过程装备与控制工程专业课程设计-换热器出口温度比值控制系统设计.doc

中北大学课程设计说明书中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 换热器出口温度比值控制系统设计 指导教师： 职称: 教授 职称: 讲师 2012年1月3日中北大学课程设计任务书 2011/2012 学年第 1 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目： 换热器出口温度比值控制系统设计 起 迄 日 期： 2011年12月19日2012年1月5日 课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 刘广璞、王泽兵 系 主 任： 姚竹亭 下达任务书日期: 2011 年12月 19日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。1、确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；2、现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；3、给出控制系统方框图；4、分析被控对象特性，选择控制算法；5、进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；6、写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份（A4纸）。 4主要参考文献：1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编 化学工业出版社2过程自动化及仪表 俞金寿 主编 化学工业出版社 3工业过程控制工程 王树青 主编 化学工业出版社4控制仪表及装置 吴勤勤 主编 化学工业出版社5过程控制仪表 徐春山 主编 冶金工业出版社6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 主编 化学工业出版社7过程控制装置 张永德 主编 化学工业出版社8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱 主编 化学工业出版社9化工设备设计设计手册（上、下） 朱有庭 主编 化学工业出版社10工业过程检测与控制 孟华 主编 化学工业出版社5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划及进度：2011年12月19日 12月22日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；12月23日 12月26日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；12月27日 12月31日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；1月1日 1月3日 编写课程设计说明书2012年1月4日 答辩系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 换热器工作原理及结构特点11.1问题背景11.2被控对象的特性分析21.3 目前换热器的控制方法72 控制方案的选择93 仪表的选型及参数的确定113.1流量测量仪113.2调节器133.3 调节阀134 控制系统的仿真144.1各个环节传递函数及各个参数的确定145 课程设计总结176 主要参考文献187 附图191 换热器工作原理及结构特点 1.1问题背景 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。换热系统中，生产过程需要对系统的一些参数进行控制，其中，换热器出口介质的温度是最为主要、最为常见的控制对象，也是关系工艺产品质量的重要因素之一。目前，对温度的控制大都采用传统的PID调节器。但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性的特点，而且整个控制过程与环境条件及换热系统本身等因素密切相关，是一个典型的参数时变的非线性系统，所以，要寻求一个更好地控制办法以满足工业生产的需要。 1.2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，令为热流体的流量，为冷流体流量。分别为热流体和冷流体的入口温度，分别为热流体和冷流体的出口温度，而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，为 （1-1）式中，为传热速率(单位时间内传递的热量)；为质量流量；为比热容；为温度。式中的下标处 1 为载热体；2 为冷流体；为入口；为出口。另外，传热过程中的为 （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。对上式进行增量化，令，则可得: （1-6） 由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）（1-8）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; 微元体的质量消去方程式中的，并适当的整理，得： （1-11） 同理，可得流体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。1.3 目前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。2 控制方案的选择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：扰动输出被控对象调节阀流量控制器FC比值器流量检测变送器流量检测变送器图4单闭环比值控制系统方框图图中， FC为流量控制器，GV为调节阀传递函数， Gp1为流量对象传递函数， 为流量检测变换传递函数，Gd1为主回路干扰传递函数。其控制流程图为： 图5 控制系统流程图3 仪表的选型及参数的确定3.1流量测量仪选用SKLUCB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。技术参数 ：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 Cd2.6 输出信号 传感器：脉冲频率信号0.1 3000Hz 低电平1V 高电平6V变送器：两线制4 20mADC电流信号 3.2调节器选择SK808/900系列智能PID调节仪图7 SK808/900系列智能PID调节仪智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量，并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电力、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集等。3.3 调节阀选择KVQJ系列电动单座、套筒调节阀。图8 调节阀KVQJ系列电动单座、套筒调节阀，接受调节仪表来的直流电流信号，改变被调介质流量，使被控工艺参数保持在给定值。广泛应用于电力、冶金、化工、石油、轻纺、制药、造纸等工业部门的生产自动化控制。本系列产品公称通径由20至200mm，公称压力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用温度范围由-40450，接受信号为010mA.DC或420mA.DC。流量特性为线性或等百分比。配用不同的执行机构可分为普通型和电子型两种。表2 调节阀技术参数公称通径DN(mm)（阀座直径dn）2025324050658010121520额定流量系数直级1.82.84.46.91117.627.54469110等百分比1.62.546.31016254063100额定行程(mm)162540公称压力PN（MPa）1.0 1.6 4.0 6.4固有流量特性直线 等百分比固有可调比50工作温度t（）-20200 -40250 -40450 -60450信号范围（mA.DC）010 420作用方式电关式 电开式使用环境温度（）电动调节阀：-2070 伺服放大器：050使用环境条件电动调节阀：95% 伺服放大器：85%电源电压220V 50Hz 380V 50Hz 24AC/DC4 控制系统的仿真4.1各个环节传递函数及各个参数的确定冷、热流体流量测量仪表插入式涡街流量计为线性单元，动态滞后可忽略，用一阶环节来近似： （4-1）通过查找相关资料，这里假设涡街流量计的，对于调节阀，由于其流量特性为直线和等百分比。对于调节阀控制流量对象，控制通道的动态特性为： （4-2） （4-3）这里假设， 对于换热器的结构及一般热力学关系，流量控制通道的传递函数近似为 （4-4）在本设计中讨论的列管式换热器中，假定, ,。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。由于是采用比值对流量进行控制，所以选择控制器的调节规律为PI调节。根据调节器参数工程整定的相关内容，利用经验试凑法，对于流量系统是典型的快速系统，对象的容量滞后小，被控变量有波动，对于这种过程，不用微分作用，采用PI调节规律，且比例度要大，积分时间要小。通过对调节器参数经验数据的使用，最终使控制系统的一些性能指标都相对较好。图9 系统仿真模型图10 系统流量特性随时间的相应特性曲线图11 系统温度响应特性曲线从仿真结果看，当闭环内部遇到阶跃干扰时，可以较好的保持稳定，对于流量随时间的相应特性曲线如图9所示，系统温度响应特性曲线如图10所示，在仿真结果中可以看到，系统在受到阶跃干扰时，流量能很快的保持稳定，回复时间大约为15s左右，而换热器的温度响应时间由于其惯性较大，时间较久，大约需要3min左右。此时，参数整定的结果为：5 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弱点。为了能很好地实现两流量的比值恒定，又能使进入系统的总负荷平稳，可以采用双闭