流程图
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。
2.控制系统
2.1控制系统的选择
由于本次设计的任务控制换热器被加热物料出口温度，工艺过程主要就是冷热流体热交换，且外来干扰因素主要是载热体的流量变化，故选择单回路控制系统便可以达到预定的控制精度。
2.2工艺流程图和系统方框图
单回路控制系统又称为简单控制系统，是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个控制器所构成的闭合系统。
单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般的一般生产过程的控制要求，因此在生产过程中得到广泛的应用，其方框图如下图所示。
图2、单回路控制系统方框图
其中，被控变量：
被加热物料的出口温度；操纵变量：
载热体的流量。
如图所示：
测量元件及变送器对冷物料出口温度进行测量，得到测量值Ym并传送给调节器，调节器把Ym与内部给定值Ys比较得到偏差信号e按一定的调节运算规律计算出控制信号，并将控制信u号传送给执行器，执行器接收到控制信号u，自动的改变阀门的开度，改变蒸汽的流量。
2.3、被控对象特性研究
换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。
通常它两侧的介质（工艺介质和载热体）在换热过程中均无相变。
换热器换热的目的是保证工艺介质加热（或冷却）到一定温度。
为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。
2.4被控变量的选择
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.
2.5操纵变量的选择
在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。
将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度的有很多因素，比说冷物料的流量，载热体的流量，载热体的温度等。
冷物料是工艺所需要的，不能选用冷物料作为被控变量，而若选载热体温度作为操纵变量，改变其温度还需改变其他工艺过程如锅炉的温度，考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。
2.6被控对象特性
换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案的控制流程图如图3。
图3换热器的温度控制系统工艺流程图
为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：
式中，q为传热速率（单位时间内传递的热量）；G为质量流量；c为比热容；T为温度。
式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i为入口；o为出口。
传热过程中的传热速率为：
式中，K为传热系数；F为传热面积；
为两流体间的平均温差。
其中，平均温差
对于逆流、单程的情况为对数平均值：
当
时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为：
由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系
整理后得
从上式可以看出，在传热面积F、冷流体进口流量
、温度
和比热容
一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K以及平均温差
。
2.7调节器调节规律的选择
调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e（t）进行比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）或比例积分微分（PID）运算，并输出信号到执行器。
选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
比例控制规律（P）是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。
在一般情况下控制质量较高，但最后有余差。
对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。
比例控制规律（P）的微分方程数学模型为：
比例积分（PI）控制规律，结合了比例控制反应快，积分控制能消除余差。
但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。
通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。
比例积分（PI）控制规律的微分方程数学模型为：
比例微分（PD）控制规律，由于引入微分，具有超前作用，对于被控过程具有较大容量时延的场合，会大大改善系统的控制质量。
但是对于时延很小，扰动频繁的系统，由于微分作用会使系统产生振荡，严重时会使系统发生事故，所以应尽可能不用微分作用。
比例微分（PD）控制规律的微分方程数学模型为：
比例积分微分（PID）作用是一种理想的控制作用，一般均能适应不同的过程特性。
当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用的调节器。
比例积分微分（PID）控制规律的微分方程数学模型为：
其中：
：
为调节器的输出号
：
放大倍数
：
积分时间常数
：
微分时间常数
：
设定值与测量值偏差信号
通过以上几种调节规律的分析及本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分（PID）控制规律。
3、过程检测控制仪表的选用
3.1测温元件及变送器
根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。
热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。
热电偶温度计有以下特点：
①测温精度高、性能稳定；
②结构简单，易于制造，产品互换性好；
③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；
④测温范围广，可达-200~2000℃；
⑤形式多样，适用于多种测温条件；
被控温度在500℃以下，由[1]表3-5选用铂热电阻温度计，为了提高检测精度，应采用三线制接法，并配用DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。
DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：
①测量范围最小量程3mV，最大量程60mV；零点迁移-50~+50mV。
②基本误差
③温度特性环境温度每变化25℃，附加误差不超过千分之五。
④恒流性能当负载电阻在0~100Ω范围变化时，附加误差不超过千分之五。
⑤防爆指标结构为安全火花型；防爆等级为HⅢe；防爆额定电压为220VAC/DC。
其优点有以下几点：
①采用了低漂移、高增益的线性集成电路，提高了仪表的可靠性、稳定性和各项性能指标。
②在热电偶温度变送器中用线性化电路，使变送器输出信号与被测温度信号保持了线性关系。
③线路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全栅的功能。
3.2执行器
根据生产工艺原则以及被控介质特点，选用电动执行器。
电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。
电动执行机构又可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。
按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。
根据工艺条件及流体特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。
DKZ系列直行程电动执行器是由DKZ直行程电动执行机构与直通单座调节阀或直通双座调节阀组装而成的，具有推力大、定位精度高、反应速度快、滞后时间少、能源消耗低、安装方便、供电简便、在电源突然断电时能自动保持调节阀原来的位置等特点。
DKZ系列直行程电动执行器主要技术参数
输入信号
0~10mA.DC、4~20mA.DC
输入电阻
200Ω（Ⅱ型）、250Ω（Ⅲ型）
输入通道
3个隔离通道
基本误差
2.5%
回差
1.5
死区
3%（1~3%可调）
纯滞后
1s
电源电压
220V.AC、50Hz
使用环境条件
环境温度
执行机构
-10~+55℃
相对温度
执行机构
95%
型号规格表
机座号
型号
出轴推力（N）
出行程（mm）
全程时间（s）
Ⅰ
DKZ-310C
DKZ-310BC
4000
10
8
16
12.5
25
20
DKZ-410C
DKZ-410BC
6400
40
32
60
48
Ⅱ
DKZ-510C
DKZ-510BC
1600
60
37
100
62
流体流经阀体是的阻力损失为局部阻力损失，所以对不可压缩流体而言，流体流经调节阀时的阻力损失为
式中
——调节阀的阻力系数；
——流过阀的流体平均流速；
——阀前压力；
——阀后压力；
阀体体积流量
，接管截面积为A，则
由该式可见，在调节阀口径一定，
也不变的情况下，流量
仅随阻力系数的变化而变化。
当移动阀芯使开度改变时，阻力系数
也随之变化，从而改变了流量
的大小，达到了调节流量的目的。
3.3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，得出被调量的偏差，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。
目前在中国工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。
选用DTZ-2100型全刻度指示调节器
DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数
输入信号
1~5V.DC
内给定信号
1~5V.DC
外给定信号
4~20mA.DC
调节作用（比例+积分+微分）
比例带：
2~500%
积分时间：
0.01~2.5分
微分时间：
0.04~10分（可切除）
输入、给定指示表
指示范围：
0~100%，误差：
1%
输出指示表
指示范围：
0~100%，误差：
25%
输出信号
4~20mA.DC
负载电阻
250~750Ω
工作条件
环境温度：
0~45℃
工作振动：
频率
25Hz
3.4、仪表型号清单列表
仪表型号清单
元件
型号
输入信号范围
数量
热电偶温度变送器
SBWR/Z
3~60mV
1
执行器
DKZ
4~20mA.DC
1
调节器
DTZ-2100
1~5V.DC
1
4、系统方框图
根据换热器出口温度单回路控制方案图可得方块图如下：
换热器出口温度单回路控制图
5、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能
5.1调节控制参数
1.变送测量环节可用一阶环节来近似表示：
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.假设执行器（调节阀）为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且
3.对于该控制系统，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为
；
调节器选定PID调节器，其传递函数为
式中
为比例系数；
为积分时间；
为微分时间[5]。
为使系统获得良好的控制品质，需要确定PID控制器的一些参数，而这些参数很难由计算获得，需要通过实验采用飞升曲线确定该对象惯性时间和纯滞后时间。
由传函的出各参数的关系如下式：
；
；
。
5.2PID参数整定及系统仿真
PID参数整定方法就是确定调节器的比例系数Kp、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。
临界比例度法：
首先求取在纯比例作用下的闭环系统为等幅振荡过程时的比例度和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算出相应的调节器参数。
通常将等幅振荡下的比例度和振荡周期分别称为临界比例度和临界周期。
临界比例度法便于使用，而且在大多数控制回路中能得到较好的控制品质。
临界比例度法整定参数的具体步骤是：
将调节器的积分作用和微分作用全部除去，在纯比例的情况下，按比例增益
从小到大的变化规律，对应于每一个
做小幅度的设定值阶跃变化，直到获得等幅振荡过渡过程曲线，在MATLAB中的Simulink工具箱组件中进行系统的仿真
如下图：
根据仿真调试的结果出现等幅震荡时，
=100,周期时间T=0.8s，
根据临界比例度法整定参数取
=15,
=0.5T=0.4s,
=0.12T=0.096s，仿真图如下：
由图可知系统性能分析
①最大偏差A：
A=1085
②超调量
：
％
③衰减比n：
是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，
1085/510=2.127
④回复时间ts，也称过渡时间，是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间，通常在被控变量进入新的稳态值得
5%的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值，所以ts=10s
⑤余差
：
是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。
即
即此反馈系统合理。
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