基于过热蒸汽的换热器温度控制系统设计.docx

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基于过热蒸汽的换热器温度控制系统设计

摘要

这次课程设计任务是对过热蒸汽的换热器温度控制系统进行设计与分析。

在控制系统的设计与分析中，分别对前馈-反馈控制系统和单回路控制系统进行了分析与阐述，通过分析比较发现，为保证此系统出口温度的一定，我选择定比值控制系统中的前馈-反馈控制系统。

通过使用该控制系统，可以使过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保证过热器壁温度不超过工作允许的温度，使其能够正常工作

关键词:

换热器；单回路控制系统；前馈-反馈控制系统；过热蒸汽

第1章绪论

1.1换热器简介

能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。

近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器又是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。

换热器的功能和分类

换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。

换热器广泛的应用于炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业部门中。

在化学工业与石油炼制工业中所用的换热器的投资大约占设备总投资的30%。

换热器在现代石油炼制厂中占全部工艺设备的40%左右。

在海水淡化工业生产中，全部工艺装置几乎都是由换热器组成的。

随着石油化工的行业的迅速发展，各种高效的换热器不断出现。

换热器就是用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。

换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。

其中间壁式换热器应用最广。

它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。

其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。

列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备;板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。

1.2换热器的发展前景：

近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。

　　根据海关的统计，2001～2005年，我国平均每年从国外进口换热器22.49万台，总金额达到14.02亿美元。

其中，仅2004年一年就进口了34.11万台，共计4.9亿美元。

　　虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模（见图1）。

2001年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021.6万美元、245.72美元/台；但到了2005年，进出口间的差距已扩大到75667台、34517万美元和1347.57美元/台。

这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。

　　同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半，2005年更是降到了25%以下。

可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。

这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。

预计“十一五”期间，我国的换热器进口规模还将维持在一个相对较高的水平（约200～300万台之间），且更加向高端产品集中。

　　未来，国内市场需求将呈现以下特点：

对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用；大工程项目青睐大企业或企业集团产品。

1.3换热器的种类

换热器种类很多,但根据冷,热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类,即间壁式,混合式和蓄热式.在三类换热器中,间壁式换热器应用最多,：

1.间壁式换热器的类型

夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成,结构简单;但其加热面受容器壁面限制,传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀,可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施,以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足,也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却.

 2.混合式换热器

混合式热交换器是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。

故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽-水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。

它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。

按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：

（1）冷却塔（或称冷水塔）

在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。

例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。

（2）气体洗涤塔（或称洗涤塔）

在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。

但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。

空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。

喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。

（3）喷射式热交换器

在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并—同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。

（4）混合式冷凝器

这种设备一般是用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝

 3.蓄热式换热器

蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。

内装固体填充物，用以贮蓄热量。

一般用耐火砖等砌成火格子（有时用金属波形带等）。

换热分两个阶段进行。

第一阶段，热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。

第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。

这两个阶段交替进行。

通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。

常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。

也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。

蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。

第2章方案论证

2.1方案设计

换热器控制系统结构见下图所示,输出量为被控参数,传感器把它测回到输入端,与给定值比较,在由控制器指导执行器对被控参数进行操作

图2.1控制系统结构图

引起换热器出口温度变化的扰动因素大概主要有：

（1）热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口的阀门的开度和循环泵压头的影响。

热流体的温度主要受到加热炉温度和管路散热的影响。

（2）冷流体的流量和温度的扰动。

冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速和阀门的开度等因素影响。

（3）加热炉的启停机的影响。

（4）室内温度与管路内气体变化和阀门开度的影响。

2.1.1单回路系统设计方案

在运行过程中。

改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。

从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。

减温器有表面式和喷水式两种。

减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。

但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。

加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w.w的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。

影响锅炉生产的安全和经济运行。

图2-2改变减温水量控制蒸汽温度系统

实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。

因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

图2.3单回路控制系统框图

图2.3是简单控制系统的框图。

由图可知，简单控制系统由四个基本环节组成，被控对象、测量变送装置、控制器、执行器四个部分的传递函数分别为GC（S）、GV（S）、G0S）、GM（S）。

不同目的的控制系统的被控过程、被控参数不同，所采用的检测装

置、控制介质也不一样，但都可以用图2.2的框图表示，由图可以看出，简单控制系统只有一个反馈回路，因此也称为单回路控制系统

优点：

结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较容易。

缺点：

不能满足生产更高要求情况。

2.1.2前馈-反馈控制系统设计方案

图2.4换热器前馈-反馈复合控制系统原理图

由如图2.4所示的热交换器温度控制系统，被加热物流出口温度是被控参数，温度变送器TT将出口的温度信号送入温度控制器TC，控制器通过控制调节阀开度，温度变送器FT将冷物料的温度信号送入温度控制器FC，控制器通过调节阀开度，共同调节进入热交换器的载热介质的流量，将物料出口温度控制在规定的数值。

+

图2.5换热器前馈-反馈复合控制系统方框图

由图2.5可知，当冷物料流量Q发生变化时，前馈控制器Gb（S）及时发出控制指令，补偿冷物料流量Q变化对交换器出口温度Y（S）的影响；而冷物料温度、蒸汽压力等扰动对物料出口温度Y（S）的影响，则由反馈控制器GC（S）来克服。

前馈控制作用加反馈控制作用，能够很好地克服扰动对出口温度Y（S）的影响。

优点：

前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。

在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。

前馈-反馈控制系统即可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。

缺点：

使用了多个传感器，控制器，有较高的的成本。

在反馈回路中，干扰对被控对象的影响有很小的滞后作用，从干扰作用到执行器消除干扰大概需要2分钟左右，但是对工程量影响不是很大。

2.2设计方案的选择

因为本设计要求较高的精度要求，所以考虑了两种方案的优缺点后,为保证此系统出口温度的一定，我选择控制系统中的前馈-反馈控制系统。

第3章仪表选择

根据控制系统结构图，需要选择一个温度测量变送器、一个流量传感器、一个流量调节器、一个调节阀。

由于设计要求测量范围是0~250℃，所以选择热敏电阻比较适合。

热敏电阻的测温区间是-50~300℃.热敏电阻通常由铁、镍、铝、钛、镁、铜等一些金属氧化物制成，热敏电阻阻值很大，灵敏度高，具有结构简单、体积小、热响应快、价格便宜等优点。

图3.1NTC热敏电阻

如图3.1所示，MF11补偿型NTC热敏电阻器产品概述许多半导体和ICs有温度系数而且要求温度补偿，以在较大的温度范围中达到稳定性能的作用，由于NTC热敏电阻器有较高的温度系数，所以广泛应用于温度补偿。

主要参数：

额定零功率电阻值R25（Ω）B值（25/50℃）/（K）时间常数≤30S耗散系数≥6mW/℃测量功率≤0.1mW额定功率≤0.5W使用温度范围-55℃~+325℃

特点1.MF11系列产品为径向引线树脂涂装型

2.阻值范围宽：

0.01~200KΩ

3.阻值精度可达±5%

4.额定功率：

0.5W

5.一致性好

6.使用温度范围-55~+125℃

应用范围1.电子线路的温度补偿2.计量设备的温度补偿3.仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器的温度补偿4.一般精度的温度测量及温度控制外形。

3.1温度变送器的选择

DDZ-

型温度变送器的特点：

（1）采用了线性集成电路，提高了仪表的可靠性，稳定性及各项技术性能。

（2）在热电偶和热电阻温度温度变送器中采用了线性化电路，从而使变送器的输出信号和被测温度呈线性关系。

（3）采取了安全火花防爆措施，可用于危险场所中的温度或直流毫伏测量。

图3.2施耐得温度变送器

如图3.2所示，施耐得温度变送器工作参数：

1、输入信号：

热电阻：

Pt100、Cu100、Cu50（三线制、四线制）。

智能型温度变送器的输入信号可通过PC机或手持器任意设置；

2、输出信号：

在量程范围内输出4～20mA直流信号，与热电阻的输入信号成线性或与温度成线性。

智能型温度变送器输出4～20mA直流信号同时叠加符合HART标准协议通信信号；隔离式温度变送器，输入与输出相隔离，隔离电压0.5KV，增加了抗共模干扰能力，更适合于计算机连网使用；

3、基本误差：

0.5%FS、0.2%FS、智能型0.2%FS；

4、接线方式：

二线制、三线制、四线制；

5、显示方式：

四位LCD显示现场温度，智能型四位LCD可通过PC机或手持器设定使之显示现场温度、传感器值、输出电流和百分比例中的任一种参数；

6、工作电压：

普通型12V～35V，智能型12V～45V，额定工作电压为24V；

7、允许负载电阻：

500Ω（24VDC供电）；极限负载电阻R（max）=50（Vmin-12）,例如在额定工作电压24V时，负载电阻可在0-600Ω范围内选择使用。

8、工作环境：

a:

环境温度-25～80℃（常规型）

           -25～70℃（数显型）

           -20～75℃ （智能型）

b：

相对湿度：

5%～95%

c：

机械振动f≤50Hz，振幅≤0.15mm

d：

无腐蚀气体或类似的环境；

9、温度影响系数：

δ≤0.05%/℃；

3.2控制器的选择

图3.3XMT3000D智能仪表

输入规格

热电偶：

K、S、Wr、E、J、T、B、N热电阻：

Pt100、Cu50

电压：

0-20mV……0-1V→输入阻抗≥5MΩ,0-5V→输入阻抗≥100kΩ

电流：

0-10mA、4-20mA、0-20mA等→输入电阻≤250Ω

测量范围：

-1999～+9999

测量精度：

0.2级（±0.2%FS）

注意事项：

1、仪表对B分度号热电偶在0～600℃范围内可进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600～1800℃范围内可保证0.2级测量精度。

2、因钨铼热电偶本身精度及一致性较低，仪表对WRe3-WRe25的测量精度只为0.5级。

报警输出：

可选择上限、下限、正偏差、负偏差或组合。

继电器触点容量220VAC/1A或24VDC/1A

控制方式：

专家PID算法，包含模糊控制及自整定参数PID控制。

控制输出：

1、SSR驱动电压：

DC12V/30mA

2、单相/三相SCR过零触发：

可触发5～500A的双向可控硅（或单硅反并联模块）

3、线性电流：

0～22mA之间任意设置（输出电压≥11V）

4、继电器触点1A。

温度补偿：

0～50℃数字式温度自动补偿

使用环境：

环境温度：

0～50℃，相对湿度：

≤85%，避免强腐蚀气体

电源：

开关电源：

AC85～265V（50Hz/60Hz）,功耗：

≤4Ｗ

3.4执行器的选择

电动调节阀接受来自调节器的电流信号，将其转换为阀门开度。

电动调节阀由执行机构和阀门两个部分组成。

图3,4电动执行机构框图

由图3.4可知，从调节器来的信号通过伺服放大器伺服电动机，经减速器带动调节阀，同时经位置发信息将阀杆行程反馈给伺服放大器，组成位置随动系统。

依靠位置负反馈，保证输入信号准确地转换阀杆的行程。

XR3610系统电子式电动执行器控制采用国外大规模集成电路设计，将伺服放大器、操作器等功能集成于机器内部，由数字设定，精度高，操作十分简单。

其体积小，重量轻，带阀位显示，集成现场手操作及远程无源触电手操作功能，控制精度高、可靠性好，集成PID调节功能和远红外遥控功能给广大用户带来更大的操控便利和效益。

第4章控制算法

4.1PID算法

4.1.1比例调节对系统品质的影响

偏差=测量值-给定值（4-1）

U（t）=KCe（t）（4-2）

（1）比例调节是一种有差调节调节器采用比例控制规律，控制系统必然存在静差，按式子（4-2），只有偏差信号e（t）不为零时，调节器才会有控制作用（u（t））输出。

如果e（t）

为零，调节器输出为零，调节器失去控制作用。

这说明比例调节器是利用偏差实现调节控制，使系统被控参数近似跟踪设定值。

（2）比例调节系统的静差，随比例度的增大而增大，对于定值控制系统，根据控制理论知识可知，若要减少静差，就需增大KC，这样做往往会使系统的稳定性下降，对系统的动态控制品质不利。

（3）实现定值控制的有差跟踪，对于设定值不变的系统，既定值控制系统，采用比例调节可使被控参数对设定值实现有差跟踪。

但若设定值随时间匀速变化时，其跟踪误差将会随时间的增大而增大。

4.1.2比例积分调节系统控制质量的影响

U（t）=Si

+KCe（t）

在比例积分调节系统中，在起始阶段，比例调节发挥作用，迅速对输入变化作出相应；随着时间推移，积分调节作用越来越强。

控制系统在二者共同作用下。

实现最终消除静差的目的。

PI调节器将比例调节的快速反应与积分调节消除静差的特点结合起来，收到较好的控制效果，因此在工程中得到广泛的应用。

4.1.3比例微分调节对系统控制品质的影响

PD调节也是有差调节，这是因为在稳态情况下，de（t）/dt为零，微分部分已不起作用，这说明微分调节对消除静差没有作用。

PD调节具有提高系统稳定性，抑制过渡过程最大动态偏差的作用，微分作用总是力图阻止系统被控参数的振荡，使过渡过程的振荡趋于平稳，动态偏差减少。

PD调节有利于提高系统的响应速度，减少系统静差，由于微分作用的相位超前，在保持过渡过程衰铝不变的情况下，可以适当减少比例度P，使系统的开环增益增加，这一方面使系统的稳态误差减少。

4.1.4比例积分微分调节对控制系统品质的影响

U（t）=KCe（t）+Sd

+Si

PID调节是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节反应快速、积分调节能够消除静差以及微分调节预见性的优点。

是一种比较理想的调节规律。

PID调节提高了系统的稳态精度，实现了无差控制

4.2控制规律的选择

如果广义对象的传函可用下式近似时：

G0=

PID控制算法把比例调节的快速性、积分调节消除静差的能力、微分调节的预见性结合起来，就构成了PID调节，PID算法是比例、积分、微分调节规律的线性组合，它吸取了比例调节的快速、积分调节能够消除静差以及微分调节预见性的优点，是一种比较理想的调节规律。

PID算法提高了系统的稳态精度，实现了无差控制。

PID算法兼顾了静态性能和动态性能两方面的要求，可以取得满意的控制效果。

对于负荷变化、容量滞后大、控制品质要求高的控制对象（如温度）均能适应。

4.3调节控制参数

1.流量测量环节可用一介环节来近视表示：

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.假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且

式中，

为调节阀的流通面积，

通常在一定范围内变化。

这里假设

=（0.5~1.0）%（即控制器的输出变化1%，调节阀的相对流通面积变化0.5%~1.0%）。

3.对于流量对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性可表示为

，

式中，流量控制环节的时间常数

基本不变，而

和

通常在一定范围内变化。

这里假设

=0.5·0.20=0.1,

=0.1,

=2

4.4控制器的正反作用方式

（1）调节阀：

电开式调节阀，考虑到当控制器作用失效时，阀应该关闭，以免蒸汽量流入过大，使热交换器损坏，导致不必要的事故。

所以选择电开式调节阀，取“+”。

（2）被控对象：

因为被控变量随阀的开度增大而温度升高，所以被控对象去“+”

（3）变送器TT：

变送器TT的输出信号随被测物料温度升高而增加，所以取“+”

变送器FT：

变送器FT的输出信号随被测物料温度升高而增加，所以取“+”

（4）调节器TC：

变送器TT的输入增加，调节器输出增加，所以取“+”

调节器FC：

变送器FT的输入增加，调节器输出增加，所以取“+“

（5）因为该系统为负反馈，根据符号的乘法运算规则，控制器取“—”。

第5章参数整定与系统测试

由于实验室的仿真测试中，测试被控对象只能为液位，所以将该系统被控对象改为液位

连接装置后，传感器将液位信号为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制液位的目的。

而扰动量经前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。

参数设定值：

P=20;I=45；D=10；

参数设定值：

P=40;I=45；D=0

表5—1整定参数变化对调节过程的影响

整定参数

性能指标

比例度

P（%）

积分时间

Ti/min

微分时间

Td/min

最大动态偏差

静差

—

—

衰减率

振荡频率

第6章设计总结

本文基于换热器温度控制系统设计了其硬件电路和控制算法。

设计出的换热器出口温度可在185±2℃以内，引起出口温度变化的主要扰动：

冷物料流量Q可被前馈控制系统在引起参数变化之前消弱。

其他扰动，例如冷物料的流量与初温、蒸汽压力波动等引起偏差后，可被反馈控制系统减少。

本设计的优点在于前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节，既提高控制精度又保证了系统的稳定性。

本设计需改进之处是在反馈回路中，干扰对被控对象的影响有很小的滞后作用，从干扰作用到执行器消除干扰大概需要2分钟左右，但是对工程量影响不是很大。

本设计可应用与化工过程控制生产中，成本低廉，设计简单，调试简单。

参考文献

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