浙大工业过程控制15传热设备控制
浙大工业过程控制17.反应器控制
2019/3/12
工业过程控制
反应器稳态数学模型
F E (c A0 c A ) c A K 0 exp( )0 V RT
cA c A0 V E 1 K0 exp( ) F RT
Fc KA (Tci Tco ) (T Tco ) 0 Vc Vc c c pc
进料 冷却剂
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的串级与分程控制
TC
TC
TC
出料
出料
冷水
冷却剂 进料
蒸汽 进料
2019/3/12
工业过程控制
反应温度的分段控制与优化
TC 冷却剂 TC
y
第
冷却剂 TC 冷却剂
三
床
层 冷却 层
冷却
第
二
床
第
一
床
层
T
2019/3/12
工业过程控制
反应温度分段控制与关联分析
T , CA , CB r
2019/3/12
工业过程控制
化学反应平衡
对于可逆反应： aA bB lL mM Q
总的反应速度为
2 1 2 1 r总 k1 C C k C A B 2 L CM
当 r总 = 0 时，反应达到平衡（反应物与生成物的浓 度均不变）。而化学平衡常数为
化学反应器的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2019/3/12
引 言 反应速度与反应平衡 反应器的数学模型与热稳定性 反应器的基本控制方案 典型反应器的控制方案
2019/3/12
工业过程控制
反应器控制思考题
1、了解化学反应的一般原理，掌握反应速度与 化学平衡的概念及其主要影响因素； 2、能够结合连续放热反应釜的稳态特性分析反 应器的热稳定性问题； 3、针对各种不同类型的化学反应器，掌握基本 控制问题与控制系统的设计方法； 4、了解常见反应器的复杂控制与先进控制方案。
浙大工业过程控制--15传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
内容
n引 言 n 换热器的静态特性 n 换热器的动态特性 n 换热器的控制 n 加热炉的控制 n 锅炉设备的控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的控制问题
n 被控变量：工艺介质的出口温度。 n 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 n 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。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
练习题 2
对于下列蒸汽换热器，要求介质出口温度达到规定值。试分析下列 情况下应选择哪一种控制方案，并画出控制系统的结构图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 比较稳定，但蒸汽压力PV 波动较大； （2）蒸汽压力PV 比较稳定，但工艺介质流量GF 波动较大； （3）介质流量GF 较稳定，但入口温度Ti 及蒸汽压力PV 波动较大。
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
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。
浙江大学过程装备与控制工程(化工过程机械)简介
浙江大学“过程装备与控制工程”专业简介--过程装备与控制工程专业（化工过程机械）1. “过程装备与控制工程”专业处于什么地位？2. “过程装备与控制工程”专业主要学习什么？3. “过程装备与控制工程”专业学生的就业前景如何？4. “过程装备与控制工程”专业研究生招生规模如何？5. “过程装备与控制工程”专业毕业的学生适合出国吗？6. “过程装备与控制工程”专业课程设置？7. “过程装备与控制工程”专业师资情况？8. “过程装备与控制工程”教学情况？9. “过程装备与控制工程”实验情况？10. “过程装备与控制工程”专业学生能够获得哪些方面的锻炼？FAQ1.“过程装备与控制工程” 专业处于什么地位？浙江大学“过程装备与控制工程”专业是国家重点学科、国家特色专业，前身是“化工设备与机械”专业。
专业成立于1953年，在国内高校中开创了多个第一，已成为我国过程装备与控制工程高层次复合型人才培养和科技创新的基地。
1961年开始招收培养研究生；1981年获首批博士学位授予权；1986年首批设立博士后流动站；1996年国家首批211工程重点建设学科。
1998年根据教育部专业调整，将化工设备与机械专业建设改造为过程装备与控制工程专业，并于1999年开始按新专业名称招生。
2001年被评为本学科首个国家重点学科，2008年被列为首批国家特色专业。
2．“过程装备与控制工程”专业主要学习什么？“过程装备与控制工程”专业立足于国民经济发展的支柱企业，以流程工业为对象，系统地学习这些流程工业过程中各主要装备的设计、制造与控制基础，融化工、机械、力学、材料、信息与控制等专业于一体，致力于解决社会发展、经济建设和国家安全中的前沿性重大科技问题。
3.“过程装备与控制工程”专业学生的就业前景如何？“过程装备与控制工程”专业的毕业生在人格品质、创新精神和适应能力等方面都有出色表现，受到社会各界的广泛认同，需求旺盛，供不应求，一次性就业率年年100%，读研率和出国率之和接近50%。
浙江大学化工原理实验---横管对流传热系数的测定实验报告
实验报告课程名称：过程工程原理实验（乙） 指导老师： 杨国成 成绩：__________________ 实验名称：传热综合实验 实验类型：工程实验 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得横管对流传热系数的测定1 实验目的：1.1 掌握空气在普通和强化传热管内的对流传热系数的测定方法，了解影响传热系数的因素和强化传热的途径。
1.2 把测得的数据整理成nB N Re u 形式的准数方程式，并与教材中相应公式进行比较。
1.3 了解温度、加热功率、空气流量的自动控制原理和使用方法。
2 装置与流程：2.1 实验装置如图1所示：图1.装置示意图专业：姓名： 学号：日期： 2015.12.04地点： 教十12062.2 流程介绍：实验装置由蒸汽发生器、孔板流量变送器、变频器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪等构成。
空气—水蒸气换热流程：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器，与被风机抽进的空气进行热交换，冷凝水经排出阀排入盛水装置。
空气经孔板流量计进入套管换热管内（紫铜管），流量通过变频器调节电机转速达到自动控制，热交换后从风机出口排出。
本实验中，普通管和强化管实验通过管路上的切换阀门进行切换。
2.3 横管对流传热系数测定实验数据符号说明表：名称符号 单位 备注冷流体流量 V紫铜管规格： Φ19mm ×1.5mm ， 即内径为16mm ， 有效长度为1020mm ， 冷流体流量范围： 3~18 m^3/h冷流体进口温度 t 1 ℃ 普通管冷流体出口温度 t 2 ℃ 强化管冷流体出口温度 t 2’℃ 蒸汽发生器内蒸气温度 T 1 ℃ 普通管热流体进口端壁温 T W1 ℃ 普通管热流体出口端壁温 T W2 ℃ 普通管外蒸气温度 T ℃ 强化管热流体进口端壁温 T W1 ‘ ℃ 强化管热流体出口端壁温 T W2 ’ ℃ 强化管外蒸气温度T ’℃3 基本原理：间壁式换热器：冷流体之间有一固体壁面，两流体分别在固体壁面的两侧流动，两流体不直接接触，通过固体壁面进行热量交换。
过程控制教程-PPT5 传热设备的控制
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
一般传热设备指以对流传热为主的传热设 备。例如， 换热器、蒸汽加热器、氨冷器、 例如， 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 操作变量 工艺介质的出口温度、 工艺介质的出口温度、 载热体的流量
调节载热体的汽化温度 1． 控制目的：改变传热速率方程中的平均温差Δθm 控制方案： 气氨控制阀开度变化→汽相压力变化→汽化温度变化→传热量变化→出口 温度变化 要求有一定的蒸发空间，常用LC控制进入的液氨量 2． 特点 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 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 传热设备的控制
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 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 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 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： 负荷线不变，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 2
该通道的静态放大系数K4>0,输入输出间呈非线性关系 表明： 载热体流量增加，冷流体出口温度升高（斜率为 正）但随载热体流量增大，冷流体出口温度趋于饱和
5 传热设备的控制
控制方案确定和控制阀流量特性的选择 1． 控制方案的确定 变量分析： 被扰变量：冷流体出口温度 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 系统特性分析：非线性特性，饱和特性 控制系统框图 组成简单反馈控制系统 前馈—反馈控制系统 串级控 制系统 其他控制系统
过程控制工程_16传热设备的控制
过程控制工程_16传热设备的控制传热设备的控制是过程控制工程中的一个重要领域。
传热设备的控制主要是通过调节流体的流量、温度和压力等参数，以实现传热设备的优化运行和能量效率的提高。
传热设备的控制可以分为两个层面：设备自身的控制和整个传热系统的集成控制。
设备自身的控制主要是通过控制设备内部的温度、压力和流量等参数来实现设备的稳定运行和优化性能。
整个传热系统的集成控制则是通过协调不同传热设备之间的工作，以实现整个传热系统的高效运行。
设备自身的控制主要包括温度控制和压力控制。
温度控制是通过调节传热设备的加热或冷却功率，以维持设备内部的温度在设定的范围内。
温度控制可以采用两种方法：开环控制和闭环控制。
开环控制是根据设备的特性和传热介质的温度变化规律来设定加热或冷却功率。
闭环控制则是根据设备内部的温度传感器的反馈信号来调节加热或冷却功率。
压力控制是通过调节传热设备的进出口阀门的开度，以控制设备内部的压力在设定的范围内。
整个传热系统的集成控制主要包括流量控制和传热介质的选择。
流量控制是通过调节传热设备的进出口阀门的开度和泵的转速等参数，以控制传热介质的流量。
流量控制可以采用开环控制和闭环控制的方法，根据传热介质的特性和系统的要求来决定具体采用哪种方法。
传热介质的选择是根据系统的需要和传热设备的特性来确定的。
不同的传热介质有不同的传热性能和成本，需要根据实际情况来选择合适的传热介质。
传热设备的控制还涉及到能量效率的提高。
传热设备通常会伴随能量损失，通过优化传热设备的控制参数和工作条件，可以减少能量损失，提高能量效率。
例如，可以通过控制传热设备的进出口温度差和流量，来减小能量损失。
另外，还可以通过增加传热表面积和改善传热介质的流动状态，来提高传热设备的传热效率。
传热设备的控制也需要考虑安全和保护设备的因素。
传热设备通常会涉及到高温、高压和易燃易爆等危险因素，需要采取相应的措施来确保设备的安全运行。
例如，可以安装温度和压力传感器，以实时监测设备的工作状态，一旦超出设定的安全范围，及时采取措施停机或减少工作负荷等。
传热与设备自动控制共15页文档
传热与设备自动控制
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
பைடு நூலகம்谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
控制系统设计举例-浙江大学
选择控制方案 #2
Vsp FA, sp
FC 15 VPC 17
RFB 产品 出料
TT 17
TC 17
RFB
Tsp
LS 19
Tw, sp A
FT 15 TC 18
× Rab B
FT 16 FC 16
FB, sp 气关阀
TT 18
冷却水
反应进料
控制系统设计与实施步骤
ห้องสมุดไป่ตู้
了解被控过程的工艺原理与操作目标 确定控制目标 寻找合适且经济的测量仪表与操作变量 设计基本的控制方案（从简单到复杂） 构造简单的仿真模型，并对设计的控制系统 进行评价 测量仪表、控制仪表或装置的选购 控制系统的现场实施，包括系统联调、PID 参数整定、系统评估与完善等
TT 18
冷却水
反应进料
选择控制方案的引入#1
FA, sp2
LS 19
FA, min
TT 17 TC 17
Vsp
VPC 17
RFB FA, sp
FC 15 FT 15
Tsp
产品 出料
TC 18
Tw, sp
A
× Rab B
FT 16 FC 16
FB, sp 气关阀
TT 18
冷却水
反应进料
该控制系统 是否可靠 ?
产品 出料
TC 18
A
TT 18
× Rab B
FT 16 FC 16
FB, sp 气关阀 反应 进料 冷却水
串级控制副参数的 选择条件？
反应器温度
串级控制方案#2
FA, sp
FC 15 FT 15 TT 18 TT 17 TC 17
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15.03.2021
课件
32
精馏塔控制思考题
1、掌握简单精馏塔的控制问题与分解方法； 2、掌握精馏塔的静态特性； 3、了解精馏塔对象中操作变量对主要被控变量
的动态影响程度与速度； 4、针对塔顶、塔底产品质量不同的要求，掌握
基本控制系统的分析与设计方法； 5、了解精馏塔的复杂控制与先进控制方法。
15.03.2021
GL1
15.03.2021
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18
锅炉设备的工艺流程
汽 包
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
炉墙
省 煤
热空气 送往炉膛
器 空气预热器
给水
冷空气
烟气 (经引风机送往烟囱)
15.03.2021
课件
19
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
15.03.2021
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5
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
q1c1G 1(T1oT1i) q2c2G 2(T2oT2i)
q1 q2
15.03.2021
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6
热交换过程的传热速率方程
qKF mTm
0.4
x1 = 2
严重非线性，若其它 0.3 0.2
x1 = 4
环节为线性，调节阀 0.1
需选用等百分数阀。
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x2
15.03.2021
课件
9
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。
15.03.2021
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13
加热炉的单回路控制
PC
TC
回油 燃料油
雾化蒸汽
PC
工艺介质 FC
15.03.2021
课件
14
加热炉的串级控制（一）
TC TC 燃料油
出料
TC
FC 进料
进料
燃料油
出料
15.03.2021
课件
15
加热炉的串级控制（二）
TC PC
进料 燃料油
出料
TC 进料
燃料油
出料
15.03.2021
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27
三冲量控制系统的简化连接
水
蒸
给
位
汽
水
C2
∑
C1
பைடு நூலகம்
C3
LC
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
15.03.2021
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28
锅炉蒸汽压力控制 和燃料与空气比值控制系统
燃料量
Q1 I4
FC LS
I1
燃料阀
蒸汽压力
PC
Ip
HS
空气量
含氧量
Q2
× I3
FC
I2
AC
K
稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2
空气阀 分析提降量过程？
15.03.2021
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29
练习题 1
对于下图所示的套管式换热器，假设 (1) 间壁的热容可忽略；(2) 工 艺介质为液相，属层流流动；(3) 加热蒸汽在套管内的温度可用集中 参数T1(t)来表示。设内套管的圆周长为A，工艺介质单位长度的流体 质量为 M2。试建立该换热器的动态数学模型。
s(T 2 s 1 )
T0
K2 K1
T2
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
T0
K2 K1
T2
0
15.03.2021
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24
汽包水位的单冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 LC
15.03.2021
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25
汽包水位的双冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 PF
LC ∑
PC
C1PC +C2PF+C0
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。
15.03.2021
课件
10
换热器的控制方案
蒸
汽
TC
氨 气
TC
LC
凝液
液 氨
15.03.2021
课件
11
换热器的控制方案(续)
蒸
汽
TC
载 热 体
TC 凝液
工艺 介质
课件
7
热交换过程的静态方程
q 1 c 1 G 1 ( T 1 o T 1 i) c 2 G 2 ( T 2 i T 2 o )
q K m ( T F 2 o T 1 i) 2 ( T 2 i T 1 o ) c 1 G 1 ( T 1 o T 1 i) K c 1 G m 1( F T 1 o T 1 i) (T 2 i T 1 i)1 2 1 c c 2 1 G G 1 2 (T 1 o T 1 i)
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
15.03.2021
课件
20
锅炉设备的控制问题
负 荷
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量
锅炉设备
水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
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。
T1
蒸汽 G1 , l1
G2, c2, T2i
工艺介质
G2, c2, T2o
dz 冷凝水
z=0
z=L
15.03.2021
课件
30
练习题 2
对于下列蒸汽换热器，要求介质出口温度达到规定值。试分析下列 情况下应选择哪一种控制方案，并画出控制系统的结构图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 比较稳定，但蒸汽压力PV 波动较大； （2）蒸汽压力PV 比较稳定，但工艺介质流量GF 波动较大； （3）介质流量GF 较稳定，但入口温度Ti 及蒸汽压力PV 波动较大。
课件
16
催化裂化加热炉的控制系统
去反应器
TC
PC
自分馏塔来 的回炼油
FC
原料油 FC
开关 PC
回油罐
PC 燃料油 去瓦斯罐
干气 ( 热裂解气 )
15.03.2021
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17
加热炉的安全联锁保护系统
进料
BS GL2
出料
TC
PC
LS
燃料
LS：低选器； 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。
15.03.2021
课件
21
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、非线性等特性
15.03.2021
课件
22
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
D
控制通道特性
G
t
H
H2
H
H0
Ht
H1
H(s)K1 K2 D(s) s T2s1
t
H1 H
τ t
H(s) K0 es G(s) s
15.03.2021
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23
非最小相位特性
H(s)K1 K2 D(s) s T2s1
H (s)(K 2 K 1 T 2)s K 1 K 1 ( T 0 s 1 )
D (s) s(T 2 s 1 )
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？
15.03.2021
课件
12
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。
课件
33
再见
前馈补偿原理：假设
调节阀为气关阀， C1=1，则调节器为正 作用，而C2应取负号， 具体数值可现场调整
或根据阀门特性计算 其初始值。
15.03.2021
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26
汽包水位的三冲量控制
蒸汽
水
蒸
给
位
汽
水
PF
汽
LC ∑
包
PC
LC PC
PF
∑
省 煤
FC
C1PC +C2PF+C0
器
FC
给水
15.03.2021
T1o T1i
1
T2i T1i K c1GFm1 121cc21G G12
15.03.2021
课件
8
热交换过程的静态特性分析
y T1o T1i T2i T1i
x1
G1c1 KF m
x2
G2c2 KF m
y1
y
1
x1
1 2
1
x1 x2