第十六章_传热设备的控制

出口温度控制 控制方案 一级过热器、二级过热器、减温器
减温器 减温器
d/dt T2C 减温水 T1C
பைடு நூலகம்
TC
图16-33 串级
图16-34 双冲量控制
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
与燃料种类（油、气、煤）、燃烧设备、锅炉形式有关
基本要求： （1） 出口蒸汽压力稳定，根据蒸汽负荷调节燃烧程度 （2） 燃烧良好 （3） 安全
对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备 16.1.1传热设备的类型 传热方式： 传导、对流、辐射 物流接触关系： 直接接触式，间壁式、蓄热式 热量交换形式： 无相变的热量交换、有相变的热量交换 结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 一般传热设备（以上） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等
16.2 一般传热设备的控制
C2
Dmax
KV ( zmax zmin )
I0偏置值，调整I的输出，正常负荷下，I0与C2、IF相互抵消
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
② 阀、控制器、运算器符号
阀的开闭形式： 安全角度，保护锅炉，气闭，防止烧干 保护蒸汽用户，气开 控制器正反作用： 对象：正，
若气闭阀，LC=正，若气开阀 LC=负 运算器正负号： C2： 取决于控制阀开闭形式 蒸汽量↑ 给水量应该↑： 气闭：I应该↓C2取“-” 气开：I应该↑C2取“+”
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
（1）蒸汽压力与燃烧控制 一般，用燃料量控制蒸汽压力，单回路/串级 燃烧控制要求燃料与空气的一定比例，比值控制 加入逻辑关系，
燃料量 p 空 燃料量 p
锅炉的汽包水位控制一般比较严格
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
汽包水位的动态特性 影响因素多 主要讨论水流量、蒸汽流量—L 特性 ① 给水流量W—L 阶跃响应H曲线 ，相当于积分加纯滞后环节 给水温度越低，纯滞后时间越大
W
t
H H1 H
t
τ
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
② 蒸汽流量D—L 曲线H1——D突然增加，物料平衡，水位下降 曲线H2——D突然增加，瞬间汽包压力下降，水沸腾加剧， 气泡增加，水位上升 曲线H——汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假 水位”现象
16.2
换热器的特性
T1o --G2 ： T1o --G1 ：
仿真分析（静态放大倍数）：
严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等 百分数阀。
T10 T1i T2i T1i
G1c1 1 KF
T10 T1i T2i T1i
3 1
2 4
G2 c2 KF
G2 c2 KF
G1c1 KF
16.4.1 概述
主要控制系统 （1）汽包水位控制 保持水量与蒸汽量的物料平衡
（2）燃烧控制
保证燃烧的经济性和安全性
（3）蒸汽控制
控制过热蒸汽的温度
（4）水处理控制 防止或减少结垢
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证 水位过高——影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多， 使过热蒸汽温度下降 水位过低——可能全部汽化，产生危险
（ b）
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
① 加法器系数 I C1IC C2 I F IC汽包水位信号，C1≤1 IF蒸汽流量信号，C2根据静态前馈补偿设置
I0
W D
KV W / I
D I F ( zmax zmin ) Dmax
D W KV I KV C2 I F KV C2 ( zmax zmin ) Dmax
T1o T1i 1 T2i T1i c1G1 1 c1G1 1 KFm 2 c2G2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2
换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）： T1i → T1o ： 式11-8 T2i → T1o ： 式11-9
T10 1 1 T1i G1c1 1 G1c1 1 KF 2 G2 c2 T10 1 T2 i G1c1 G1c1 1 1 KF 2 G2 c2
过程控制系统及工程
第16章 传热设备的控制
信息学院自动化系：孙洪程
Email:Sunhc@
第
11章
传热设备的控制
16.1 概述 16.2 传热设备的特性
16.3 一般传热设备的控制
16.4 锅炉设备的控制 16.5 加热炉的控制
16.6 蒸发器的控制
16.1 概述
q=KFΔ T
T10 T1i 1 T2i T1i G1c1 1 G1c1 1 KF 2 G2 c2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
16.2
换热器的特性
热交换过程的传热速率方程
q KFm Tm
K 为传热系数；Fm 为传热面积； ΔTm 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
T2 o T1i T2i T1o
(T2o T1i ) (T2i T1o ) Tm T2o T1i ln T2i T1o
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
(T2o T1i ) (T2i T1o ) Tm 2
16.2
换热器的特性
① 对象静态特性分析 基于热量平衡方程和传热速率方程， 用于系统扰动分析及 静态控制设计依据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
q G1c1 (T10 T1i ) G2c2 (T2i T20 )
H2
H H1
Kf K2 H ( s) H 1 ( s) H 2 ( s) D(s) D(s) D(s) s T2 s 1
非最小相位特性
K1 K2 H ( s) D( s ) s T2 s 1 H ( s) ( K 2 K1T2 ) s K1 K1 (T0 s 1) D( s ) s(T2 s 1) s (T2 s 1)
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
③ 双冲量控制系统其它形式
水位 蒸汽量 水位 蒸汽量
∑
∑
TdS
LC
LC
给水阀
给水阀
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
（3）三冲量控制系统 在双冲量基础上，进一步克服给水干扰，引入给水流量 信号 蒸汽
IC
LC
IF
I=IC±CIF-I0
I
I0
FC
I’F
给水
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
16.2
换热器的特性
T1i→T1o ：
W1 s G1
② 对象动态特性分析 分布参数对象：既是时间函数， 又是空间的函数 精确描述：偏微分方程，
G( s) K1e
K1e
s
求解困难
经验公式近似描述：
动态纯滞后环节 T2i→T1o、 G1→T1o 、 G2→T1o
K 2 s G(s) e ( 1s 1)( 2 s 1)
16.3.2 蒸汽加热器的控制
② 控制冷凝液排量 热载体的出口控制，通过改变F控制 控制阀控制液体，口径可以小些，液体 控制平稳， 缺点：滞后 蒸汽G2
G1 TC FC 凝液
图16-14 前馈-反馈控制系统
16.3.3 冷凝冷却器的控制
热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量
① 控制载热体流量
K2 T0 T2 K1
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
K2 T0 T2 0 K1
16.4.2 锅炉汽包水位的控制 （1）单冲量控制系统
汽包水位的单回路控制， “单冲量”—汽包水位 适用于负荷小的锅炉
蒸汽
气泡
省 煤 器 LC 给水
三个问题： ① ② ③ 不能克服虚假水位带来的后果 对蒸汽负荷的变化控制不灵敏 对给水扰动控制滞后
图16-8
16.3.1 换热器的控制
② 介质旁路控制 介质混合过程 控制及时（相当于前馈机理） 另外，还可以组成前馈——串级控制方案图 载热体 TC G2
工业介质G1 图16-9
16.3.2 蒸汽加热器的控制
蒸汽作为热载体，工业常用 ① 控制载热体流量 蒸汽发生相变，可同时通过ΔT和传热面积控制，只是 要注意出口液体能够连续排出。 蒸汽G2 TC G1 凝液 图16-12
前馈（蒸汽流量）——串级（汽包水位—给水流量）控制系统
U
GmF
GPD
I0
GC1
IF
IC ∑
I
I’F
GC2
GP2
GPC
I0
L
GmF
Gm
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
① 加法器系数C 根据给水流量变化W=蒸汽流量变化 （前馈补偿）
C
Dmax
Wmax
对于I0，正常负荷时 I0与IC抵消
CI F IF
换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等
16.1.2传热设备作用及控制
控制要求： （1） （2） （3） 对工艺介质进行加热或冷却 使工艺介质发生相变 热量回收
主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
16.2
换热器的特性
G 2 c2 T2i
G1c1 T10
G1c1 T1i
G2c2 T20 图 逆流单程换热器
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
② 阀、控制器、运算器符号
阀安全角度确定
控制器按串级系统确定（先副后主） 运算器符号： 由于 CIF 作为流量控制器的给定，蒸汽流量增加，给水 流量应该提高，C永远为正（与阀的形式无关，与双 冲量不同） I=IC + CIF - I0