第十六章-传热设备的控制

过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程

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传热设备的控制第11章16.1概述16.2传热设备的特性16.3一般传热设备的控制16.4锅炉设备的控制16.5加热炉的控制16.6蒸发器的控制16.1概述对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式一般传热设备（以上）特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等传热设备的类型16.1.1

传热方式：传导、对流、辐射物流接触关系：直接接触式，间壁式、蓄热式热量交换形式：无相变的热量交换、有相变的热量交换16.2一般传热设备的控制换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等传热设备作用及控制16.1.2

（1）

对工艺介质进行加热或冷却（2）

使工艺介质发生相变（3）

热量回收主要是进行温度控制，以及一些保护性控制

控制要求：换热器的特性16.2图逆流单程换热器G2c2T2i

G1c1T1i

G1c1T10

G2c2T20

①对象静态特性分析基于热量平衡方程和传热速率方程，用于系统扰动分析及静态控制设计依据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/单位时间换热器的特性16.2q=KFΔT单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式换热器的特性16.2热交换过程的传热速率方程K为传热系数；Fm

为传热面积；ΔTm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1/3~3之间，则可用算术平均近似换热器的特性16.2热交换过程的静态方程单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式仿真分析（静态放大倍数）：T1i→T1o：式11-8T2i→T1o：式11-9换热器的特性16.2仿真分析（静静态放大倍数数）：T1o--G2：T1o--G1：：3124换热器的特特性16.2严重非线性性，若其它它环节为线线性，调节节阀需选用用等百分数数阀。②对象动动态特性分分析换热器的特特性16.2T1i→T1o：：动态纯滞后环节T2i→T1o、G1→T1o、、G2→→T1o带纯滞后的二阶惯性环节

分布参数对对象：既是是时间函数数，又是空间的的函数精确描述：：偏微分方方程，求解困难经验公式近近似描述：：特点：简单单易行但是，当G2已经很很大，而温温差较小时时，迟钝控控制另外，若工工艺上不允允许对载热热体节流时时，不能采采用这种方方案控制方案两类基本方方案：控制制载热体流流量、旁路路控制介质质流量换热热器器的的控控制制16.3工业介质G1载热体G2TC图16-8①控控制制载载热热体体流流量量用载载热热体体流流量量控控制制介介质质出出口口温温度度，，最最常常用用的的方方法法②介介质质旁旁路路控控制制介质质混混合合过过程程控制制及及时时（（相相当当于于前前馈馈机机理理））另外外，，还还可可以以组组成成前前馈馈————串串级级控控制制方方案案图图换热热器器的的控控制制16.3.1图16-9工业介质G1载热体G2TC蒸汽汽加加热热器器的的控控制制16.3.2①控控制载载热体体流量量蒸汽发发生相相变，，可同同时通通过ΔΔT和和传热热面积积控制制，只只是要要注意意出口口液体体能够够连续续排出出。蒸汽作作为热热载体体，工工业常常用蒸汽G2TC凝液G1图16-12②控控制冷冷凝液液排量量热载体体的出出口控控制，，通过过改变变F控控制控制阀阀控制制液体体，口口径可可以小小些，，液体体控控制平平稳，，缺点点：滞滞后蒸汽G2凝液TCFCG1蒸汽加加热器器的控控制16.3.2图16-14前前馈馈-反反馈控控制系系统冷凝冷冷却器器的控控制16.3.3缺点：：控制制不灵灵活，，另外外要保保证液液位不不能过过高，，防止止汽带带液T-L串级级控制制系统统热载体体为液液态冷冷却剂剂，通通过在在换热热器内内蒸发发，带带走介介质热热量气氨TC液氮图16-16①控控制载载热体体流量量优点：：控制制平稳稳，对对出口口气相相压力力没有有影响响冷凝冷冷却器器的控控制16.3.3②控控制汽汽相流流量控制灵灵活，，但出出口压压力波波动动，若若直接接进入入压缩缩机，，对压压缩机机有影影响TCLC液氮气氨传热设设备的的控制制16.1概概述述16.2传传热热设备备的特特性16.3一一般传传热设设备的的控制制16.4锅锅炉设设备的的控制制16.5加加热炉炉的控控制16.6蒸蒸发发器的的控制制第11章教学进进程热空气送往炉膛265DSD过热蒸汽送负荷设备Pm378给水（由水泵来）1燃料热空气

1一燃烧嘴；2一炉膛；3一汽包；4一减温器；5一炉墙；6一过热器；7一省煤器；8一空气预热器烟气（经引风机送往烟囱）冷空气（由送风机来）16.4锅炉设设备的的控制制16.4.1概述燃烧系系统、、给水水系统统、蒸蒸汽产产生系系统锅炉产产生蒸蒸汽，，而蒸蒸汽一一般是是过程程设备备的能能量来来源———动动力设设备，，而蒸蒸汽质质量对对过程程生产产有直直接影影响作用：：分类：：锅炉有有多种种分类类，根根据锅锅炉用用途、、燃料料性质质（煤煤、油油、气气）结构：：压力：：低压小小于或或等于于2.45MPa的的锅炉炉，蒸蒸汽温温度多多为饱饱和温温度或或不高高于400℃。。中压为为2.94———4.90MPa的的锅炉炉，蒸蒸汽温温度为为450℃℃。高压为为7.84—10.8MPa的锅锅炉，，蒸汽汽温度度多为为540℃℃.超高压压为11.8——14.7MPa的的锅炉炉，蒸蒸汽出出口温温度为为540℃℃,少少数为为555℃℃.亚临界界压力力为15.7——19.6MPa的的锅炉炉，出出口蒸蒸汽温温度为为540℃℃或555℃,少数数为570℃.超临界界压力力为22.1MPa以上上。347.15℃℃（4））水处处理控控制防止或或减少少结垢垢主要控控制系系统16.4.1概述（1））汽包包水位位控制制保持水水量与与蒸汽汽量的的物料料平衡衡（2））燃烧烧控制制保证燃燃烧的的经济济性和和安全全性（3））蒸汽汽控制制控制过过热蒸蒸汽的的温度度16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制锅炉的的汽包包水位位控制制一般般比较较严格格汽包水水位的的控制制是锅锅炉和和蒸汽汽用户户的平平稳、、安全全的保保证水位过过高——影影响汽汽水分分离，，使饱饱和蒸蒸汽带带水过过多，，使过热热蒸汽汽温度度下降降水位过过低——可可能全全部汽汽化，，产生生危险险汽包水水位的的动态态特性性影响因因素多多主要讨讨论水水流量量、蒸蒸汽流流量——L特特性性16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制①给给水水流量量W——L阶跃响响应H曲线线，，相当当于积积分加加纯滞滞后环环节给水温温度越越低，，纯滞滞后时时间越越大WHH1

Hτ

tt曲线H———汽包包水位位，开开始上上升，，然后后再下下降，，“虚虚假水水位””现象象16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制②蒸蒸汽汽流量量D——L曲线H1———D突然然增加加，物物料平平衡，，水位位下降降曲线H2———D突然然增加加，瞬瞬间汽汽包压压力下下降，，水沸沸腾加加剧，，气泡增增加，，水位位上升升H1H2H非最小小相位位特性性对象为为非最最小相相位（（存在在位于于复平平面右右半平平面的的零点点）的的条件件为③对对给给水扰扰动控控制滞滞后16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制（1））单冲冲量控控制系系统汽包水水位的的单回回路控控制，，““单冲冲量””—汽汽包水水位适用于于负荷荷小的的锅炉炉三个问问题：：①不不能能克服服虚假假水位位带来来的后后果②对对蒸蒸汽负负荷的的变化化控制制不灵灵敏蒸汽气泡省煤器给水LC前馈（（蒸汽汽流量量）——反馈馈（汽汽包水水位））控制制系统统16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制（2））双冲冲量控控制系系统为了克克服虚虚假水水位现现象，，引入入蒸汽汽流量量，““双冲冲量””静态前前馈I=C1IC±C2IF±I0蒸汽

ICIFI0

LC给水（b））GC

C1

GV

GPC

GmF

C2

Gm

GPD

IF

L0

IC

I0

ID16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制①加加法器器系数数IC汽包水水位信信号，，C1≤1IF蒸汽流流量信信号，，C2根据据静态态前馈馈补偿偿设置置I0偏偏置值值，调调整I的输输出，，正常常负荷荷下，，I0与C2、、IF相互互抵消消16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制安全角角度，，保护护锅炉炉，气气闭，，防止止烧干干保护蒸蒸汽用用户，，气开开16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制②阀阀、控控制器器、运运算器器符号号阀的开开闭形形式：：控制器器正反反作用用：对象：：正，，若气闭闭阀，，LC=正正，若若气开开阀LC=负负运算器器正负负号：：C2：：取取决于于控制制阀开开闭形形式蒸汽量量↑给给水水量应应该↑↑：气闭：：I应应该↓↓C2取““-””气开：：I应应该↑↑C2取““+””③双双冲量量控制制系统统其它它形式式LC水位蒸汽量∑

给水阀∑

LC水位蒸汽量TdS给水阀16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制在双冲冲量基基础上上，进进一步步克服服给水水干扰扰，引引入给给水流流量信信号16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制（3））三冲冲量控控制系系统I=IC±CIF-I0

蒸汽LCFC给水I’F

ICIF

I0

I前馈（（蒸汽汽流量量）———串串级（（汽包包水位位—给给水流流量））控制制系统统GPD

GmF

GPC

GP2

GC2

GmF

∑

GC1

Gm

IF

ICI0I0

I’F

IUL16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制I0与与IC抵消消16.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制①加加法法器系系数C根据给给水流流量变变化W=蒸蒸汽流流量变变化（（前前馈补补偿））对于I0，，正常常负荷荷时由于CIF作为流流量控控制器器的给给定，，蒸汽汽流量量增加加，给给水流流量应应该提提高，，C永永远为为正（（与阀阀的形形式无无关，，与双双冲量量不同同）I=IC+CIF-I016.4.2锅炉汽汽包水水位的的控制制②阀阀、控控制器器、运运算器器符号号阀安全全角度度确定定控制器器按串串级系系统确确定（（先副副后主主）运算器器符号号：出口温温度控控制控控制方方案一级过过热器器、二二级过过热器器、减减温器器16.4.3过热蒸蒸汽系系统控控制d/dtTC图16-34双冲量控制T2CT1C减温水图16-33串串级减温器减温器与燃料种种类（油油、气、、煤）、、燃烧设设备、锅锅炉形式式有关基本要求求：（1）出出口蒸蒸汽压力力稳定，，根据蒸蒸汽负荷荷调节燃燃烧程度度（2）燃燃烧烧良好（3）安安全全16.4.4锅炉燃烧烧过程的的控制（1）蒸蒸汽压力力与燃烧烧控制一般，用用燃料量量控制蒸蒸汽压力力，单回回路/串串级燃烧控制制要求燃燃料与空空气的一一定比例例，比值值控制加入逻辑辑关系，，16.4.4锅炉燃烧烧过程的的控制FCFCFCFCLSHSPCPCKK燃料阀燃料阀空气阀空气量空气量燃料量燃料量pp图16-35图16-34燃料与空气比比值的最优化化维持燃烧，理理论上要维持持一个最低空空气量，实际际空气量要略略大于最低量量，过剩空气气量。大，能能量浪费，小小，燃烧不完完全对于不同的燃燃料，都有一一个最优空气气量——最经经济