传热设备控制

传热设备概述在许多工业生产过程中，例如蒸馏、干燥、蒸发、结晶、反应和冶金等，均需要根据具体的工业要求，对物料进行加热或冷却来维持一定的温度。对于化学反应，为了使反应能达到预定要求，更需要严格控制一定的反应温度，这也要依靠冷却或加热才能实现。因此，对传热设备的控制也就显得格外重要。

工业上用以实现冷热两流体换热的设备称为传热设备。

传热设备概述传热设备的类型

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分

无相变情况下的加热与冷却；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

一般传热设备：换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝冷却器

（对流传热）

特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等

典型的传热设备换热器加热炉{锅炉传热设备概述

传热设备的结构类型列管式换热器蛇管式换热器套管式换热器夹套式换热器传热设备概述传热设备的控制要求

1、传热目的

①使工艺介质达到规定的温度；

②使工艺介质改变相态；

③回收热量。

2、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。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与载热体的出口温度（T1o,T2o）。其中c1,c2分别为相应介质的比热。换热器的静态特性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

热平衡方程

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.换热器的静态特性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考虑换热器的静态特性换热器的静态特性严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。换热器的控制方案换热的目的

①使工艺介质达到规定的温度以使生产过程正常进行；如：重油催化裂化原料油预热，要求温度在160-220℃之间。

②在过程进行中加入吸收的热量或除去放出的热量；如：催化裂化再生器温度控制。

③在工艺过程中改变物料状态；如：常减压装置加热炉。

④热量回收。如：分馏塔塔底换热器。换热器的控制方案被控变量

(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。换热器的控制方案

调载热体的流量目的：改变传热速率方程中的传热系数K和平均温差△Tm

。

①载热体在传热过程中不发生相变，主要改变传热系数；

②载热体在传热过程中发生相变，主要改变平均温差。特点：方案简单、适用于载热体上游压力平稳及负荷变化小的场合。换热器的控制方案

调载传热平均温差目的：改变液氨压力和对应的平衡温度。注意：气氨出口调节阀的作用

阀开度变化时，汽化温度的变化改变了传热平均温差。液位控制回路的目的：维持液位不超限，保证足够的蒸发空间。特点：滞后小，反应迅速。换热器的控制方案

调传热面积当不变时，改变可以改变传热量。调节阀的安装位置和作用：位置：出口(冷凝液)管线上作用：开度变化，液位变化，面积变化缺点：冷凝液液位影响传热面积，变化缓慢，是一滞后的过程，调节不及时，不利于控制器参数整定，影响调节品质。适用场合：适用于传热量小、被控温度较低的场合。换热器的控制方案缺点：载热流量高负荷，不经济问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求，如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？TC载热体工艺介质

将工艺介质分路--旁路/混合方案部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。特点：反应迅速及时该方案不适用于介质流量较大的场合，适合于能量回收系统。加热炉的常规控制方案

加热炉是炼厂主要设备，有箱式、立式、圆筒式。控制要求都很严格，另外要求有较高的热效率，能耗大。

对象特性传热以辐射为主，对流为辅，油在管内剧烈变化，过程较复杂，难以从机理建模，工程上都采用测试法获得经验模型，可用一阶惯性纯滞后环节近似表达。特点容量滞后和纯滞后大。加热炉的常规控制方案被控变量：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：（1）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）；（2）燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。加热炉的常规控制方案单回路控制出口温度反馈控制问题：当燃料、蒸汽波动较大时，油压/蒸汽压变化大，雾化不良，燃烧不好。改进方案：（1）油汽压力差控制（2）压力比值控制加热炉的常规控制方案出口温度串级控制

对于加热炉滞后大，要求严格的对象，应考虑串级控制，根据串级设计原则，可有几种方案：（a）炉出口温度——燃油（气）流量串级控制（b）炉出口温度——燃油压力串级控制（c）炉出口温度——炉膛温度串级控制（d）采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制加热炉的常规控制方案炉出口温度—炉膛温度炉出口温度—燃油（气）流量加热炉的常规控制方案炉出口温度—燃油压力采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制例1：催化裂化装置加热炉的自动控制系统工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。要求：炉出口温度稳定。温度控制：炉出口温度对燃料阀后压力串级控制负荷控制：单回路流量控制燃料干扰：单回路压力控制例2：炼厂常压装置中加热炉的自动控制系统

工艺：把原油加热到一定温度送至常压塔分馏。要求：炉出口温度稳定。温度控制：炉出口温度对炉膛温度的串级控制负荷控制：单回路流量控制燃料干扰：单回路压力控制加热炉的安全联锁保护系统

1、以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护危险：（1）被加热工艺介质过少或中断，烧坏管子。（2）脱火现象，燃—气混合物爆炸。（3）回火，燃压过低。（4）炉内熄火。TCPCSLGL2BSGL1燃料进料出料回火脱火熄火加热炉的安全联锁保护系统PdCTCPCPL1PL2GL1GL2新鲜气循环气仪表气仪表气炼厂气燃料油雾化气出料1、以燃料油为燃料的加热炉安全联锁保护危险：（1）进料流量过低或中断；（2）燃料油压力过高会脱火，过低会回火；（3）雾化蒸汽压力过低或中断；

因此在这里设置联锁保护系统基本上与燃料气为燃料的加热炉相似，仅是原来的火焰检测器BS换成雾化蒸汽压力过低联锁保护系统。锅炉汽包水位的动态特性概述燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统

锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响作用：分类：

锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质（煤、油、气）、压力（高、中、低）结构：锅炉汽包水位的动态特性

工艺流程燃料热空气烟气经引风机排出过热器减温器炉膛汽包过热蒸汽空气预热器冷空气给水热空气送炉膛省煤器由给水泵来燃料

空气混合燃烧发热汽包饱和蒸汽过热蒸汽母管输出燃烧烟气饱和蒸汽过热蒸汽省煤器空气预热器引风机排出过热器锅炉汽包水位的动态特性

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。锅炉汽包水位的动态特性干扰通道特性（蒸汽负荷）控制通道特性（给水量）锅炉汽包水位的动态特性

“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。锅炉汽包水位控制

汽包水位是锅炉运行的重要指标，保持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化。水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行。

所以，必须对汽包水位进行严格的控制。锅炉汽包水位控制--单冲量水位控制方案如图：适用于负荷变化平稳，幅度小。若假水位严重，则H的影响：当D↑时，由于假水位H↑，使G↓。当假水位消失时，由于D↑，使水位大幅度下降，如此使H变化较大。

∴当D变化较大时，往往使调节阀全开或全关。G、H波动都大，甚至发生危险。锅炉汽包水位控制--双冲量水位控制(1)FFC—FBC前馈—反馈控制引入蒸汽流量信号作前馈，可以抑制“假水位”误动作。一般用静态前馈即可。C1：取1,决定控制器增益。C0：偏置量，可用C0抵消C2PD静态分量，使加法器输出有适当值。C2：当气关阀时，取“—”

当气开阀时，取“+”C2的大小，即静态前馈系数，也可以近似计算

对线性调节阀：

其中蒸汽变送器量程；给水变送器量程；变送器的输出范围。取思考：注意，双冲量仍有假液位，只是减误动作（以至消除），相应加大，使第二波峰减小。锅炉汽包水位控制--双冲量水位控制锅炉汽包水位控制--双冲量水位控制（2）双冲量水位控制（加法器在控制器之前）如图，采用双通道输入控制器省加法器。不能用PI作用，否则有余差。PI规律

∵原稳定

新稳定，，∵用PI作用

∴，∵不变

∴∴有余差，∴PI规律时，有余差。锅炉汽包水位控制--三冲量控制系统原因：①当给水压力有波动；②阀门非线性，影响补偿效果。所以可以引入给水信号，构成三冲量控制。（1）串级加前馈，方案（一）：用+,取反作用。若采用气开阀门，为反作用为正作用若采用气关阀门，设负荷变化

物平衡：

给水测量表，

（调节阀）给定变化，

：取+（信号作用与阀无关）抵消

静态分量。

的计算

锅炉汽包水位控制--三冲量控制系统仪表输出为统一信号，相同

控制器，PI作用，则∴，量程相等时，可取1。—蒸汽变送器量程。—给水变送器量程。按液位、流量串级整定即可。

锅炉汽包水位控制--三冲量控制系统（2）方案（二）

加法器在控制器之前，用多输入通道控制器（省加法器）锅炉汽包水位控制--三冲量控制系统（3）方案（三）

锅炉汽包水位控制--三冲量控制系统锅炉燃烧系统的控制任务（1）出口蒸汽压力（2）控制，控制，空/燃比控制（3）负压（4）安全保护，脱火，回火，熄火。锅炉燃烧系统的控制出口压力与燃料控制（1）单回路控制特点：压力对燃料量的单回路控制适用于负荷及燃料波动较小的场合，而燃料量波动较大时，可采