基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计教材

1、辽宁工业大学 过程控制系统 课程设计（论文） 题目：基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级：测控 111班 学 号： 110301013 学生姓名：金兆鑫 指导教师：王铁超 起止时间： 2014 年12月15-26 日 本科生课程设计（论文） 摘要 本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过 热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为140 2。当用热水加热不能满足出口温度要求时， 则在同时使用蒸气加热。 要求测量 范围在 0-180、控制温度 1402、最大偏差 5，本次课程设计采用分程控 制系统通过一个控制器

2、控制两个阀门进而控制两个参数实现废水和蒸汽的换热过 程，选择合适的温度变送器、温度控制器、电气阀门定位器、气动阀组成相应的 控制系统实现题目要求，确定算法。进行仿真分析。本次设计特点是节省资源， 不浪费热量。采用分程控制系统可以实现节能，通过 MATLAB 仿真进行分析总 结。 关键词： 换热器；分程控制；节能；算法 本科生课程设计（论文） 目录 第 1 章 绪论 1 第 2 章 课程设计的方案论证 2 2.1 概述 2 2.1.1 系统对象特性分析 2 2.1.2 系统方案论证 2 2.1.3 确定设计方案 3 2.2 系统组成总体结构 4 第 3 章 各种仪表的设计选择 5 3.1 温度变

3、送器的选择设计 5 3.2 阀门定位器的选择 6 3.3 执行器的选择设计 7 3.4 控制器的选择设计 8 3.5 PID 控制算法 9 第 4 章 系统仿真或模拟调试 1. 0 第 5 章 课程设计总结 1.2 参考文献 1.3. II 本科生课程设计（论文） 第1章 绪论 换热技术的发展，换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单 元设备之一。据统计 , 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的 30% , 在炼油厂中占全部工艺设备的 40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是 由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明 , 虽然各种板式换热器的竞争力在 上升 ,但管壳式

4、换热器仍占主导地位约 64% 。新型换热元件与高效换热器开发研 究的结果表明 , 列管式换热器已进入一个新的研究时期 , 无论是换热器传热管 件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变 , 其流体力学性 能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。 目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究 , 主要包括管程结构和壳 程结构强化传热的发展。 换热技术的应用前景，近几年来 , 随着高温热管技术研究的不断成熟和深 入, 高温热管换热器的应用领域逐渐扩大 , 目前已广泛应用于工业、民用和国防等 各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中

5、, 常需要 500以上的 清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要 , 采用高温热管空气加热器可以轻易地达 到这一要求 , 并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。 高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功 , 并已收到了令人满意的实际效 果。根据现场测试的参数表明 , 高温热管换热器达到的某些性能指标 , 是其他类型 热风发生器所达不到的 , 因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的 换热器的国内现状，照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器 等，按换热部件的特点可分为： 管壳式换热器、 翅片管式换热器、 板式换热器 （包 括板片式换热器和板翅式换热器） 。对于各型换热器的

6、强化换热技术的研究， 主要 集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面。节能减排 已成为我国“十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今 地下换热领域研究的热点。所以现在的换热器越来越向高精尖的技术水品发展 本科生课程设计（论文） 第 2章 课程设计的方案论证 2.1 概述 本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过 热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为140 2。当用热水加热不能满足出口温度要求时， 则在同时使用蒸气加热。 要求测量 范围在 0-180、控制温度 1402、最大偏差 5。运用 MATLAB

7、仿真观察出 口温度是否满足设计要求。 2.1.1 系统对象特性分析 本次设计主要是在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水（工业废水） 和蒸汽对其进行加热。 被控对象是换热器出口温度。 控制对象是蒸汽阀和热水 （工 业废水）阀。通过 PID 运算对被控对象进行温度控制。 应用场合 : 换热器是化工、 石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之 一，在多种化工厂应用非常广泛是目前节省热能的主要工业手段。 系统功能介绍 : 本系统的功能是利用蒸汽和工业废水对换热器进行温度转换， 使热能应用到其他地方，以节省热能。本系统采用两种变量来控制换热器出口温 度，使系统更加节能，更加经济。 2.1.2 系

8、统方案论证 方案一：利用两个单回路控制系统分别控制蒸汽和工业废水，对换热器进行 换热，保证出口温度始终保持在 1402，即满足设计要求。该方案优点是控制 简单，有良好的经济性，执行起来方便。缺点是两个变量之间没有联系，而且相 对来讲浪费能源，不能保证最节约的形式。该方案总体框图如图2.1 所示。 本科生课程设计（论文） 图 2.1 单回路控制系统 方案二：利用分程控制系统控制废水和蒸汽的换热器控制，通过一个控制器 来控制两个阀门，一个阀门控制蒸汽流量，另一个阀门控制热水（工业废水）流 量，通过协调作用来保证换热器出口温度保持在 1402，该方案的优点是，通 过一个控制器完成两个控制变量的相互协

9、调可以再利用 PID 算法减小偏差，更加 节省物料。该设计方案的缺点是分程控制的实现相对单回路而言比较复杂，执行 起来不容易。分程控制总体结构框图如下图 2.2 所示。 图 2.2 分程控制系统 2.1.3 确定设计方案 分程控制系统是由单回路控制系统演变过来的，具有一个控制器可以控制多 个阀门的控制系统，在实际生产中有一只控制器的输出信号分段分别去带动两个 或两个以上的控制阀作用，每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段信 号内工作的控制方式称为分程控制。根据两个方案的比较以及设计要求，本次设 计采用方案二。方案二可以对两个变量进行协调控制，效果会比两个互相没有联 系的单回路控制要好。

10、在本设计系统中，温度控制器采用反作用方式，即当换热器出口温度低于要 本科生课程设计（论文） 求温度时控制器对两个阀的开度加大，因此蒸汽阀和热水阀都选用气开的形式， 工作信号范围在 A阀为 19.658.9Kpa，B阀为 58.9 98.1Kpa范围内， A阀开， B 阀关，节省蒸汽。当换热器出口温度下降时温度控制器输出气压信号增强，当 气压信号到 58.9Kpa 时， A阀全开+B阀打开来保持出口温度。 2.2 系统组成总体结构 图 2.3 总体结构图 系统的组成总体结构图如下图 2.3 所示 本科生课程设计（论文） 第3章 各种仪表的设计选择 3.1 温度变送器的选择设计 在过程控制系统中用

11、于参数检测的传感器、 变送器是系统中获取信息的装置。 传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号 传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地 测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或 调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统 设计中的重要一环。 传感器与变送设备的选择与使用， 主要根据被检测参数的性 质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数的性质、测量精度、响 应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统 设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替

12、换性等方面加以综合考虑 。 本次课设采用 SBWZ-2460温度变送器，此传感器采用全不锈钢封焊结构，具 有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。 广泛用于工业设备、水利、 化工、医疗、 电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等温度测量与控制。 量程： -50-200 . 输出信号： 4-20mA直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性。同时叠 加符合 HART 标准协议通信信号 . 基本误差： 0.2%FS、 0.5%FS； 接线方式：二线制、三线制； 显示方式：四位 LCD显示温度； 工作电压： 12-35V DC ； 工作环境：环境温度 -25-80 ； 相对温度 5%-95%；

13、 无腐蚀气体或类似环境； 如下图 3.1 所示为 SBWZ-2460温度变送器实物图。 本科生课程设计（论文） 图 3.1 SBWZ-2460 温度变送器 3.2 阀门定位器的选择 本次设计由于采用气动阀门，所以需要用电气阀门定位器来实现温度控制器 的输出电信号转换为气信号作用到阀门上，阀门定位器在生产生活中应用广泛。 本次设计采用 HEP-17电气阀门定位器，其参数如下所示。 精度：小于全行程的 1%； 回差：小于全行程的 1%； 死区：小于全行程的 0.4%； 特性：线性； 气源压力： 0.14 0.16Mpa、0.17 0.5 Mpa； 电气连接： G1/2 螺纹； 气管连接：卡套式气管

14、接头； 外形尺寸： 392.5*141.5*231 （长宽高）； HEP-17电气阀门定位器实物图如下图 3.2 所示 本科生课程设计（论文） 图 3.2HEP-17 电气阀门定位器 3.3 执行器的选择设计 执行器（ final controlling element ）是自动化技术工具中接收控制信息并 对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵 变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。 在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通 过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则 接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调

15、节机构的输出（如角位移或直线位 移输出）。它也采用适当的执行元件， 但要求与调节机构不同。 执行器直接安装在 生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安全 性和可靠性。 自动调节阀是能够按照所输入的控制信号自动改变开度的阀门。自动调节阀 按其工作能源形势可分为气动、电动、液动三大类。 本次课设执行器采用 MA系列气动调节阀， 配用多弹簧执行机构。 具有结构紧 凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈 S 流线型、压降损失小、阀容量大、流量特 性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀 的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄

16、漏量小 阀前后压差不大的工作场合 。 参数如下所示。 公称通径： 124； 阀体内型：直通式，角式； 执行机构：气动执行机构； 本科生课程设计（论文） 阀作用形式：气开式、气关式； 流量特性：快开、线性、等百分百； 类型： III 型表； 图 3.3MA 系列气动调节阀 MA系列气动调节阀实物图如下图 3.3 所示 3.4 控制器的选择设计 本次设计采用通用型 PID温度控制器， 型号为 ZWS-42-1WS1L温度控制器，该 表采用标准 Modbus协议（ RTU模式），无须制作驱动程序，通用性极好。该表具 有多类型输入功能，一台仪表可以配接不同的输入信号 （热电偶/热电阻 /线性电压 /

17、线性电流 / 线性电阻 ）, 大大减少了备表的数量。 可与各类传感器、 变送器配合使 用，实现对温度、压力、液位、流量等物理量的测量和显示，并配合各种执行机 构，对电加热设备和电磁、电动阀门进行 PID 调节和控制。技术参数如下所示 供电电压： AC220V 50HZ； 测量控制范围：温度 =-50 99 精度 =1； 湿度 0 100%RH 精度 3%RH （10RH99%RH）； 参数设置：上限值：温度 =-4999 湿度 =299RH； 下限值：温度 =-5099 湿度 =198RH； 传感器误差修正：温度 -50 99 湿度 0100RH； 显示方式： 各三位 LED 数码管显示， 1

18、 位小数； 响应速度： 典型值 5S； 本科生课程设计(论文) 负载继电器输出容量： AC220V / 5A (阻性负载时)二路 有源输出； 体积： 72x72x80mm； ZWS-42-1WS1L实物图如下图 3.4 所示。 图 3.4ZWS-42-1WS1L 3.5 PID 控制算法 比例控制规律 (P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下 控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起 始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作 用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大， 工艺要求又不太高的

19、场合，可选用比例控制作用。 比例积分 (PI) 控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较 小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的 控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容 易引起较大的超调， 可能出现持续振荡， 所以要尽可能避免用比例积分控制规律， 不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效 果甚好，所以应用较多。 本科生课程设计（论文） 第4章 系统仿真或模拟调试 经过 MATLAB仿真，本设计的分程系统结构图如下图 4.1 所示 图 4.1 分程结构仿真图 相应的 PI 设定值如下图 4.2 所示。 图 4.2 PI 参数设定 10 本科生课程设计（论文） 仿真波形图如下图 4.3 所示 图 4.3 无扰动仿真图 当加入干扰时分程结构如下图 4.4 所示 图 4.4 分程结构仿真图 带有干扰的仿真图如下图 4.5 所示。 图 4.5 加干扰后的仿真图 11 本科生课程设计（论文） 第 5章 课程设计总结 本次课程设计是基于工业废水和蒸汽的换热器控制系统，采用