传热设备安全控制系统安全分析

1、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924所示。 一、 参数的安全控制分析 前面简单表达了热量传递三种方式的主要机理。在此必必需指出的是，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

2、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状况。 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。 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

3、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。 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，另一侧必需视具体状况而定。 在炼油化工生产过程中，许多工艺不同意冷热两流体直接接触，不同意在传热过程中伴有物质交换。因此，为达到传热目的，常采纳间壁式换热器。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

4、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以下4种。 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幻等过程的气体人口温度，都有最适宜的条件。 在生产过程中加入汲取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激烈的吸热反应，必必需加入热量，以维持转化反应。聚氯乙烯的聚合反应是一

5、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。 某些工艺过程必需要改变物料的相态。例如汽化必需要加热，冷凝会放热，将氮气冷凝成液氨便是一例。 回收热量。 由于换热目的的不同其被控变量也不完全一样。在大多数状况下，被控变量是温度，例如图925(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。关于不同的工艺要求，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925(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、两个目的服务的。而目的实际上所必需要的变量是热量，一般可取载热体的流量作为被控变量。关于一般热量回收系统，往往是不必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，必必需对传热量进行调节。调节传热量有以下几条途径。 (1)调节载热体的流量，如图926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。关于