换热器及锅炉控制函数

1、第11章 传热设备的控制11.1 概述 传热过程是工业生产过程中重要的组成部分。根据工艺的要求，完成对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。为了保证工艺过程的正常、安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。一、 传热设备的类型二、1、从热量的传递方式来分： 热传导、对流和热辐射2、从进行热交换的两种流体的接触关系来分： 直接接触式、间接式和蓄热式3、按冷热流体进行热量交换的形式看有两类： 一类是在无相变情况下的加热与冷却； 另一类是在相变情况下的加热与冷却。4、从结构来分： 列管式、蛇管式、夹套式和套管式传热设备的结构类型见课本P192 图11-1热设备的类型：二、传热设备的控制要求传热目的：使工

2、艺介质达到规定的温度；使工艺介质改变相态；回收热量。传热设备的控制：主要是热量平衡的控制，温度作为被控变量。对某些传热设备，也有约束条件的控制。T1iT2iG1G211.2 一般传热设备的控制一般传热设备通常指：换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器汽化并升温燃烧放热锅炉有相变蒸汽冷凝放热再沸器升温或汽化燃烧放热加热器升温，不起相变蒸汽冷凝放热蒸汽加热器冷凝或冷却冷剂升温或蒸发吸热冷凝冷却器温度变化，不起相变不起相变，显热变化换热器工艺介质情况载热体（冷热源）情况设备类型工艺介质情况载热体（冷热源）情况设备类型一、 换热器的控制1、换热器的特性换热器两侧介质（工艺介质和载热体）在换热过程中都没

3、有相变。（1）换热器的特性逆流单程换热器G1c1T1oG1c1T1iG2c2T2iG2c2T2o换热器特性G1：工艺介质的流量G2：载热体的流量T1i-工艺介质的入口温度；T2i-载热体的入口温度；T1o-工艺介质的出口温度；T2o-载热体的出口温度。c1: 工艺介质的比热容c2 : 载热体的比热容对象静态特性：T1O = f (T1i , T2i , G1 , G2)静态特性基于热平衡关系式、传热速率方程式来推导。热平衡关系式： q=G1c1(T1o T1i)=G2c2(T2i T2o) （11-2）q: 传热速率；G：质量流量；c:比热容；T：温度传热速率方程式： q=KFDT （11-3

4、）K：传热系数；F：传热面积； DT：平均温差平均温差DT对于逆流、单程的情况为对数平均值：（11-4）工程上可采用算术平均值近似代替对数平均值：（11-5）将（11-5）及（11-2）代入（11-3）中，得：（11-6）（11-6）式为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。各通道的静态放大倍数均可由此式导出。选取T10为被控变量，G2为操纵变量，T1i为主要干扰，则可按（11-6）式对G2 、T1i分别求导，以得到控制通道和干扰通道的静态放大倍数。对象的动态特性：一般换热器为分布参数对象，而分布参数对象中的变量既是时间的函数，又是空间的函数，其变化规律需用微分方程来描述。对于换热器的动

5、态特性，可以用下面的近似关系式来表示。（11-11）a. 工艺介质入口温度对其出口温度的影响，即DT1iD T1o通道特性：（11-12）式中 K1 ：通道的静态放大倍数； W1 ：换热器内工艺介质储存量； G1：工艺介质的流量；=W1/G1:工艺介质在换热器内的停留时间。 b.载热体入口温度T2i ,流量G2以及工艺介质流量G1对工艺介质出口温度T1o的影响，即T2iT1o、G1T1o、G1T1o三个通道的特性，可近似表示为：W1、W2、G1、G2分别为工艺介质和载热体的储存量、流量。式中：K各通道的静态放大倍数；G1G22、换热器的控制方案换热器的控制基本方案有两类：a.以载热剂的流量为操

6、纵变量G2TCG2TC合流形式载热体流量控制控制载热体流量的方案将工艺介质合路的方案G2TCG1b.工艺介质的旁路控制将工艺介质分路的方案G2TCG1二、蒸汽加热器的控制（1） 载热剂蒸汽的流量：改变温差T和传热面积F。换热器前馈-串级控制Sp.GffFMff1 2 TCFCFSG2TC控制载热体流量的方案蒸汽蒸汽加热器T-L串级控制G2TCG1蒸汽LC控制冷凝管排放的方案G2TCG1冷凝液蒸汽（2）控制冷凝液排放：传热面积F。蒸汽加热器前馈控制G2TCG1冷凝液FC物料气氨液氨TC控制载热体流量的方案三、冷凝冷却器的控制（1）控制载热剂流量LC物料气氨液氨TC冷凝冷却器T-L串级控制物料气氨

7、液氨TC冷凝冷却器选择性控制LSLC （2）控制气氨排量控制气氨排量方案气氨液氨TCLC11.3 锅炉设备的控制一、概述1、锅炉可产生高压蒸汽用于驱动蒸汽透平的动力源或作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源，是石油化工、发电厂的重要动力设备。2、锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。锅炉设备主要控制系统： （1）锅炉汽包水位控制：汽包水位作为被控变量，给水流量作为操纵变量。作用：保持汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。 （2）锅炉燃烧系统的控制：被控变量：蒸汽压力（负荷），烟气成份（经

8、济燃烧指标）和炉膛负压；操纵变量：燃料量、送风量、引风量。 控制系统的作用：a.满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要；b.使燃料与空气量之间保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行；c.使引风量和送风量相适应，保证炉膛负压在一定范围内。 （3）过热蒸汽系统的控制： 被控变量为过热蒸汽温度，操作变量为减温器的喷水量；作用：使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许的温度。（4）锅炉水处理过程的控制： 锅炉给水的水性能指标达到工艺要求，一般采用离子交换树脂对水进行软化处理；另外采用蒸汽加热进行除氧处理。二、锅炉汽包水位的控制：汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在

9、一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，水位过高、过低，都会给锅炉及蒸汽用户的安全操作带来不利的影响。 所以，必须对汽包水位进行严格的控制。（1）汽包水位的动态特性12345678锅炉汽水系统决定汽包水位除汽包中储水量的多少外，也与水位下汽包容积有关。影响汽包水位的主要因素：锅炉蒸发量（蒸汽流量D）和给水流量W；1） 汽包水位在给水流量作用下的动态特性，即控制通道特性：DHH2HttH1WHH1H tt给水流量阶跃作用下水位变化响应曲线蒸汽流量扰动下的水位变化响应曲线2)汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性：飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时的变化速度；K2响应曲线H2的放大系数；T2响应曲线

10、H2的时间常数。“虚假水位”现象：蒸汽量突然加大时，水位不下降反而迅速上升，然后再下降；.蒸汽量突然减少时，水位不上升反而迅速下降，然后再上升；虚假水位现象属于反向特性，给控制带来了一定的困难，在控制方案的设计时，必须引起特别注意。LC给水蒸汽（2）单冲量控制系统冲量泛指变量或参数单冲量控制系统存在三个问题：（1）当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向误动作；（2）对负荷不灵敏；（3）不能克服给水流量的干扰。特点：控制系统结构简单，适用于汽包内水位的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉。（3）双冲量控制系统 针对单冲量控制系统存在的问题，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动

11、作，而且也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制质量。加法器的运算关系为：I=C1ICC2IFI0 阀的开闭形式、控制器正反作用、运算器符号决定：以保护锅炉的安全为主，选气闭；以保护汽轮机用户安全为主，选气开。 LC 控制器正反作用，气闭时为正作用，气开时为反作用。 运算器符号：气闭时C2为负号，气开时C2为正号。LC给水蒸汽FTI0IFICI前馈（蒸汽流量）+单回路控制系统+-GC1GmGvGPCGmFGPDc1DICIFI0ILL0c2双冲量控制系统的其他形式：LC给水阀蒸汽水位-LC给水阀蒸汽水位-TdS（4）三冲量控制系统：LC给水蒸汽FTI0IFICIFC双冲量控制系统无法克服给水

12、干扰的影响，引入给水量，构成三冲量控制系统+-GC1GC2GmGmFGP2GPCGmFGPD-UICIFI0IIFLL0三冲量控制系统方框图三冲量控制系统的其它形式：LC给水阀蒸汽水位+给水-+气闭阀“正”LC给水阀蒸汽水位+给水-FC气闭阀“反”“正”LC给水阀蒸汽D水位-给水W+气闭阀“正”三、蒸汽过热系统的系统蒸汽过热系统的系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。T1C第一过热器T2C第二过热器减温器减温水过热蒸汽温度串级控制系统TC第一过热器第二过热器减温器减温水d/dt过热蒸汽温度双冲量控制系统四、锅炉燃烧系统的控制燃烧系统的控制基本要求：使出口蒸汽压力稳定；保证燃烧过程的经济性；保

13、持炉膛负压恒定。1.蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统PC空气蒸汽K燃料空气FCFC燃料PCF1CKF2CHSLS蒸汽燃料空气“反”气开气开具有逻辑提减量的比值控制系统2.燃烧过程的烟气氧含量闭环控制锅炉的热效率（经济燃烧）最简便的检测方法，是用烟气中的氧含量来表示。实际上完全燃烧所需的空气量应超过理论空气量，即需有一定的空气过剩量。而氧含量的多少就表示了空气过剩的大小。PC空气蒸汽K燃料空气FCFC燃料ACO2最优值3.炉膛负压控制与有关安全保护系统蒸汽P1CPSALSP2CP3C燃料 K （1）炉膛负压控制系统（2）防脱火和防回火控制系统11.4 加热炉的控制加热炉在生产过程中往往是关键

14、的工艺设备，其控制系统应给予足够的重视。其控制系统的主要作用：维持对物料热传递的效率；维持一可以控制的燃料燃烧效率；保证加热炉操作的安全。 加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度及流量。一、加热炉的流量控制加热炉的流量控制一般有两方面的意义：（1）工艺介质的流量平稳为整个工艺的稳定操作提供了有利条件；（2）工艺介质流量的平稳为介质温度的自动控制提供了有利条件。FC燃料原料加热炉的流量控制二、加热炉的温度控制FC燃料原料TC1.简单温度控制2.串级温度控制FC燃料原料PCTCFC燃料原料FCTCa.温度-流量串级控制 b.温度-压力串级控制FC燃料气原料TCFC燃料原料T1CT2Cc.温度-

15、温度串级控制 d.采用压力浮动阀的控制P控P燃 FT燃料原料TCGff3.前馈-反馈控制三、加热炉燃料系统的控制 加热炉燃料油的压力和雾化情况对炉出口温度有较大的影响，也需要加以控制。控制方案有：a.燃料油与雾化蒸汽压力控制 b.燃料油与雾化蒸汽压差控制P1CP2C燃料油雾化蒸汽回流至喷嘴PdTPdC燃料油雾化蒸汽至喷嘴c.燃料油与雾化蒸汽压力比值控制KPC燃料油雾化蒸汽至喷嘴四、加热炉安全联锁保护系统1.以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护系统： 在以燃料气为燃料的加热炉中，主要危险是：(1)被加热工艺介质流量过低或中断。此时必须采取安全措施，切断燃料气控制阀，停止燃烧，否则会将加热炉管子烧坏，使其破裂，造成严重的生产事故。(2)当火焰熄灭时，会在燃烧室里形成危险性的燃料气空气混合物。(3)当燃料气压力过低即流量过小时，会产生回火现象，故要保证最小燃料气流量。(4)当燃料气压力过高时，喷嘴会出现脱火现象，以至造成灭火，甚至会在燃烧室里形成大