传热设备安全控制系统安全分析doc.docx
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传热设备安全控制系统安全分析
工业上用实现冷热两流体换热的设备称为传热设备。
换热有直接或间接换热两种方式。
直接换热是指冷热两流体直接混合以达到加热或冷却的目的，而间接换热是指冷热两流体间接传热。
在石油化工等工业过程中，一般以间接换热较常见。
讨论的是间壁传热设备的控制问题，其结构形式有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等，如图9—24所示。
一、 参数的安全控制分析
前面简单叙述了热量传递三种方式的主要机理。
在此必须指出的是，在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成的。
例如：
在工业过程中常用的间壁式热交换器，一般温度不太高，这时候就可忽略热辐射的影响，则传热过程就是对流和热传导的组合。
而在管式加热炉的辐射室中，由于温度很高，这时就以热辐射为主，辐射室的有效传热量大致为全炉总热负荷的70％一80％，但在管式加热炉的对流室中，传热方式却又以对流传热为主。
总之，在管式加热炉中其传热过程是传导、对流及热辐射的组合。
分布参数是指对象的输出（即被控变量）不仅与时间有关，而且是物理位置的函数。
传热设备大致可以分为以下几种情况。
①传热壁面两侧流体都无相变地进行热交换，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度都将是距离和时间的函数，一般列管式换热器、套管式换热器都属于此类。
②传热壁面两侧流体都发生相变时，例如精馏塔的再沸器，两侧的温度皆可近似为集中参数。
相变化（汽化或冷凝）的特点是流体温度取决于所处压力，而不是取决于传热量。
③当传热壁面两侧流体中有一侧发生相变时，例如列管式蒸汽加热器、氨冷器等，发生相变化的一侧是集中参数，另一侧需视具体情况而定。
在炼油化工生产过程中，许多工艺不允许冷热两流体直接接触，不允许在传热过程中伴有物质交换。
因此，为达到传热目的，常采用间壁式换热器。
在间壁式换热器中，热流体的热量通过对流传热传给间壁，经间壁热传导后，再由间壁将热量以对流方式传给冷流体。
因此，间壁式传热设备属典型的多容对象，并带有较大的滞后。
通常传热设备可以近似地认为是具有纯滞后的多容对象。
传热设备的自动控制系统中被控变量大多数是温度，而测温元件的测量滞后是比较显著的。
常用热电偶、热电阻等测温元件，为了保护其不致损坏或被介质腐蚀，一般均加有保护套管，这样就增加了测温元件的测量滞后，因此测温元件的测量滞后也给传热设备的自动控制系统增加了滞后时间。
二 换热器安全控制系统
在炼油化工生产中，换热设备应用极其广泛。
进行换热的目的主要有下列4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都很好地进行。
例如合成氨生产中的脱硫或变换等过程的气体人口温度，都有最适宜的条件。
②在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。
例如合成氨生产中转化反应是一个强烈的吸热反应，必须加入热量，以维持转化反应。
聚氯乙烯的聚合反应是一个放热反应，要用冷却水除去放出的热量，才能使反应按要求进行下去。
③某些工艺过程需要改变物料的相态。
例如汽化需要加热，冷凝会放热，将氮气冷凝成液氨便是一例。
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，例如图9—25（a）中所示的蒸汽加热器自动控制系统。
为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出口温度为被控变量，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。
当被加热的工艺介质流量比较平稳且对出口温度要求一般时，可取加热蒸汽流量（或压力）作为被控变量，组成如图9—25（b）所示的流量（或压力）单回路定值控制系统。
绝大多数的温度控制系统都是为了上述①、②两个目的服务的。
而目的③实际上所需要的变量是热量，一般可取载热体的流量作为被控变量。
对于一般热量回收系统，往往是不需要加以自动控制的。
从热过程的基本方程式可知，为保证出口温度平稳，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，如图9—26所示。
调节载热体流量大小，其实质是改变传热速率方程中的传热系数K和平均温差厶丁。
。
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中传热系数K；而对载热体在传热过程中发生相变的情况，主要是改变传热速率方程中的ΔTm。
这种传热设备自动控制方案是最常用的。
2）调节传热平均温差ΔTm，如图9—27所示。
这种控制方案滞后较小，反应迅速，应用亦较广泛。
本例中，通过调节氨气量以改变液氨压力与对应的平衡温度，进而改变间壁两侧流体的平均温差达到控制工艺介质出口温度的目的。
（3）调节传热面积F，如图9—28所示。
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，如图9—29所示。
该方案是一部分工艺介质经换热另一部分走旁路。
该方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及时，但载体流量一直处于高负荷下，这在采用专门的热剂或冷剂时是不经济的。
然而对于某些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量本来不好调节，这时便不成为缺点了。
在设计传热设备自动控制方案时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。
例如大部分蒸汽加热器的操纵变量是采用载热体即加热蒸汽。
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，往往以冷凝液流量作为操纵变量，调节传热面积，以保持出口温度恒定。
在采用单回路控制系统时，根据传热设备滞后较大的特点，控制器选型中引入微分作用是有益的，而且有时也是必要的，这样相对地可以改善控制品质。
大多数情况下，当工艺介质较稳定时，采用单回路控制就能满足要求。
若还满足不了工艺要求，则可以从方案着手，引入复杂控制系统，如串级、前馈等。
以图9—26所示的蒸汽加热系统为例，当蒸汽阀前压力波动较大时，可采用工艺介质出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成的串级控制系统，如图9—30所示。
而当主要扰动是生产负荷变化时，引入前馈信号组成前馈—反馈控制系统是一种行之有效的方案，可获得更好的控制品质。
图9—31以变比值串级控制方式引入了工艺介质流量的前馈信息，前馈作用可大大减少生产负荷变化对出口温度控制质量的影响。
三、加热炉安全控制系统
在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。
其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。
对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。
当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。
加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。
因此，加热炉出口温度必须严加控制。
加热炉是传热设备的一种，同样具有热量传递过程，热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。
但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70％一80％，而在对流段获得的热量约占热负荷的20％一30％。
因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获得对象特性是很困难的。
加热炉的对象特性一般基于定性分析和实验测试获得的。
从定性角度出发，可以看出其热过程为：
炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导、对流传热给工艺介质。
所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。
特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。
根据若干实验测试，并做了一些简化。
炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。
（一） 加热炉单回路控制系统
加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度，此温度为控制系统的被控变量，而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。
对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，例如允许波动范围士（1—2）℃。
影响出口温度的扰动因素有：
工艺介质进料流量、温度、组分、燃料方面有燃料油（或气）的压力、成分（或热值）、燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。
在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。
为了保证炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。
图9—32为某一燃油加热炉控制系统示意图，其主要控制系统是以炉出口温度为被控变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。
其他辅助控制系统有：
①进入加热炉工艺介质的流量控制系统，如图9—32FC控制系统；
②燃料油总压控制，总压控制一般调回油量，如图9—32PlC控制系统；
③采用燃料油时，还需加入雾化蒸汽（或空气），为此设有雾化蒸汽压力控制系统，如图9—32P2C控制系统，以保证燃料油的良好雾化。
采用雾化蒸汽压力控制系统后，在燃油压力变化不大时的情况下可以满足雾化要求，目前炼油厂中大多数采用这种方案。
假如燃料油变化较大时，单采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化，可以采用如下控制方案。
（1）根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽，即采用压差控制，女口图9—33所示。
采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制，如图9—34所示。
采用上述两种方案时，只能保持近似的流量比，还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的畅通，以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化，引起控制系统的误动作。
此外，也可采用二者流量的比值控制，则能克服上述缺点，但所用仪表多且重油流量测量困难。
采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求，因为加热炉需要将工艺介质（物料）从几十度升温到数XX，其热负荷很大。
当燃料油（或气）的压力或热值（组分）有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化，采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，控制作用不及时，而使炉出口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。
因此单回路控制系统仅适用于下列情况；
①对炉出口温度要求不十分严格；
②外来扰动缓慢而较小，且不频繁；
③炉膛容量较小，即滞后不大。
（二）加热炉安全串级控制系统
为了改善控制品质，满足生产的需要，石油化工和炼油厂中的加热炉大多采用串级控制系统。
加热炉的串级控制的形式，主要有以下几种：
①炉出口温度对炉膛温度的串级控制；
②炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制；
③炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制；
④采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制。
（1）炉出口温度对炉膛温度的串级控制 该控制方案如图9—35所示。
当受到扰动因素例如燃料油（或气）的压力、热值、烟囱抽力等作用后，首先将反映沪膛温度的变化，以后再影响到炉出口温度、而前者滞后远较后者小。
根据某厂测试。
前者仅为3rain，而后者长达15min。
采用炉出口温度对炉膛温度串级后，就把原来滞后的对象一分为二，副回路起超前作用，能使这些扰动因素一影响到炉膛温度时，就迅速采取控制手段，这将显著改善控制质量。
这种串级控制方案对下述情况更为有效。
①热负荷较大，而热强度较小。
即不允许炉膛温度有较大波动，以免影响没备。
②当主要扰动是燃料油或气的热值变化（即组分变化）时，其他串级控制方案的内环无法感受。
③在同一个炉膛内有两组炉管，同时加热两种物料。
此时虽然仅控制一组温度，但另一级亦较平稳。
由于把炉膛温度作为副变量，因此采用这种方案时还应注意下述几个方面。
①应选择有代表性的炉膛温度检测点，而且要反应快。
但选择时较困难，特别对圆筒炉。
②为了保护设备，炉膛温度不应有较大波动，所以在参数整定时，对于副控制器不应整定得过于灵敏，且不加微分作用。
③由于炉膛温度较高，测温元件及其保护套管材料必须耐高温。
（2）炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制 一般情况下虽然对燃料油压力进行了控制，但在操作过程中，发现燃料流量的较小波动或为外来主要扰动因素时，则可以考虑采用炉出口温度对燃料油（或气）流量的串级控制，如图9-36所示。
这种方案的优点是当燃料油流量发生变化后，还未影响到炉出口温度之前，其内环即先进行调节，以减小甚至消除燃料油（或气）流量的扰动，从而改善了控制质量。
在某些特殊情况下，可组成炉出口温度、炉膛温度、燃料油流量的三个参数的串级控制系统，如图9—37所示。
但该方案使用仪表多，且整定困难。
（3）炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制 加热炉所需燃料泊量较少或其输送管道较小时，其流量测量较困难，特别是应用黏度较大的重质燃料油时更难测量。
一般来说，压力测量较流量方便，因此可以采用炉出口温度对燃料油（或气）阀后压力的串级控制，如图9—38所示。
该方案应用较广。
采用该方案时，需要注意的是，如果燃料喷嘴部分堵塞，也会使阀后压力升高，此时副控制器的动作使阀门关小，这是不适宜的。
因此，在运行时必须防止这种现象发生。
特别是采用重质燃料油或燃料气中夹带着液体时更要注意。
（4）采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制 当燃料是气态时，采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的方案颇有特色，如图9—39所示。
这里用浮动阀代替了一般控制阀，节省了压力变送器，且浮动阀本身兼起压力控制器功能，实现了串级控制。
浮动阀是如何起压力控制器作用呢?
因为这种阀膜片上部来自温度控制器的输出压力P2，而膜片下部接入燃料气阀后压力P2，只有当P1=P2时，阀杆才不动，处于平衡状态。
当由于温度变化而使控制器输出压力改变为P3时，此时P2≠P3，则阀杆动作，改变阀门开度，最终使P4＝P3，重新达到平衡。
若由于燃料气流量变化，使燃料气改变，此时阀杆动作，改变阀门开度，最终使阀后压力回到平衡状态。
浮动阀结构如图9—40所示。
它不用弹簧、不用填料、所以没有摩擦，没有机械的间隙，故工作灵敏度高，反应迅速，它与精度较高的温度控制器配套组成的控制回路，实际上起串级控制作用，能获得较好的控制效果。
采用这种方案时，被调燃料气阀后压力一般在0．04～0．08MPa之间。
若被调燃料气阀后压力大于0．08MPa时，为了满足平衡的要求，则需在温度控制器的输出端串接一个倍数继动器。
这个控制方案由于下述原因而受到一定限制；
①由于倍数继动器的限制，一般情况下适用于0．04～0．4MPa的气体燃料；
②一般的膜片不适用于液体燃料及温度较高的气体燃料；
③当膜片上下压差较大时，膜片容易损坏。
下面举例说明加热炉控制系统的应用。
在催化裂化装置中，为了保证催化裂化反应的进行，需将原料油加热至400°C，送至反应器，在催化剂作用下，使油品裂化生成汽油和气体。
工业上常采用圆筒炉将原料油加热至40°C，其控制系统如图9—41所示。
刚开工生产时，该装置没有产生燃料油，因而采用热裂化来的干气作燃料，这里采用浮动阀，由炉出口温度控制器输出直接去控制浮动阀。
当生产正常时本装置自产重质燃料油，此时炉出口温度与燃料油阀后压力组成串级控制，保证炉出口温度满足工艺要求（在这里温度控制器输出加入了一个转换开关，以选择燃油还是燃气）。
其余扰动因素采用单回路控制系统予以克服。
在装置厂常压蒸馏装置中，管式加热炉是重要设备之一，它的任务是把原油加热至一定温度，然后去常压塔分馏，分离出各种产品。
加热炉出口温度是否平稳，直接影响后续工序的分馏效果。
加热炉的平稳操作，可以延长炉管的寿命。
因此，炉子出口温度要求严格控制。
其控制系统如图9—42所示。
这里是一个方箱炉，采用两组炉管进行加热，为保证出口温度的稳定，用了两组炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统。
其余一些扰动因素采用单回路控制系统来克服。
在加热炉的自动控制系统中，有时遇到生产负荷即进料流量、温度变化频繁，扰动幅度又较大，此时采用串级控制仍难以满足生产要求，而采用如图9—43所示的前馈—反馈控制系统，往往是行之有效的。
前馈控制部分克服进料流量（或温度）的扰动作用，而反馈控制克服其余扰动作用。
（三） 安全联锁保护系统
为了保证加热炉的安全，防止事故的发生，应有必要设置安全联锁保护系统。
至于采用哪些安全联锁保护系统，应视具体情况而定。
（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，主要危险包括：
①被加热工艺介质流量过少或中断，此时必须采取安全措施，切断燃料气控制阀，停止燃料，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的燃料空气混合物；
③当燃料气压过低即流量过小时，会出现回火现象，故要保证最小燃料气流量；
④当燃料气压力过高，喷嘴会出现脱火现象，以至造成熄火，甚至会在燃料室里形成大量燃料气—空气?
昆合物，造成爆炸事故。
作为例子，可设置如图9—44所示的安全联锁保护系统，它包括以下几部分。
1）炉出口温度与控制阀阀后压力的选择性控制系统。
正常生产时，由温度控制器工作。
当由于某种扰动作用，使控制阀阀后压力过高，达到安全极限时，压力控制器PC通过低值选择器LS取代温度控制器工作，关小控制阀以防止脱火，一旦正常后，仍由温度控制器工作。
2）燃料气流量过低联锁报警系统GLl。
当燃料气流量低到一定极限时，则GLl联锁动作，使三通电磁阀线圈失电，这样来自控制器的气压信号放空，结果切断燃料气阀，以防止回火造成事故。
3）工艺介质低流量联锁报警系统GL2。
当工艺介质流量过低或中断时，GL2动作切断燃料气控制阀，停止燃料。
4）火焰检测器开关BS。
当火焰熄灭时，BS动作，切断燃料气控制阀，停止供气，以防止燃料室内形成燃料气—空气混合物造成爆炸事故。
（2）以燃料油为燃料的加热炉安全联锁保护系统 在这类加热炉中主要危险包括：
进料流量过小或中断；燃料油压力过高会脱火，过低会回火；雾化蒸汽压力过低或中断，会使燃料油得不到良好雾化，甚至无法燃烧。
因此在这里设置联锁保护系统，基本上与以燃料气为燃料的加热炉相似，仅是将原来的火焰检测器BS，换成雾化蒸汽压力过低联锁保护系统。
（3）应用示例 某加热炉需将工艺介质加热至407℃，然后送往下一工序进行反应，进料包括循环气及新鲜气两部分，而循环气占主导地位。
整个加热炉的控制系统及安全联锁保护系统如图9—45（a）所示。
加热炉的主要控制系统是炉出口温度与燃料油阀后压力的串级控制系统，燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差即压差控制系统，以保证燃料油雾化良好。
安全联锁保护系统可同时参见图9—45（b）。
对炼厂气的供给，只有当引火喷嘴在炼厂气压力过低时，联锁报警，切断供给。
其动作原理如下：
当引火喷嘴在炼厂气压力过低时，其PL1的常闭触点断开，使三通电磁阀线圈失电，这样由气源供给炼厂气控制阀的气压信号放空，结果切断了炼厂气，防止事故发生。
而对燃料油的供给，只要符合以下三个条件中任一个，均要切断燃料油的供给。
①引火喷嘴用炼厂气压力过低；
②循环气流量过低（为确保动作可靠采用了双套仪表）；
③雾化蒸汽压力过低。
其动作原理与上述联锁保护系统一样。
精馏操作是炼油、化工生产过程中的一个十分重要的环节。
精馏塔的控制直接影响到产品质量、产量和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视。
精馏塔是一个多输入和多输出的对象，它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严密，而控制要求较高。
这些都给自动控制的实施带来一定困难。
同时各塔工艺结构特点又千差万别，这就更需要深入分析工艺特性，结合具体塔的特点，进行自动控制方案的设计和研究。
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