第五部分 传热设备的控制

1、5 传热设备的控制传热设备的控制5.1 5.1 传热设备的特性传热设备的特性5.2 5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制5.3 5.3 复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用工业生产过程中工业生产过程中 , , 用于进行热量交换的设备称为传热设备。用于进行热量交换的设备称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发生相变传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发生相变化或不发生化或不发生相变相变。热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流。热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流。实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。根据传热实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。根据传热过程

2、中热交换的两种流体是否接触过程中热交换的两种流体是否接触, , 可分为直接接触式、间壁可分为直接接触式、间壁式和蓄热式等三种。式和蓄热式等三种。5 .1 传热设备的特性传热设备的特性5.1 传热设备的特性传热设备的特性一一. . 换热器静态特性的基本方程式换热器静态特性的基本方程式1 1热量衡算式：热量衡算式：热流体放出热量热流体放出热量= =冷流体吸收热量冷流体吸收热量+ +热损失热损失v 发生相变时：发生相变时：冷凝（汽相冷凝（汽相液相）或汽化（液相液相）或汽化（液相汽相）汽相） 相变时，流体的温度不变：传热速率相变时，流体的温度不变：传热速率 冷热流体均有相变冷热流体均有相变: : 仅有

3、一种流体有相变仅有一种流体有相变: : 或或v 不发生相变：不发生相变：传热速率传热速率: : 冷热流体均无相变冷热流体均无相变: : 5.1 传热设备的特性传热设备的特性qG()OiqG1 12222()OiGG c221 111()iOGGc1 122GG22221 111()()OiiOG cGcG质量流量； c比热容相变热； 温度5.1 传热设备的特性传热设备的特性2.2.传热速率方程式：传热速率方程式：算术平均值：算术平均值：对数平均值：对数平均值： 3 3换热器静态特性的基本方程换热器静态特性的基本方程 或或mmqUA2121()()2oiiom21212121()()ln()oi

4、iomoiio111 11 1212211(1)2oiiiGcGcUAmG c21111 11 1221(1)2iioiG cG cUAmG c5.1 传热设备的特性传热设备的特性影响冷流体出口温度扰动影响冷流体出口温度扰动载热体流量载热体流量G2载热体入口温度载热体入口温度2o冷流体流量冷流体流量G1冷流体入口温度冷流体入口温度1i冷流体平均比热容冷流体平均比热容c1、载热体的平均比热容载热体的平均比热容c2、换热器的传热总系数换热器的传热总系数U平均传热面积平均传热面积Am等。等。当冷流体、载热体确定，换热当冷流体、载热体确定，换热器设备确定后，这些参数确定。器设备确定后，这些参数确定。操

5、纵变量操纵变量主要扰动变量主要扰动变量5.1 传热设备的特性传热设备的特性 换热器的静态放大系数（扰动通道一）换热器的静态放大系数（扰动通道一）冷流体流量冷流体流量G1-G1-出口温度通道增益出口温度通道增益K1K1求导得：求导得：该通道的该通道的静态放大系数静态放大系数K1K10,0,输入输出间呈非线性关系输入输出间呈非线性关系 表明：表明：冷流体流量增加，冷流体出口温度降低（斜率为负）且随冷流体冷流体流量增加，冷流体出口温度降低（斜率为负）且随冷流体流量增大，冷流体出口温度降低量减小流量增大，冷流体出口温度降低量减小21111 11 1221(1)2iioiG cG cUAmG c1211

6、1121 11 112222()()12(1)2oiiccKG cG cGUAmG cUAmG c5.1 传热设备的特性传热设备的特性换热器的静态放大系数（扰动通道二）换热器的静态放大系数（扰动通道二）2 2冷流体入口温度冷流体入口温度- -出口温度通道的增益出口温度通道的增益K K2 2求导得求导得 该通道的该通道的静态放大系数静态放大系数K K2 21,1,输入输出间呈线性关系输入输出间呈线性关系 表明：冷流体出口温度变化量小于冷流体入口温度的变化量表明：冷流体出口温度变化量小于冷流体入口温度的变化量21111 11 1221(1)2iioiGcGcUAmG c1 11 112221 11

7、 11221(1)21(1)2oiGcGcUAmG cKGcGcUAmG c5.1 传热设备的特性传热设备的特性换热器的静态放大系数（扰动通道三）换热器的静态放大系数（扰动通道三）3 3载热体入口温度载热体入口温度- -出口温度通道的增益出口温度通道的增益K3K3求导得求导得 该通道的静态放大系数该通道的静态放大系数K30,K30,输入输出间呈线性关系输入输出间呈线性关系 表明：载热体入口温度变化量正比于冷流体入口温度的变化表明：载热体入口温度变化量正比于冷流体入口温度的变化21111 11 1221(1)2iioiGcGcUAmG c131 11 122211(1)2oiKGcGcUAmG

8、c5.1 传热设备的特性传热设备的特性换热器的静态放大系数（扰动通道四）换热器的静态放大系数（扰动通道四）4 4载热体流量载热体流量- -出口温度通道的增益出口温度通道的增益K4K4求导得求导得 该通道的静态放大系数该通道的静态放大系数K40,K40,输入输出间呈非线性关系输入输出间呈非线性关系 表明：表明： 载热体流量增加，冷流体出口温度升高（斜率为正）但随载热体流量增加，冷流体出口温度升高（斜率为正）但随载热体流量增大，冷流体出口温度趋于饱和载热体流量增大，冷流体出口温度趋于饱和21111 11 1221(1)2iioiGcGcUAmG c1211 14221 11 122222()12(

9、1)2oiiG cKG cG cGG cUAmG c5.1 传热设备的特性传热设备的特性 控制方案确定和控制阀流量特性的选择控制方案确定和控制阀流量特性的选择 1 1控制方案的确定控制方案的确定 变量分析：变量分析：被扰变量：冷流体出口温度被扰变量：冷流体出口温度操作变量：载热体热量操作变量：载热体热量扰动变量：冷流体入口温度、流量及载热体入口温度扰动变量：冷流体入口温度、流量及载热体入口温度 系统特性分析：非线性特性，饱和特性系统特性分析：非线性特性，饱和特性 控制系统框图控制系统框图 组成简单反馈控制系统组成简单反馈控制系统 前馈前馈反馈控制系统反馈控制系统 串级控制系统串级控制系统 其他

10、控制系统其他控制系统 5.1 传热设备的特性传热设备的特性2 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择 选择原则：使系统总的开环放大系数保持恒定选择原则：使系统总的开环放大系数保持恒定 定值控制系统：定值控制系统： 假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线移动假设扰动是冷流体或载热体的入口温度，负荷线移动 根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀 假设扰动是冷流体的流量，负荷线变化假设扰动是冷流体的流量，负荷线变化根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀 随动控制系统：随动控制系统： 负荷线不变，设定值变化负荷线

11、不变，设定值变化 根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀根据选型原则应选对数或抛物线特性的控制阀 综合上述分析，应选对数或抛物线特性的控制阀综合上述分析，应选对数或抛物线特性的控制阀 5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制一般传热设备指以对流传热为主的传热设一般传热设备指以对流传热为主的传热设备。例如，备。例如， 换热器、蒸汽加热器、氨冷器、换热器、蒸汽加热器、氨冷器、精馏塔的再沸器等。精馏塔的再沸器等。被控变量被控变量 工艺介质的出口温度、工艺介质的出口温度、操作变量操作变量 载热体的流量载热体的流量5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制iii12110mUAcG22mUAcG

12、11根据热量衡算式和传热速率方程式：改变载热体流量时，会引起根据热量衡算式和传热速率方程式：改变载热体流量时，会引起平均温差的变化，流量增大，平均温度升高。平均温差的变化，流量增大，平均温度升高。采用其他控制方案：工艺介质分路控制采用其他控制方案：工艺介质分路控制载热体流量与冷流载热体流量与冷流体出口温度的关系体出口温度的关系调节载热体流量调节载热体流量调节载热体流量的目的调节载热体流量的目的: :改变传热速率方程中的传热系数改变传热速率方程中的传热系数U U和平均温差和平均温差mm载热体不发生相变：传热系数载热体不发生相变：传热系数U U变化不大，根据传热面积变化不大，根据传热面积AmAm分

13、为：分为： AmAm足够大：工作点在负荷线的非饱和区，改变足够大：工作点在负荷线的非饱和区，改变G G2 2能有效控制能有效控制mmAmAm不够：负荷增加时，工作点进入饱和区，增加不够：负荷增加时，工作点进入饱和区，增加G G2 2不能有效增大不能有效增大mm5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制考虑换热器的动态特性：考虑换热器的动态特性：时滞时滞冷流体入口温度对出口温度时滞较大，而且其他冷流体入口温度对出口温度时滞较大，而且其他扰动通道也具有较大的时间常数。扰动通道也具有较大的时间常数。控制方案设计应包含时滞补偿控制系统或改进工控制方案设计应包含时滞补偿控制系统或改进工艺减小时间常数和

14、时滞。艺减小时间常数和时滞。5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制控制系统控制系统v单回路控制（载热体其他扰动波动不大）单回路控制（载热体其他扰动波动不大）v串级控制（载热体压力或流量波动较大）串级控制（载热体压力或流量波动较大）v前馈前馈- -反馈控制（原料流量波动较大）反馈控制（原料流量波动较大）5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制例如：气压高或液位高时发出报警信号，并使连锁动作，关闭例如：气压高或液位高时发出报警信号，并使连锁动作，关闭有关阀门。有关阀门。当气压或液位波动较大时，也可采用当气压或液位波动较大时，也可采用串级控制系统串级控制系统。 出口温度和蒸汽压力串级出口温

15、度和蒸汽压力串级 出口温度和液位串级。出口温度和液位串级。也可采用也可采用选择控制系统选择控制系统，即在安全软极限时，正常控制器切换即在安全软极限时，正常控制器切换到取代控制器到取代控制器2 载热体发生相变：例如，氨冷器、蒸汽加热器等载热体发生相变：例如，氨冷器、蒸汽加热器等AmAm足够大：足够大：可满足汽相完全冷凝为液相，液相完全汽化为汽相，因可满足汽相完全冷凝为液相，液相完全汽化为汽相，因此，改变此，改变G G2 2 能有效控制能有效控制mmAmAm不够：不够：汽相不能完全冷凝为液相，因此，汽相压力会升高，同样汽相不能完全冷凝为液相，因此，汽相压力会升高，同样，液相不能完全汽化为汽相，因此

16、，液位会升高，液相不能完全汽化为汽相，因此，液位会升高. .因此，因此，如采用载热如采用载热体流量控制出口温度时，应设置报警或联锁系统体流量控制出口温度时，应设置报警或联锁系统5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制例如例如 , , 蒸汽加热器的冷流体出口温度控制可采用出口温度和蒸汽加热器的冷流体出口温度控制可采用出口温度和蒸汽压力的选择性控制系统蒸汽压力的选择性控制系统 ；氨冷器的出口温度控制可采用该温度和液氮液位的选择性控制氨冷器的出口温度控制可采用该温度和液氮液位的选择性控制系统等系统等, , 如图所示。同样如图所示。同样, , 可根据扰动变化的频度和幅度可根据扰动变化的频度和幅度

17、, ,采采用前馈用前馈 - -反馈反馈控制系统控制系统 5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制调节载热体的汽化温度调节载热体的汽化温度1 1 控制目的：改变传热速率方程中的平均温差控制目的：改变传热速率方程中的平均温差mm控制方案：气氨控制阀开度变化控制方案：气氨控制阀开度变化汽相压力变化汽相压力变化汽化温度变化汽化温度变化传传热量变化热量变化出口温度变化出口温度变化 要求有一定的蒸发空间，常用要求有一定的蒸发空间，常用LCLC控制进入的液氨量控制进入的液氨量2 2 特点特点 改变汽相压力，因此，动态响应快改变汽相压力，因此，动态响应快 需增加液位控制系统及相应的液氨加压的压缩机。投资费

18、用大需增加液位控制系统及相应的液氨加压的压缩机。投资费用大 液氨的压力要较高，以利汽化。因此，对设备的耐压要求也提高液氨的压力要较高，以利汽化。因此，对设备的耐压要求也提高 当气氨的压力波动较大时，可加入气氨压力的副环，组成串级控制当气氨的压力波动较大时，可加入气氨压力的副环，组成串级控制 5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制工艺介质分路工艺介质分路1 1 工艺介质分路的目的：工艺介质分路的目的： 工艺介质分路采用先过热，再混合冷流体降温来达到所需温度工艺介质分路采用先过热，再混合冷流体降温来达到所需温度控制方案：控制方案： 采用三通控制阀（可安装在入口或出口处）采用三通控制阀（可安装

19、在入口或出口处） 采用两个控制阀分程控制（一个是气开型，另一个是气关型）采用两个控制阀分程控制（一个是气开型，另一个是气关型） 特点：特点： 对载热体流量不加控制，而对被加热流体进行分路，使饱和区发对载热体流量不加控制，而对被加热流体进行分路，使饱和区发生在被加热流体流量较大时，因此，常用于传热面积较小的场合生在被加热流体流量较大时，因此，常用于传热面积较小的场合 由于采用混合，因此，动态响应快，用于多程换热器等时滞大的场由于采用混合，因此，动态响应快，用于多程换热器等时滞大的场合合 能耗较大，供热量应大于所需热量，常用于废热回收系统能耗较大，供热量应大于所需热量，常用于废热回收系统 设备投资

20、大，需要两个控制阀和一个控制器设备投资大，需要两个控制阀和一个控制器双重控制系统：响应快及静态特性好。先开旁路阀，再慢调载热体流双重控制系统：响应快及静态特性好。先开旁路阀，再慢调载热体流量量 调节调节传热面积传热面积控制阀安装在蒸控制阀安装在蒸 汽管线时汽管线时 , , 蒸汽可能冷却到沸蒸汽可能冷却到沸点以下点以下 , , 使加热器一侧出现负压使加热器一侧出现负压 , , 造成冷凝液造成冷凝液不能正常排放。不能正常排放。 冷凝液的积蓄造成传热面积较冷凝液的积蓄造成传热面积较小小 , , 传热量减小传热量减小 , , 被加热介质温度下降被加热介质温度下降 , , 载载热热 体控制阀打开体控制阀

21、打开 , , 蒸汽量增加蒸汽量增加 , , 蒸汽压力升蒸汽压力升高高 , , 冷凝液排出冷凝液排出 , , 传热面积又增加传热面积又增加 , , 传热量传热量增大增大 , , 被加热介质温度上升被加热介质温度上升 , , 系统又使控制系统又使控制 阀关小阀关小 , , 蒸汽压力下降蒸汽压力下降 , , 冷凝液积蓄。冷凝液冷凝液积蓄。冷凝液呈现脉冲式排放。呈现脉冲式排放。 当传热面积较小、被加热介质温度较低当传热面积较小、被加热介质温度较低 时采用时采用调节传热面积的控制方案调节传热面积的控制方案5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制 1 1 调

22、节传热面积的目的：改变传热速率方程中的传热面积调节传热面积的目的：改变传热速率方程中的传热面积AmAm即改变不发生相变化的冷凝液高度来改变传热面积即改变不发生相变化的冷凝液高度来改变传热面积控制方案：用温度来控制排出的冷凝液量控制方案：用温度来控制排出的冷凝液量2 2 特点：特点：传热量变化缓慢，可防止局部过热传热量变化缓慢，可防止局部过热要求传热面积大，因此，对象时滞大，阀开和关时的对象特性要求传热面积大，因此，对象时滞大，阀开和关时的对象特性 同，因此，控制品质差同，因此，控制品质差控制阀安装在凝液管，控制凝液排放较控制载热体时要畅通控制阀安装在凝液管，控制凝液排放较控制载热体时要畅通可充

23、分利用载热体的压力，提高传热效率可充分利用载热体的压力，提高传热效率传热量较小，被控温度较低时，不会发生排液震荡或温度震荡的现传热量较小，被控温度较低时，不会发生排液震荡或温度震荡的现象象 改进控制方案：串级控制改进控制方案：串级控制传热设备可近似用具有时滞的多容过程描述。传热设备可近似用具有时滞的多容过程描述。在实施控制方案时在实施控制方案时 , , 应注意下列事项。应注意下列事项。被控变量是温度被控变量是温度 , , 因此因此, , 对检测变送环节的要求是尽量减小检对检测变送环节的要求是尽量减小检测变送环节造成的时滞和减小时间常数测变送环节造成的时滞和减小时间常数。为此。为此 , , 可采

24、用快响应检可采用快响应检测元件。测元件。操纵变量是流量操纵变量是流量, , 被控过程具有较大时间常数和时滞被控过程具有较大时间常数和时滞, , 具有非线具有非线性饱和特性性饱和特性 , , 因此因此, ,控制阀宜选用等百分比流量特性控制阀宜选用等百分比流量特性。控制器的控制规律可选用控制器的控制规律可选用比例和积分比例和积分, ,积分控制作用主要用于消积分控制作用主要用于消除余差除余差, , 因此因此, ,可采用积分分离等措施。因过程增益一般较小可采用积分分离等措施。因过程增益一般较小, , 因因此选用的比例度一般较小。当时间常数较大时宜添加微分控制此选用的比例度一般较小。当时间常数较大时宜添

25、加微分控制, , 改改善过程动态控制性能。善过程动态控制性能。控制方案以单回路控制为主控制方案以单回路控制为主 , ,根据扰动变化的频度、幅度等根据扰动变化的频度、幅度等, ,可可采用串级、前馈采用串级、前馈- -反馈控制反馈控制, , 必要时必要时, , 可使用选择性控制系统。可使用选择性控制系统。 5.2 一般传热设备的控制一般传热设备的控制传热设备的控制以单回路控制为主传热设备的控制以单回路控制为主 , , 但当控制性能不能满足时但当控制性能不能满足时 , , 可根据过程可根据过程 扰动分析扰动分析 , , 设置复杂控制系统或先进控制系统。本节设置复杂控制系统或先进控制系统。本节介绍传热

26、设备的介绍传热设备的前馈前馈 - -反馈控制反馈控制、基于模型计算的控制和、基于模型计算的控制和选择性控选择性控制制等。等。5.3.1 5.3.1 前馈前馈反馈控制反馈控制传热设备控制中传热设备控制中 , , 当扰动的波动较大当扰动的波动较大 , , 频繁变化频繁变化 , , 幅度较大幅度较大 , , 扰动不可控但可测扰动不可控但可测 , , 控制控制 要求又较高时要求又较高时 , , 宜将该主要扰动作为宜将该主要扰动作为前馈信号前馈信号 , , 组成前馈组成前馈 - -反馈控制系统反馈控制系统 ( ( 一般不采用单纯一般不采用单纯 的前馈的前馈控制系统控制系统 ) ) 。5.3 复杂控制系统

27、的应用复杂控制系统的应用5.3 复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用 前馈控制在传热设备控制中的应用前馈控制在传热设备控制中的应用1 1 静态前馈控制：静态前馈控制：根据热量衡算式计算前馈环节的放大系数根据热量衡算式计算前馈环节的放大系数 ; ;即即冷流体流量为主动量，组成静态前馈控制冷流体流量为主动量，组成静态前馈控制2.2.前馈前馈- -反馈控制反馈控制： 21111()OiGG c1 1211()OiGcG5.3 复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用以冷流体流量扰动为例，可以计算静态前馈的控制规律。以冷流体流量扰动为例，可以计算静态前馈的控制规律。根据不变性原理，得到根据不变性原理，得到

28、 代入可得到代入可得到 410KmKK222212G cGKmUAmG式中，和式中，和 采用静态时载热体采用静态时载热体 和和 冷流体的流量值和冷流体的流量值和。 2G1G2G1G5.3 复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用酮苯塔进料温度的前馈酮苯塔进料温度的前馈- -反馈控制系反馈控制系统统 由于进料量波动较大，故引入进由于进料量波动较大，故引入进料量前馈信号组成前馈料量前馈信号组成前馈- -反馈控制系反馈控制系统统 控制通道时间常数与扰动通道时控制通道时间常数与扰动通道时间常数，经测试，很接近。因此，间常数，经测试，很接近。因此，采用静态前馈采用静态前馈5.3 复杂控制系统的应用复杂控制系统的应用铜业氨冷器出口温度的前馈铜业氨冷器出口温度的前馈- -反馈控制系统反馈控制系统 由于进料量温度波动较大，故引入进料温度前馈信号由于进料量温度波动较大，故引入进料温度前馈信号由于气氨压力波动较大故引入气氨压力前馈信号由于气氨压力波动较大故引入气氨压力前馈信号温度扰动通道时间常数较大，因此，用动态前馈温度扰动通道时间常数较大，因此，用动态前馈动态前馈传递函数是：动态前馈传递函数是： 压力信号则用静态前馈压力信号则用静态前馈1( )51FF