换热器出口温度单回路控制

1、概述

换热器又叫做热交换器（heat exchanger），是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。本次课程设计我要完成换热器出口温度单回路控制系统设计，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个控制对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，方框图如下：

图1、单回路控制系统方框图

单回路控制系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛应用。

设计一个控制系统，首先应对被控对象做全面的了解。除被控对象的动静态特性外，对于工艺过程、设备等也需要比较深入的了解；在此基础上，确定正确的控制方案，包括合理选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送原件及检测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调机器控制规律等；最后将调节器的参数整定到最佳值。

2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定

换热器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、执行器和被控对象组成的闭合回路。被调参数经检测元件测量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。

换热器温度控制系统的工艺流程如下：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，从而使冷流体的出口温度升高。冷流体通过循环泵流经换热器的壳程，出口温度稳定在设定值附近。热流体通过多级泵流经换热器的管程，与冷流体热交换后流回蓄水池，循环使用。

从控制任务要求可知，换热器温度控制系统是单点、恒值控制。且题目要求用单回路控制系统，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制。

图2 PID 控制系统原理图

PID 控制是偏差比例（P ）、偏差积分（I ）、偏差微分（D ）控制的简称。控制系统由PID 控制器和被控对象组成。PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成偏差，将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。其控制规律为

t

D p 0I T de t 1

u t K e t e t dt T dt ⎡⎤⎢⎥⎣

⎦

⎰（）

（）=（）+

（）+ 其传递函数形式为：

p D I U s 1G s K 1T S E s TS ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭

（）（）=

（） 3、被控对象特性研究

换热器是传热设备中较为简单的一种，也是最常见的一种。通常它两侧的介质(工艺介质和载热体)在换热过程中均无相变。换热器换热的目的是保证工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为保证出口温度平稳，满足工艺要求，必须对传递的热量进行调节。 3.1 被控变量的选择

被控变量是生产过程中希望保持在定值或按一定规律变化的过程参数。在换热器出口温度单回路控制系统设计中，当然选择出口温度作为被控变量，因为我们要得到流体稳定的出口温度。

3.2 操纵变量的选择

在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，主要是对冷热流体间传递的热量进行控制，有控制载热体流量、工艺介质的旁路流量、传热面积等多种方式。考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控

制，保证出口温度的稳定。 3.3 被控对象特性

换热器系统在连续生产中，其控制原理可通过热量平衡方程和传热速率方程来分析，这个方案的控制流程图如图1。

图3 换热器的温度控制系统工艺流程图

为了处理方便，不考虑传热过程中的热损失，根据能量守恒定律，热流体失去的热量应该等于冷流体吸收的热量，热量平衡方程为：

11i o 22o i q=G c T T G c T T =1122（-）（-）

式中，q 为传热速率（单位时间内传递的热量）；G 为质量流量；c 为比热容；T 为温度。式中的下标处1为载热体；2为冷流体；i 为入口；o 为出口。 传热过程中的传热速率为：

q KF T =∆

式中，K 为传热系数；F 为传热面积；T ∆为两流体间的平均温差。 其中，平均温差T ∆对于逆流、单程的情况为对数平均值：

i o o i 121i 1o 122o 2i

T T T T T T T=T T T

ln ln

T T T ∆-∆∆=

-∆∆-1122（-）-（-） 当1i 1o 2o 2i T T

133T T -≤≤-时，其误差在5%以内，可采用算术平均值来代替，算术平均值表示为： i 1o

o i T T T T T ∆=122（-）+（-）2

由于冷流体间的传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程，因此有下列关系

22o i G c T T KF T ∆22（-）=

整理后得

o i

22

KF T T T G c ∆=

+22

从上式可以看出，在传热面积F 、冷流体进口流量2G 、温度2i T 和比热容2c 一定的情况下，影响冷流体出口温度的因素主要是传热系数K 以及平均温差T ∆。

4、过程检测控制仪表的选用

4.1 测温元件及变送器

根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点： ①测温精度高，性能稳定；

②结构简单，易于制造，产品互换性好；

③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量； ④测温范围广，可达-200~2000℃； ⑤形式多样，适用于多种测温条件；

选用热电偶测温仪，同时选用与之相对应的DDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。该种温度变送器的反馈回路具有与测温元件相类似的特性，即非线性反馈，结果使被测温度t 与0I 之间成线性关系。