过程控制工程传热设备的控制

1、过程控制工程传热设备的控制第1页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三内容概述（结构类型，换热器的静态特性）一般传热设备的控制加热炉的控制锅炉设备的控制第2页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三14.1 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。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、间接式和蓄热式一、传热设备的类型第3页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，

2、星期三3、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、夹套式和套管式第4页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三第5页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三传热设备的类型：设备类型载热体（冷热源）情况工艺介质情况设备类型载热体（冷热源）情况工艺介质情况换热器不起相变，显热变化温度变化，不起相变冷凝冷却器冷剂升温或蒸发吸热冷凝或冷却蒸汽加热器蒸汽冷凝放热升温，不起相变加热器燃烧放热升温或汽化再沸器蒸汽冷凝放热有相变锅炉燃烧放热汽化并升温第6页，共49页，2022

3、年，5月20日，18点35分，星期三二、传热设备的控制要求传热目的：使工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。第7页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三换热器的静态特性问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺介质的出口温度T1o。其中c1, c2分别为相应介质的比热。第8页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三G1c1T1oG1c1T1iG2c2T2iG2c2T2oT1iT2iG1G2

4、逆流单程换热器换热器特性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 : 载热体的比热容第9页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三热交换过程的热量平衡方程假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即 被加热物料得到的热量/单位时间= 载热体放出的热量/单位时间第10页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三热交换过程的传热速率方程K 为传热系数；Fm 为传热面积；Tm 为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值若在

5、1/3 3 之间，则可用算术平均近似第11页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三热交换过程的静态方程第12页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三热交换过程的静态特性分析严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分比阀。令： ， ，第13页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三14.2一般传热设备的控制换热器的控制方案蒸汽加热器的控制冷凝冷却器的控制第14页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三换热器的控制问题被控变量(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）；(2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再沸

6、器的蒸发量。控制变量(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差；(3) 调传热面积；(4) 将工艺介质分路，一路经换热，另一路走旁路。第15页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三换热器的控制基本方案有两类：a.以载热剂的流量为操纵变量G2TC控制载热体流量的方案G2TC合流形式载热体流量控制第16页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三b.工艺介质的旁路控制。换热器前馈-串级控制Sp.GffFMff1 2 TCFCFS将工艺介质分路的方案G2TCG1将工艺介质合路的方案G2TCG1第17页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三二、蒸

7、汽加热器的控制（1）控制载热剂蒸汽的流量：改变温差T和传热面积F。G2TC控制载热体流量的方案蒸汽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。第18页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三蒸汽加热器T-L串级控制G2TCG1蒸汽LC蒸汽加热器前馈控制G2TCG1冷凝液FC第19页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三三、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串级控制物料气氨液氨TC控制载热体流量的方案第20页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三（2）控制气氨排量物料气氨液氨

8、TC冷凝冷却器选择性控制LSLC控制气氨排量方案气氨液氨TCLC第21页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三14.3 加热炉的控制加热炉在生产过程中往往是关键的工艺设备，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。第22页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三加热炉的控制问题被控变量：工艺介质的出口温度。控制变量：燃料油或燃料气的流量。主要干扰：工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃料

9、油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。第23页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三加热炉的单回路控制第24页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三加热炉的串级控制（一）出口温度对炉膛温度的串级控制出口温度对燃料油流量的串级控制第25页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三加热炉的串级控制（二）出口温度对燃料油压力的串级控制采用浮动阀的控制方案第26页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三催化裂化加热炉的控制系统第27页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三加热炉的安全联锁保护系统LS：低选

10、器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。第28页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三safe-interlockprotector system of heating furnaces 为保证大型加热炉的安全生产；防止发生事故而造成极为严重的损失，应有必要的安全联锁保护系统。采用哪些安全联锁信号、采用何种联锁保护系统，应视具体情况而定。以燃料气为燃料的加热炉中主要危险有以下几点。(1)被加热工艺介质流量过低或中断。此时必须采取切断燃料气进气调节阀，停止供给燃料，停止燃烧，防止加热炉炉管烧坏、破裂而引起重大火灾事故。(2)当火焰熄灭

11、时会在燃烧室内形成能量积累效应，产生引起爆炸性的燃料与空气的混合物，若不注意用蒸汽吹扫，会引发炉瞠爆炸。(3)当燃料气压过低、流量过小时，会出现火焰回流到燃气管内现象。必须保证最小燃料气供应流量或压力。(4)当燃料气压力过高、燃烧速度小于流体速度时，会造成喷嘴脱火、灭火现象，导致燃烧室形成爆炸的条件。第29页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三 正常生产时，用炉出口温度来调节燃料气量的大小。当调节阀后的燃料气压力过高达安全极限时，压力调节器P通过低值选择器Ls取代温度调节器工作，关小调节阀以防止脱火。一旦压力恢复正常，仍由温度调节器控制燃气流量。 当燃气流量过低时，GL1联

12、锁报警信号使三通电磁阀线圈失电，调节器输出气压信号放空，切断燃料气供给阀，防止回火事故。联锁动作以后，只有经人工检查确认危险已彻底消除才可人工复位，继续按程序投入运行，避免误动作造成再次爆炸事故。 当工艺介质流量过低或供应中断时，GL2信号切断燃料气调节阀，停止燃烧。或者因火焰熄灭、火焰监测器开关Bs动作，同样也停止供燃料气。 以燃料油为燃料的加热炉中，主要危险除与上述以燃料气加热相同的以外，尚有当雾化蒸汽压力过低或中断时会使燃料油得不到良好雾化，轻则发生燃料燃烧不完全冒烟，反映在烟气含氧低，严重时火焰会熄火或造成炉内局部燃料积累，形成“炸膛”条件，必须加上联锁信号进行联锁保护。第30页，共4

13、9页，2022年，5月20日，18点35分，星期三结论第31页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三14.4 锅炉设备的控制第32页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三内容锅炉设备的介绍汽包水位控制燃烧系统的控制过热蒸汽温度控制第33页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三锅炉设备的工艺流程第34页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三锅炉设备的控制问题 系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制；（2）锅炉燃烧系统的控制；（3）过热蒸汽系统的控制。第35页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三汽包水位的控制问

14、题被控变量：汽包水位，用H (s)表示控制变量：汽包给水量，用G (s)表示主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示通道对象：非自衡、非最小相位和非线性等特性第36页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三汽包水位的对象特性干扰通道特性控制通道特性第37页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三非最小相位特性对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零点）的条件为第38页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三汽包水位的单冲量控制第39页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三汽包水位的双冲量控制前馈补偿原理：C2的符号由

15、调节阀的作用决定，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。第40页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三双冲量控制C1 、C2和C0的数值设置假设线性阀门：流量测量变送的：取C1一般取值为1。C0为恒值，正常工况下与C2PF抵消。第41页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三汽包水位的三冲量控制第42页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三三冲量控制C2的数值设置内回路的闭环传递函数：C2的数值设置：第43页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三三冲量控制系统的简化连接第44页，共49页，2022年，5月20日，18点35分，星期三锅炉的燃烧控制蒸汽压力的变化反映生产的蒸汽量与消耗的蒸汽量相适应的程度。负荷变化时，须通过控制燃料量使蒸汽压力稳定。燃烧控制需使引风量与送风量相配合保证炉膛负压。燃料改变时须控制送风量以保证燃烧过程的经济性。第