换热器出口温度单回路控制

目录

目录 (1)

1、概述 (2)

1.1设备的分类 (2)

1.2换热设备的换热目的 (2)

1.3 换热器的组成 (3)

1.4 换热器的工作原理 (3)

2、换热器温度控制原理以及控制方案的确定 (4)

3、被控对象特性研究 (6)

3.1 被控变量的选择 (6)

3.2 操纵变量的选择 (6)

3.3 被控对象特性 (6)

4、过程检测控制仪表的选用 (8)

4.1 测温元件及变送器 (8)

4.2 执行器 (10)

4.3 调节器 (12)

4.4、仪表型号清单列表 (13)

5、系统方块图 (14)

6、调节控制参数，进行参数整定及系统仿真，分析系统性能 (14)

6.1调节控制参数 (14)

6.2 PID参数整定及系统仿真 (15)

6.3 系统性能分析 (18)

7、课程设计结论 (19)

8、参考文献 (20)

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（换热器）、一个检测元件及变送器（温度传感器）、一个调节器（PID）和一个执行器（阀门）所构成的闭合系统，方框图如下：

F干扰作用

参比信号（设定点）控制信号操纵变量 (干扰变量）

Ys 偏差e u m 被控变量Y -

Ym

图1、单回路控制系统方框图

其中，被控变量：温度；操纵变量：流量[1]

。

1.1设备的分类

根据不同的使用目的，换热器可以分为四类：加热器、冷却器、蒸发器、冷凝器。按照传热原理和实现热交换的形式不同可以分为间壁式换热器、混合式换热器、蓄热式换热（冷热流体直接接触）、有液态载热体的间接式换热器四种。在石油、化工生产中间壁式换热器应用的最为广泛。按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类：一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一种是在相变的情况下的加热或冷却。按传热设备的结构形式来分，则有列管

式、蛇管式、夹套式和套管式等[1]

。衡量一台换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力

小，强度足够，结构合理，安全可靠，节省材料，成本低，制造、安装、检修方便。

1.2换热设备的换热目的

在炼油的化工生产中，换热器设备应用极其广泛。进行换热的目的主要有下列四种：

①.使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他工艺过程很好的进行；②.生产过

程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行； .某些工艺过程需要改变无聊的相态；④.回收热量。

由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下，被控变量是温度，为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同的工艺要求，被控变量也可以是流量、压力、液位等。

1.3 换热器的组成

有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。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[6]

。

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。

1.4 换热器的工作原理

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。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，可以根据数入

信号自动调节冷流体流量的大小,多级离心泵的转速由变频器来控制[2]

。

图2 换热器温度控制系统工艺流程图

从传热过程的基本方程式可知，为了保证出口的温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节，调节传热量有以下几条途径：

①、调节载热体的流量。调节载热体流量大小，其实只是改变传热速率方程中的传热系数K和平均温差△Tm，对于载热体在加热过程中不发生相变的情况，主要是改变传热速率方程的热系数K；而对于载热体在传热过程中发生相变的情况，主要是改变传热方程中的△Tm。

②、调节传热平均温差△Tm。这种控制方案滞后较小反应迅速，应用比较广泛。

③、调节传热面积F。这种方案滞后较大，只有在某些必要的场合才采用。

④、将工艺介质分路。该方案是一部分工艺介质经换热,另一部分走旁路。

在设计传热设备自动化控制方案时，要视具体传热设备的特点和工艺条件而定。而在某些场合，当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调节传热

面积，以保持出口温度恒定[3]

。

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

影响一个生产过程正常操作的因素很多,但并非对所有影响因素都要进行控制.被控参数是一个输出参数,应为独立变量,与输入量之间应有单值函数关系.对于换热器过程控制系统,人们最关心的是对换热器中介质即冷流体的温度和压力的自动控制与调节,而在这两项当中,温度的自动调节又处于首位.因为出口水温直接影响产品质量、产量、效率及安全性,即本系统把换热器出口水温作为被控参数.加热器出口水的温度不但与蒸汽的流量、温度、压力有关,而且与冷流体的流量、入口温度等均有关系。

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。