换热器比值控制课程设计.doc

中北大学课程设计说明书各专业全套优秀毕业设计图纸中北大学课程设计说明书目 录1、概述11.1换热设备的分类11.2 换热器的温度控制原理22、被控对象特性研究32.1 被控变量的选择32.2 操纵变量的选择32.3 被控对象特性分析33、控制方案的选择93.1换热器的控制方法93.2 确定控制方案114、过程检测控制仪表的选用124.1 流量测量仪124.2 执行器（调节阀）144.3 调节器155、系统仿真，分析系统性能165.1各个环节的传函及参数的确定165.2系统仿真及pid参数整定165.3 系统性能分析196、课程设计总结207、参考文献211、概述换热器又叫做热交换器（heat exchanger），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。本次课程设计我要完成换热器出口温度比值控制系统设计，比值控制系统的方框图如下：q2流量对象控制阀控制器fc比值计算器 u测量变送器2 q1测量变送器1 图1 比值控制系统方框图其中，被控变量：出口温度； 操纵变量：流量。1.1换热设备的分类 换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备，在工业生产中应用极为广泛。它的作用是通过热流体加热冷流体，使工作介质达到生产工艺所规定的温度要求，以利于生产过程的顺利进行，同时避免生产过程中的浪费，以节约能源。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。按照传热方式的不同，换热设备可分为三类：1、混合式换热器：利用冷、热流体直接混合的作用进行热量的交换。这类交换器 的结构简单、价格前便宜、常做成塔状。例如：冷水塔（凉水塔）、造粒塔、气流干燥 装置、流化床等。2、蓄热式换热器：在这类换热器中，能量传递是通过格子砖或填料等蓄热体来完 成的。蓄热式换热器结构紧凑、价格便宜、单位体积传热面大，故较适用于气气热交换 的场合。主要用于石油化工生产中的原料气转化和空气余热。3、间壁式换热器：所谓间壁式换热器，是指两种不同温度的流体在固定的壁面（称 为传热面）相隔的空间里流动，通过壁面的导热和壁表面的对流换热进行热量的传递。 间壁式换热器的传热面大多采用导热性能良好的金属制造。在某些场合由于防腐的需要，也有用非金属（如石墨，聚四乙烯等）制造的。这是工业制造最为广泛应用的一类 换热器。按照传热面的形状与结构特点它还可分为：（1)管式换热器：如套管式、螺旋管式、管壳式、热管式等。 （2）板面式换热器：如板式、螺旋板式，、板壳式等。 （3）扩展表面式换热器：如板翅式、管翅式、强化的传热管等。 其中，在间壁式换热器中，管壳式换热器易于制造、生产成本较低、选材范围广、 传热表面的清洗比较方便、适应较强、处理量较大，具有高度工作可靠性，能够承受高 压、高温。虽然在结构紧凑性，传热强度和单位传热面积的金属耗量方面它确实有着缺点，但是由于其优点，使之能在出现的新兴换热器的今天，依然充满生命力，居于统治地位。1.2换热器的温度控制原理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壳程和管程，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，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。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。在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据数入信号自动调节冷流体流量的大小,多级离心泵的转速由变频器来控制。换热器温度控制过程有如下特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象组成的闭合回路。被调参数经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。图2 换热器温度控制系统工艺流程图2、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。2.1 被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度比值控制系统设计中，当然选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。2.2 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，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。考虑工艺合理性，我选择对冷流体流量进行控制，保证出口温度的稳定。2.3被控对象的特性分析在本文中，以列管式逆流单程换热器进行分析，令g1为热流体的流量，g2为冷流体流量。t1i和t2i分别为热流体和冷流体的入口温度，t1o和t2o分别为热流体和冷流体的出口温度，而c1、c2分别为热流体和冷流体的比热容。静态特性分析：对象的静态特性就是要确定t1o和t1i、t2i、t2o、g1、g2之间的函数关系。静态特性的求得，可以作为控制方案设计时系统的扰动分析。静态放大系数也能作为系统整定分析，以及控制阀流量特性选择的依据。静态特性推导的两个基本方程式一热量平衡关系式及传热速率方程式为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，则热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热平衡方程为 （1-1）式中，为传热速率(单位时间内传递的热量)；另外，传热过程中的传热速率为 （1-2）式中，为传热系数；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 （1-3）在 ，其误差在5%以内，可采用算数平均值来代替。算术平均值为： （1-4）对上述公式进行整理后得到： （1-5）上式为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。其中各通道的静态放大倍数均可由此式推出：(l)热流体入口温度对出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。对上式（1-5）进行增量化，令，则可得: （1-6） 由（1-6）式可求得通道的静态放大倍数为: （1-7）该式表明，与之间为线性关系，其静态放大倍数为小于1的常数。（2）冷流体入口温度对热流体出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。同样对式（1-5）进行增量化，令，可得: （1-8）该式表明，之间也为线性关系。（3）热流体流量对其出口温度的影响，即通道的静态放大倍数，通过对式（1-5）进行求导，求取静态放大倍数为: （1-9）由上式（1-9）可见，通道的静态特性是一个非线性关系。从上式很难分清两者之间的关系，因此，常用下图来表示这个通道的静态关系。可以看出，当较大时，曲线呈饱和状，此时的变化，从静态来看，对的影响微弱了。 (4)冷流体流量对热流体出口温度的影响，即通道的静态放大倍数。同样可通过对式(1-5)求导，其结果与式（1-9）相似，两者为一复杂的非线性关系。为此，也用图来表示这个通道的静态关系。图2表示了这个关系，可以看出，当较大时，曲线呈饱和状，此时的变化，从静态来看，对的影响已经很小了。换热器的动态特性分析：换热器由于两侧都不发生相变化，一般均为分布参数对象。分布参数对象中输出(即被控变量)既是时间的函数，又是空间的函数，其变化规律需用偏微分方程来描述。现说明列管式换热器动态特性的建立方法。为便于分析，对该管式换热器作如下假设:1、间壁的热容可以忽略;2、流体1和流体2均为液相，而且是层层流动;3、传热系数k和比热容c为常数;4、同一截面上的各点温度相同。建立分布参数对象的数学模型，同样是从热量动态平衡方程入手，但这时必须取微元来分析问题，并假设这一微元中各点温度相同。先分析流体1的热量动态平衡问题。取长度为的圆柱体为微元，这一微元的热量动态平衡方程可叙述为：（单位时间内流体1带入微元的热量)一(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)+(单位时间内流体2传给流体1微元的热量)=流体1微元内蓄热量的变化率，即 （1-10）式中为换热器的总长度;内管的圆周长;微元的表面积;流体1单位长度的流体质量; 微元体的质量程式中的，并适当的整理，得： （1-11） 同理，可得流体2的热量动态平衡方程式 （1-12）时间和空间的边界表达式为： （1-13） 上述两个方程式（1-11）和（1-12）及其边界条件（1-13）就是描述列管式换热器行为的动态方程。要对这样的动态方程进行精确的解析求解是很困难的。通常为了便于计算机实时控制和现代控制理论的应用，可以采用时间、空间离散化的方法，将上述连续偏微分方程转换成相应的离散状态空间模型。为了能说明传热对象的动态特性的基本规律，也可近似应用一些经验公式来描述。对于换热器的动态特性，可以用下面的近似关系式来表示。(l)热流体入口温度，冷流体入口温度对热流体出口温度的影响，即，的通道特性。如用传递函数来描述，可为: （1-14）式中：k各通道的静态放大倍数;分别为换热器的容量和冷流体的流量;拉普拉斯运算子符号。(2)热流体流量、冷流体流量对热流体出口温度的影响，即通道特性。如用传递函数来描述，可为: （1-15） 式中:k各通道的静态放大倍数； （1-16） （1-17） 分别为热流体和冷流体的储存量和流量。由式（1-15）看出，过程通道的动态特性均可近似为带有纯滞后的二阶惯性环种近似关系可以这样理解，要从热流体把热量传递到冷流体，必须先由热流体传给间壁，然后再由间壁传给冷流体，这样就成为二阶惯性环节。此外，还考虑了由于停留时间所引起的纯滞后。式（1-15）为一个近似的经验表达式，因为二阶环节的两个时间常数不不仅取决于两侧流留时间，而且与列管的厚度、材质、结垢等情况有关，但是，这个式子一定程度上描述了换热器动态特性的内在性质。在热器出口温度控制系统中，热流体流量不发生变化，冷流体和热流体表示冷水和热水。换热器热流体进出口温度差在附近，冷流体进出口温差在30左右。假设热流体温度由80降低到40，则根据以下数据:水的比热水的密度取971.9，40时水的密度为992.2;换热器冷却面积壳体长度;热流体流量;冷流体流量;根据式经验公式（1-15）可求得换热器动态特性的基本规律，由式（1-9）求出增益k为:故换热器温度控制的数学模型为: （1-18）由上式可以看出系统的滞后时间常数为11.85s，换热器出口温度控制系统是惯性和时间滞后均较大的系统。3、控制方案的选择3.1换热器的控制方法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。调节热量有以下几种方式。1) 控制载热体流量这个方案的控制流程如图 1 所示。其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析。 图3 换热器控制流程图由于冷流体的传热符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，通过对换热器静态特性分析部分的内容，因此有下列关系 （1-19）整理后得 （1-20）当从上式可看出，在传热面积、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 的因素主要为传热系数及平均温差。控制载流体流量实质上是改变。若由于某种原因使降低，控制器 tc 将使控制阀门增大，载热体流 量增加，传递的热量增加，这就必然导致冷热流体平均温差升高，从而使工艺介质 的出口温度增加。载热体流量增加，一方面使温差增加，另一方面传热系统数也会增加，但在通常情况下传热系统数变化不大，所以经常忽略。因此这种方案实质上是通过改变来控制工艺介质的出口温度的。改变载热体流量是应用最为普遍的控制方案，多适用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏的场合。当载热体流量已经变得很大， 较小时，进入饱和区控制就很迟迍，此时不宜采用此方案。2) 控制载热体旁路流量 当载热体本身也是一种工艺物料，其流量不允许变化时，可采用此控制方案。它的控制原理也是利用改变温差的手段来达到温度控制的目的。这里采用三通控制阀来改变进入换热器的载热体流量与旁路流量的比例，这样既可以改变进入换热器的载热体流量，又能保证载热体总流量不受影响。3) 工艺介质的旁路控制当工艺介质的流量允许变化，而且换热器的传热面有富余时，可将工艺介质的一部分经换热器，其余部分由旁路直接流到出口处，然后将两者混合起来控制温度。该控制方案中被控变量是冷流体和热流体混合后的温度，热流体温度大于设定温度，冷流体温度小于设定温度，通过控制冷热流体流量的配比，使混合 后的温度等于设定温度。从控制原理上来看，这种方案实际上是一个混合过程。所以反应及时，过程的滞后并不直接显示出来，适用于停留时间较长的换热器。但需注意的是换热器必须有较大余量的传热面积，且载热体一直处于最大流量，因此在通过换热器的被加热 介质流量较小时就不太经济。考虑经济性，旁路的流量通常占总流量的 10%30%。4) 控制传热面积从传热速率方程 来看，使传热系数 和传热平均温差 基本保持不变，调节传热面积可能改变传热量，从而达到控制出口温度的目的。此时调节阀装在冷凝液的排出管线上。如果被加热物料出口温度高于给定值，说明传热量过大，可将 冷凝液控制阀关小，冷凝液就会积累起来，减少了有效的蒸汽冷凝面积，从而使传热量减 少，工艺介质出口温度就会降低。反之，如果被加热物料出口温度低于给定值，可将冷凝 液控制阀开大，增大传热面积，使传热量相应增加。3.2确定控制方案通过对被控对象特性的研究以及对现有的常用的控制方法的分析，现拟采用比值控制对换热器的出口温度进行控制。由热平衡公式（1-1）可知，当冷热流体的流量成一定的比值关系时便可以保证按照两流体出口温度的变化量成一定比值关系，同时假定冷热流体入口处温度、 都保持恒定，则此时，冷热流体的温度、便同时可以保持恒定。即有 （2-1）从而达到换热器冷热流体的温度同时得到控制的目的。比值控制系统的属于复杂控制系统，在比值控制系统中，具体又分为定比值控制系统与变比值控制系统。其中，定比值控制系统又可分为开环比值控制系统、单闭环控制系统与双闭环控制系统开环比值控制系统中从动量无抗扰动能力，只能适用于比较平稳且系统对比值关系要求不高的场合。实际生产过程中的从动量变化是不可避免的，因此在实际系统中很少采用开环比值控制系统。单闭环控制系统控制方案的优点是能确保流量比值比较精确。其特点是：从动量是一个闭环随动控制，主动量是开环的，结构比较简单。在工业生产过程自动化中得到广泛的应用。但由于主流量可变，所以进入系统的总流量是不固定的。双闭环比值控制系统通过主动量控制回路来克服主动量扰动，实现对主动量的定值控制；通过从动量控制回路克服作用于从动量回路中的扰动，实现随动控制。当扰动消除后，主、从动量都恢复到原设定值上，比值不变。双闭环比值控制系统与单回路控制系统相比，能够实现对主动量的抗扰动控制和定值控制，两个闭合回路可以克服各自的外界干扰，使主、从动量均比较稳定，从而使总物料量也比较平稳，系统的运行比较平稳。 它的另一方面的优点是调整负荷比较方便，只需缓慢改变主动量控制回路的给定值，通过以上分析，考虑到生产过程中换热器的实际生产环境，主动量的变化波动不是很大，并且对最后的总流量没有像反应器一样要求严格，不允许变动，另外，考虑系统设计中所用仪表多少、设备的投资等因素，最终确定控制方案为单闭环比值控制。单闭环比值控制系统方框图为：图4 单闭环比值控制系统方框图工艺流程图：图5 比值控制系统工艺流程图4、过程检测控制仪表的选用4.1流量测量仪因为此换热器控制系统的两流体均为液体，且换热器管径较大，则根据过程检测技术及仪表第二章第五节流量检测选用涡街流量计，插入式涡街流量传感器适用口径范围为350-1200mm,所以选用ktlui型插入式涡街流量计，如图所示：图6 插入式涡街流量计工作原理：按国际标准化组织is07145(在环形截面封闭管道中的流体流量测定在截面一点的速度测量法)，采用埋入压电晶体的涡街测速探头，插入大口径工业管道内，将卡门旋涡频率转换为与流量成正比的电流或电压脉冲信号或420madc电流信号。 表1 流量计技术参数公称通经（mm） 2501500 仪表材质 1cr18ni 9ti 公称压力（mpa） pn1.6mpa；pn2.5mpa被测介质温度（） 40+250 环境条件 温度10+55，相对湿度590，大气压力86106kpa 精度等级 示值的2.5% 量程比 1:10；1:15 阻力损失系数 cd=0为流量测量环节的时间常数 ，单位为分钟，在实际过程中这些参数基本不变。这里假设仪表量程为010m3/h，测量环节的时间常数t1=2min因而有,kqm=12)执行器/控制阀其流量特性为线性或等百分比，动态滞后可忽略不计，而且 kv通常在一定范围内变化，假设kv=(0.51.0)3)被控对象对于冷流体流量对象，假设控制通道与扰动通道的动态特性分别为：假设kp1=1，t2=3，=3，kd1=14)比值器流量与测量信号呈线性关系，仪表的比值系数： 假设k=0.35.2 系统仿真及pid参数整定在matlab中的simulink工具箱组件中进行系统的仿真，所搭建的系统模型如下图9所示。图9 系统仿真图pid参数初始值kc=1，ti=0.2，td=0，未整定之前系统的输出曲线为：图10 系统从动回路输出响应曲线pid参数整定：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、临界比例度法和响应曲线法。此次参数整定选用临界比例度法，这种整定方法是在闭环的情况下进行的。首先将控制器的积分作用和微分作用全部切除，将比例增益kc由小到大变化，对于每一个kc值做小幅度的设定值阶跃变化，以获得临界情况下的等幅振荡，按照下表的经验算式求取控制器的最佳参数值。表3 临界比例度法整定参数控制规律kctitdp0.5kcmaxpi0.45kcmax0.83pupid0.6kcmax0.5pu0.12pu(1)去除积分时间和微分时间，设定pid参数为：kc=1，ti=0，td=0图11 系统设定值跟踪响应（2）将kc由小到大变化，得到临界情况下的等幅振荡当kc=6.1时，响应曲线近似为等幅振荡，如图12所示。得到特征参数分别为：kcmax=6.1，pu=8根据表3，冷流体流量控制器选用pi控制规律，所以pid参数分别为：kc=0.66.1=3.66， ti=0.58=4, td=0.128=0.96图12 近似等幅振荡（kc=6.1）（3）pid参数整定完成后的响应曲线，如下图：图13 出口温度比值控制系统设定值跟踪响应(kc=3.66， ti=4, td=0.96)由图可得，响应曲线为4：1衰减振荡曲线，整定参数非常理想。5.3系统性能分析衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程，它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。下面将以阶跃响应曲线形式表示的质量指标进行分析,由图13仿真图可得:最终稳态值c=3，b=1.2 b=0.31、衰减比衰减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过渡过程稳定程度的动态指标。它等于曲线中前后两个相邻波峰之比。 2、最大动态偏差最大动态偏差指的是在单位阶跃扰动下，最大振幅与最终稳态值之和的绝对值。a=|b+c|=1.2+3=4.23、超调量 在随动控制系统中，超调量是一个反映超调情况和衡量稳定程度的指标。式中，c表示最终稳态值与其初值的差4、调节时间调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间。过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限长的时间。一般认为当被控变量进入新稳态值附近或以内的区域，并保持在该区域内时，过渡过程结束，此时所需要的时间为调节时间。调节时间5、振荡周期振荡周期是指过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔。t=8min6、峰值时间被控变量第一次达到最大值和最小值的时刻称为峰值时间。7、上升时间过渡过程开始到被控变量第一次达到稳态值的时间成为上升时间。6、课程设计总结本设计方案由于采用的是单闭环比值控制系统，其优缺点在相应设计过程中已有所介绍。本设计方案能够实现两种物料流量的比值控制，从而保证温度的恒定。控制精度较好，实施起来也比较方便。然而，两物料的流量比值虽然可以保持一定，但由于主物料是可变的，所以进入的总流量是不固定的。这对于有些要求精度高的场合是不太合适的，因为负荷波动会给控制过程带来一定的影响，这是单闭环比值控制系统所无法克服的一个