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。

未来换热器将会朝着更加节能环保和美观实用的角度不断创新与发展，短时期钢制柱式散热器和铜铝复合散热器任将会是市场主流产品与选择。

1 换热器出口温度控制系统概述

1.1设计目的

换热器作为石油、化工、轻工业生产中重要的生产设备，除本身设计上应达到一定的性能指标外，在对它的控制上也应达到工艺的要求指标。尤其是对它的出口温度控制，直接影响到产品的质量和生产过程的安全。因此，设计出一套高性能的控制系统是解决这一问题的关键，本文正是基于这一目的，对换热器出口温度控制进行了研究。

当前，换热器出口温度控制还面临两大急需解决的问题：

1、结构庞大,成本昂贵，极大地阻碍了换热器工业化应用进程；

2、过渡段的衔接不合理，导致部分热管处于不工作和非正常工作状态。

要解决好上述问题的关键是优化换热器结构有两个途径：一是对换热器出口温度控制方案的强化研究；二是合理预测工业环境下对换热器出口温度的干扰因素，研制出新型的抗干扰方法，二者的优化组合研究是今后换热器出口温度控制优化技术发展的方向。过渡段的强化传热对优化换热器出口温度起着非常重要的作用。

在生产过程中，由于换热器管板受水分冲刷、气蚀和微量化学介质的腐蚀，线路老化等原因导致成本的增加。通过福世蓝高分子复合材料的耐腐蚀性和抗冲刷性，在以后的定期维修时，也可以涂抹福世蓝高分子复合材料来保护裸露的金属；即使使用后出现了渗漏现象，也可以通过福世蓝技术及时修复，避免了长时间的堆焊维修影响生产[2]。正是由于此种精细化的管理，才使得换热器渗漏问题出现的概率大大降低，不仅降低了换热器的设备采购成本，更保证了产品质量、生产时间，提高了产品竞争力。

换热器出口温度控制在工业生产中的应用取得成功，并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明，因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的。回收利用六大耗能工业(冶金、化工、炼油、玻璃、水泥及陶瓷)的高温余热，使这些领域的能源利用率达到一个新的水平。由以上可以预见，换热器出口温度控制将具有广阔的推广应用前景，对工业生产和节能技术的发展产生重大的影响。

通过大量资料获悉：目前在国内，对换热器出口温度的控制主要是双重控制和串级控制。

在一些要求不高的场合，则多采用单回路反馈控制，所采用的算法也多是常规的PID算法。1.2设计主要内容

本文首先介绍换热器的结构装置及换热器的工艺流程，然后根据换热器的特点选择控制方案并进行了PID算法的研究，最后进行仿真分析。本论文的结构安排和主要内容如下：第一章首先指出了课题的背景、目的和主要研究内容。

第二章介绍了换热器工作原理及工艺流程，及换热器的类型。

第三章介绍了控制系统的组成，重点介绍怎样选择PID控制器，然后对其算法原理特点等一一做了介绍，并对其参数整定做了讲解以便之后的仿真工作，并在这章中进行了控制方案的设计。

第四章针对系统进行仿真工作。首先介绍了MATLAB/simulink。之后对单回路控制系统、串级控制系统、前馈-反馈控制系统建立simulink模型，仿真出图，观察控制系统的特性，进一步了解各个控制系统。

最后对所做工作进行总结得出结论。

2 换热器概述

2.1．1换热器工艺流程

换热器出口温度控制系统流程图2.1

图2.1换热器出口温度控制系统图

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。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。

温度控制过程有如下特点：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）经检验元件测温并由温度变送器转换处理获得测量信号，测量值与给定值的差值的送入调节器，调节器对偏差信号进行运算处理后输出控制作用。

2.1.2 换热器工作原理

换热器的温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下：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。