过程控制工程-传热设备的控制

,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,14,传热设备的控制,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,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,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,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。,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（,G,1,T,1i,G,2,T,2i,）,要求计算稳定条件下工艺介质的出口温度,T,1o,。其中,c,1,c,2,分别为相应介质的比热。,G,1,c,1,T,1o,G,1,c,1,T,1i,G,2,c,2,T,2i,G,2,c,2,T,2o,T,1i,T,2i,G,1,G,2,逆流单程换热器,换热器特性,G,1,：,工艺介质的流量,G,2,：,载热体的流量,T,1i,：,工艺介质的入口温度,T,2i,：,载热体的入口温度,T,1o,：,工艺介质的出口温度,T,2o,：,载热体的出口温度,c,1:,工艺介质的比热容,c,2:,载热体的比热容,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,热交换过程的传热速率方程,K,为传热系数；,F,m,为传热面积；,T,m,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,热交换过程的静态方程,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：，,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,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。,换热器的控制基本方案有两类：,a.,以载热剂的流量为操纵变量,G,2,TC,控制载热体流量的方案,G,2,TC,合流形式载热体流量控制,b.,工艺介质的旁路控制。,换热器前馈,-,串级控制,Sp.,G,ff,F,M,ff,1,2,TC,FC,F,S,将工艺介质分路的方案,G,2,TC,G,1,将工艺介质合路的方案,G,2,TC,G,1,二、蒸汽加热器的控制,（,1,）控制载热剂蒸汽的流量：,改变温差,T,和传热面积,F,。,G,2,TC,控制载热体流量的方案,蒸汽,控制,冷凝管排放,的方案,G,2,TC,G,1,冷凝液,蒸汽,（,2,）控制冷凝液排放：,传热面积,F,。,蒸汽加热器,T-L,串级控制,G,2,TC,G,1,蒸汽,LC,蒸汽加热器前馈控制,G,2,TC,G,1,冷凝液,FC,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,（,2,）控制气氨排量,物料,气氨,液氨,TC,冷凝冷却器选择性控制,LS,LC,控制气氨排量方案,气氨,液氨,TC,LC,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。,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。,加热炉的单回路控制,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,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,催化裂化加热炉的控制系统,加热炉的安全联锁保护系统,LS,：,低选器；,BS,：,火焰检测器；,GL,1,：,燃料气流量过低联锁装置；,GL,2,：,进料流量过低联锁装置。,safe-interlock,protector 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。,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。,结论,14.4,锅炉设备的控制,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,锅炉设备的工艺流程,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。,汽包水位的控制问题,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,汽包水位的对象特性,干扰通道特性,控制通道特性,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,汽包水位的单冲量控制,汽包水位的双冲量控制,前馈补偿原理：,C,2,的符号由调节阀的作用决定，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。,双冲量控制,C,1,、,C,2,和,C,0,的数值设置,假设线性阀门：,流量测量变送的：,取,C,1,一般取值为,1,。,C,0,为恒值，,正常工况下与,C,2,P,F,抵消。,汽包水位的三冲量控制,三冲量控制,C,2,的数值设置,内回路的闭环传递函数：,C,2,的数值设置：,三冲量控制系统的简化连接,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。,燃烧控制基本方案,锅炉蒸汽压力的比值控制,稳态：,I,1,=,I,2,=,I,3,=,I,4,=,I,p,Q,1,=,KQ,2,过热蒸汽温度控制,过热蒸汽温度控制方案,1,过热蒸汽温度控制方案,2,练习,