换热器温度控制系统设计
热力公司换热站控制系统设计
第一章绪论1.1 集中供暖旳发展概述集中供暖是在十九世纪末期, 随着经济旳发展和科学技术旳进步, 在集中供暖技术旳基本上发展起来旳, 它运用热水或蒸汽作为热媒, 由集中旳热源向一种都市或较大区域供应热能。
集中供暖不仅为都市提供稳定、可靠旳热源, 改善人民生活, 并且与老式旳分散供热相比, 能节省能源和减少污染, 具有明显旳经济效益和社会效益。
1.1.1 国外集中供暖发展概况集中供暖方式始于1877年, 当时在美国纽约, 建立了第一种区域锅炉房向附近14家顾客供热。
20世纪初期, 某些工业发达旳国家, 开始运用发电厂内汽轮机旳排气, 供应生产和生活用热, 其后逐渐成为现代化旳热电厂。
在上世纪中, 特别是二次世界大战后来, 西方某些发达国家旳城乡集中供暖事业得到迅速发展。
原苏联和东欧国家旳集中供暖事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主旳发展政策。
原苏联集中供暖规模, 居世界首位。
地处寒冷气候旳北欧国家, 如瑞典、丹麦、芬兰等国家, 在第二次世界大战后来集中供暖事业发展迅速, 都市集中供暖普及率都较高。
据1982年资料, 如瑞典首都斯德哥尔摩市, 集中供暖普及率为35%；丹麦集中供暖系统遍及全国城乡, 向全国1/3以上旳居民供暖和热水供应。
第二次世界大战后德国在废墟中进行重建工作, 为发展集中供暖提供了有力旳条件。
目前除柏林、汉堡、慕尼黑等都市已有规模较大旳集中供暖系统外, 在鲁尔地区和莱茵河下游, 还建立了联结几种都市旳城际供暖系统。
在某些工业发达较早旳国家中, 如美、英、法等国家, 初期多以锅炉房供暖来发展集中供暖事业, 锅炉房供暖占较大比例。
但是这些国家已非常注重发展热电联产旳集中供暖方式。
1.1.2 国内集中供暖发展概况国内都市集中供暖真正起步是在50年代开始旳, 党旳十一届三中全会后来, 特别是国务院1986年下发《有关加强都市集中供热管理工作旳报告》, 对国内旳集中供暖事业旳发展起到了极大旳推动作用。
换热器温度控制系统
1.E-0101B混合加热器设计为确保混合加热器（E-0101B)中MN（亚硝酸甲酯）,CO（一氧化碳）的出口温度为408K，选用0.68Mpa,408K的加热蒸汽加热入口温度为294K的工艺介质。
为保证生成物的产量，质量，及最终生成物的转化率，且工艺介质较稳定，蒸汽源压力较小，变化不大，因此针对此实际情况，最后确定设计一个换热器的反馈控制方案。
1.1换热器概述换热器工作状态如何,可用几项工作指标加以衡量。
常用的工作指标主要有漏损率、换热效率和温度效率。
它们比较全面的说明了换热器的特点和工作状态，在生产和科学试验中了解这些指标，对于换热器的管理和改进都是必不可少的。
换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。
换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位，其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛。
换热器是一种在不同温度的两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递的节能设备，是使热量由温度较高的流体传递给温度较低的流体，使流体温度达到流程规定的指标，以满足工艺条件的需要，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。
1.2换热器的分类适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器的具体分类如下：一按传热原理分类：间壁式换热器，蓄热式换热器，流体连接间接式换热器，直接接触式换热器，复式换热器二按用途分类：加热器，预热器，过热器，蒸发器三、按结构分类：浮头式换热器，固定管板式换热器，U形管板换热器，板式换热器等此设计要求是将进料温度都为297.99K的MN（亚硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加热到出口温度为473K，所以我们经过调查研究，综合比较之后选择了管壳式(又称列管式) 换热器。
管壳式换热器主要有壳体、管束、管板和封头等部分组成，壳体多呈圆形，内部装有平行管束或者螺旋管，管束两端固定于管板上。
在管壳换热器内进行换热的两种流体，一种在管内流动，其行程称为管程；一种在管外流动，其行程称为壳程。
换热器温度控制.
任务一 强制对流换热器温度控制
将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。 打开电源三相带漏电保护空气开关，电压表指示380V。 打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮， 即可开启电源。 开启相关仪器和计算机软件，进入相应的实验。 运行组态软件，进入相应的实验，观察实时或历史曲 线，待水温基本稳定于给定值后，将调节器的开关由 “手动”位置拔至“自动”位置，使系统变为闭环控制 运行。待基本不再变化时，加入阶跃扰动（可通过改变 设定值来实现）。观察并记录在当前比例P时的余差和 超调量。每当改变值P后，再加同样大小的阶跃信号， 比较不同P时的ess和σp 。
任务一 强制对流换热器温度控制
任务一 强制对流换热器温度控制
Temperature Control of the Forced Convection Heat Exchanger
能力目标 :1．能够正确操作多种温度控制系统。 2．能够对温度控制系统PID整定。
知识目标 :1．温度控制系统分析。 2．比例积分（PI）调节器控制。 3．比例微分调节器（PD）控制。 4. 比例积分微分（PID）调节器控制
任务一 强制对流换热器温度控制
五、安全提示
实验前，锅炉内胆的水位必须高于热电阻的测 温点。 给定值必须要大于常温。 实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认 可后，方可通电源开小组汇报
——操作
任务一 强制对流换热器温度控制
七、总结
作出比例调节器控制时，不同P值时的阶跃响 应曲线，得到的结论是什么？ 分析PI调节器控制时，不同P和I值对系统性能 的影响？ 绘制用PD调节器控制时系统的动态波形。 绘制用PID调节器控制时系统的动态波形。
任务一 强制对流换热器温度控制
06 换热器热流出口温度控制
15
实验步骤
整定控制器参数。
当比例增益Kc取1时，改变热流出口温度TI1104的SP，如从 120℃变为130℃，当TI1104稳定后再将SP从130℃改为 120℃，观察并记录TI1104的响应曲线。
控制器参数 Ti ----
0.85Tk 0.5Tk
Td ------0.13Tk
计算出控制器参数之后，先将K---c放在比计算值稍小一些
（一般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再
将K---c放回到计算值上即可。修改SP的值加入阶跃干扰，观
察1104的响应曲线，看衰减比是否达到4:1。
0.5Ts 0.3Ts
Td ------0.1Ts
计算出控制器参数之后，先将Kc放在比计算值稍小一些（一
般小20%）的数值上，再依次放上Ti和Td的值，最后再将Kc放
回到计算值上即可。施加扰动，观察换热器热流出口温度的
响应情况。
30
PID控制器参数的工程整定法
衰减振荡法
1.将TI1104设定值从120变为130，记录TI1104的响应曲线。 2.待TI1104稳定后，将TI1104设定值从130再变为120，记录 TI1104的响应曲线。 3.待系统稳定之后，手工将FV1105开度设置为40，观察 TI1104曲线的变化趋势。 4.当TI1104稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待TI1104 稳定。
根据比例控制器的特点，不断修改Kc的值，每修改一次都要 通过改变SP来加入阶跃扰动，直到热流出口温度曲线出现4:1 衰减。观察并记录TI1104的响应曲线，同时记录下此时Kc的 值。
换热器出口温度设置
摘要目前,换热器控制中大多数仍采用简单控制系统及传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统。
但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID 控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。
使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。
如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义本课题是针对换热器实验设备温度控制改进提出的。
设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。
然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。
再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，提出了串级控制及前馈控制或串级—反馈，前馈—反馈等复杂控制系统，来满足对于存在大的负荷干扰且和控制品质要求较高的应用场合。
关键字：换热器、数学模型、PID 、出口温度控制、串级控制前言换热器是国民经济和工业生产领域中应用十分广泛的热量交换设备。
随着现代新工艺、新技术、新材料的不断开发和能源问题的日趋严重，世界各国已普遍把石油化工深度加工和能源综合利用摆到十分重要的位置。
换热器因而面临着新的挑战。
换热器的性能对产品质量、能量利用率以及系统运行的经济性和可靠性起着重要的作用，有时甚至是决定性的作用。
在继续提高设备热效率的同时，促进换热设备的结构紧凑性，产品系列化、标准化和专业化，并朝大型化的方向发展。
随着我国工业化和城镇化进程的加快，以及全球发展中国家经济的增长，国内市场和出口市场对换热器的需求量将会保持增长，客观上为我国换热器产业的快速发展提供了广阔的市场空间。
从市场需求来看，在国家大力投资的刺激下，我国国民经济仍将保持较快发展。
石油化工、能源电力、环境保护等行业仍然保持稳定增长，大型乙烯项目、大规模的核电站建设、大型风力发电场的建设、太阳能光伏发电产业中多晶硅产量的迅速增长、大型环境保护工程的开工建设、海水淡化工程的日益成熟，都将对换热器产业产生巨大的拉动。
热交换器温度控制系统课程设计
热交换器温度控制系统一．控制系统组成由换热器出口温度控制系统流程图1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的多级离心泵，变频器、涡轮流量传感器、温度传感器等设备。
图1换热器出口温度控制系统流程图控制过程特点：换热器温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器和被控对象（出口温度）组成闭合回路。
被调参数（换热器出口温度）经检验元件测量并由温度变送器转换处理获得测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送入调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。
二、设计控制系统选取方案根据控制系统的复杂程度，可以将其分为简单控制系统和复杂控制系统。
其中在换热器上常用的复杂控制系统又包括串级控制系统和前馈控制系统。
对于控制系统的选取，应当根据具体的控制对象、控制要求，经济指标等诸多因素，选用合适的控制系统。
以下是通过对换热器过程控制系统的分析，确定合适的控制系统。
换热器的温度控制系统工艺流程图如图2所示，冷流体和热流体分别通过换热器的壳程和管程，通过热传导，从而使热流体的出口温度降低。
热流体加热炉加热到某温度，通过循环泵流经换热器的管程，出口温度稳定在设定值附近。
冷流体通过多级离心泵流经换热器的壳程，与热流体交换热后流回蓄电池，循环使用。
在换热器的冷热流体进口处均设置一个调节阀，可以调节冷热流体的大小。
在冷流体出口设置一个电功调节阀，可以根据输入信号自动调节冷流体流量的大小。
多级离心泵的转速由便频器来控制。
换热器过程控制系统执行器的选择考虑到电动调节阀控制具有传递滞后大，反应迟缓等缺点，根具离心泵模型得到通过控制离心泵转速调节流量具有反应灵敏，滞后小等特点，而离心泵转速是通过变频器调节的，因此，本系统中采用变频器作为执行器。
换热器温度控制系统_过程控制 - 副本
辽宁工业大学过程控制系统课程设计（论文）题目：换热器温度控制系统的设计院（系）：电气工程学院专业班级：自动化102班学号： 100302042学生姓名：邢宏欢指导教师：（签字）起止时间：2013.6.25-2013.7.4课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：自动化教研室注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 100302042 学生姓名 邢宏欢 专业班级 自动化102班 课程设计 换热器温度控制系统的设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 设计换热器温度控制系统 换热器温度控制系统，通过换热器用蒸汽对冷物料进行加热，使换热器出口温度为某一定值。
工艺要求换热器出口温度在185±2℃以内，引起出口温度变化的扰动有:冷物料的流量与初温、蒸汽压力波动等，其中最主要的扰动是冷物料的流量Q 。
设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、仿真分析/实验测试分析； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数测量范围：0-250℃控制温度：185±2℃最大偏差：8℃；进度计划1、确定控制方案并绘制工艺节点图、方框图；2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数；3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式；4、仿真分析/实验测试分析；5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩：总成绩： 指导教师签字：年 月 日摘要随着工业的迅速发展，能量消耗量不断增加，能源紧张己成为一个世界性的问题。
近几年来，我国在节能方面虽然已取得很大的成绩，但能源的供应矛盾依然十分尖锐。
热力公司换热站PLC控制系统设计
目录目录引言 (1)第一章绪论 (2)1.1 换热站的发展概述 (2)1.1.1 国外换热站发展概况 (2)1.1.2 国内换热站发展概况 (2)1.2 换热站的简介及运行现状 (3)1.3 课题的来源及意义 (3)第二章换热站的构成和总体设计方案 (5)2.1换热站的简介 (5)2.2换热站控制系统的构成 (5)2.3 换热站控制系统的硬件 (6)2.3.1换热器 (6)2.3.2 循环水泵 (7)2.3.3 阀门 (7)2.3.4 温度计、阀门 (8)2.3.5 PLC S7-200 (8)2.4 换热站工作原理 (11)2.5 系统总体方案设计思路 (12)2.6 该方案要实现的控制功能 (13)第三章控制系统实施方案 (15)3.1 换热站与热用户的连接方式 (15)3.2 温度的控制调节 (15)3.3 循环水流量的调节控制 (16)3.4 压力的调节控制 (17)3.5 换热站总体控制系统方案 (18)3.5.1 换热站控制系统设计 (18)3.5.2 控制系统硬件总体框架图 (18)3.5.3 换热站控制系统电气图 (18)参考文献 (20)引言温度控制系统在国内各行各业的应用虽然应用很广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。
目前，我国在这方面总体水平处于20世纪80年代中后期的水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，它只能适用于一般的温度系统的控制，难以控制滞后、复杂、时变温度系统控制。
能适应于较高的控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内还不十分成熟。
随着国民经济的不断发展，人们对供暖质量的需求也在逐步提高。
在传统供热模式下，为满足供热需求，换热站内设备运行参数多为人工调节，随着室外温度及热负荷的不断改变，不断的人工调节二次供水温度以保证用户室内能够维持恒定的温度。
在这种情况下，人工手动调节必然存在着较大偏差，只能够根据经验达到粗调节，不能够居民对室内温度恒定。
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换热器温度控制系统设计
1、换热设备概述
换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。
换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。
换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。
换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。
其中间壁式换热器应用最广。
它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。
其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。
列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。
2、控制方案的确定
实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。
换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。
实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象，以冷物料流量Q为副对象。
换热器控制图
3、系统硬件设计
或控制量
型号
参数
温度变送器
（Endress+Hauser ）
TR13
工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF) 50 °C...500 °C (58 °F...932 °F) PT100 (绕线式(WW))：
-200 °C...600 °C (-328 °F...1,112 °F) PT100 (薄膜式(TF))：
-50 °C...400 °C (58 °F...752 °F)
最大过程压力(静压) 20 °C 时：50 bar (725
psi)
流量变送器
（Endress+Hauser ）73W 涡街
流量计
73W 参数：
标称口径
DN
15 (150)
(1/2"…6")
测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 过程温度 -200...+400°C (-328...+752°F) 最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 输出信号 4…20 mA 电流输出 防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC
防护等级 IP 67 (NEMA 4x)
+ 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图
控制器
（Autonics）TX4S TX4S参数
额定电压：
250 V
负载电流：
5 A
室内
控温精度：
0.1 ℃
类型：
智能温度调节控制器
输出额定功率：
6 w
温控范围：
1000 ℃
显示方式：
数字显示
调节阀D971X
D971X电动蝶阀参数
公称通
径
DN(mm) 50～2000
公称压
力
PN(MPa) 0.6 1.0 1.6
试验压
力
强度试验0.9 1.5 2.4
密封试验0.66 1.1 1.76
气密封试验0.6 0.6 0.6
适用介
质
空气、水、污水、蒸气、煤气、油品等。
驱动形
式
手动、蜗杆蜗轮传动、气传动、电传动。
4、控制规律选择
调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比
例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。
选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求
（1）控制器：本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分(PI)控制规律。
（2）调节器：在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，在本设计中，出口温度增大，入口流量应增大，主控制器为负作用，入口流量增大，调节阀开度应减小，副调节器为正作用。
5、控制参数整定
PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数P 、积分时间常数Ti 和微分时间常数Td ，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
一般可以通过理论计算确定，但误差太大。
目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。
下面介绍衰减曲线法整定PID 参数。
衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。
这时的比例度称为10：1衰减比例度，用
s
δ表示之。
由于当衰减比为10：1时。
要推测
3
y 的时间不容易，因此当过渡过程曲线上只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1的振荡过程。
此时被控参数上升时间为
r
T 。
根据
r
T 和
s
δ，运用
表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。
取
i T =∞
，
d T =，可直接将图中的积分环节和微分环节都断开，让δS 的值从大到小进行试
验.，观察示波器的输出， 直到只看到第一个波峰而第二个看不出来时就认为是衰减比为10：1的振荡过程。
simulink仿真方框图
系统仿真图
根据系统方框图及传递函数做系统仿真，并调节调节器的参数，以便使系统达到最佳的状态,即：错误!未找到引用源。
=50 错误!未找到引用源。
=3 时候有系统达到稳定。
总结
在这次课程设计中锻炼了我的自学能力，自学simulink仿真，自己用CAD 画图，因为这次课程设计中有部分知识我们之前还没有接触过，所以自己必须学会查找相关资料来阅读了解。
经过这次的课程设计，让我深深的感受到理论联系实践
的重要性，平时在学习中不能够透彻理解的知识，通过动手，会有很好的认知。
本次课程设计虽然不长，但是它给我们带来很多收获。
它使我们意识到自己的操作能力的不足，在理论上还存在很多缺陷。
通过这次实验我对控制系统理解更加深刻，对于今后的学习有很大帮助。