基于过热蒸汽的换热器温度控制系统设计.docx

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1、摘要这次课程设计任务是对过热蒸汽的换热器温度控制系统进行设计与分析。在控制系统的设计与分析中，分别对前馈-反馈控制系统和单回路控制系统进行了分析与阐述，通过分析比较发现，为保证此系统出口温度的一定，我选择定比值控制系统中的前馈-反馈控制系统。通过使用该控制系统，可以使过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保证过热器壁温度不超过工作允许的温度，使其能够正常工作关键词:换热器；单回路控制系统；前馈-反馈控制系统；过热蒸汽目录第1章绪论11.1 换热器简介11.2 换热器的发展前景11.3 换热器的种类2第2章 方案论证42.1 方案设计42.2 设计方案的选择7第3章仪表选择83.1 温度变送器

2、的选择83.2 控制器的选择103.3 执行器的选择11第4章控制算法123.4 1 PID 算法134. 1. 1比例调节对系统品质的影响1341. 2比例积分调节系统控制质量的影响134 1.3比例微分调节对系统控制品质的影响134.1.4比例积分微分调节对控制系统品质的影响1444.2控制规律的选择144. 3调节控制参数144.4控制器的正反作用方式14第5章 参数整定与系统测试错误!未定义书签。第6章 设计总结错误!未定义书签。参考文献19II第1章绪论1.1 换热器简介能源是当前人类面临的重要问题之一，能源开发及转换利用已成为各国的重要课题，而换热器是能源利用过程中必不可少的设备，

3、几乎一切工业领域都要使用，化工、冶金、动力、交通、航空与航天等部门应用尤为广泛。近几年由于新技术发展和新能源开发利用，各种类型的换热器越来越受到工业界的重视，而换热器乂是节能措施中较为关键的设备，因此，无论是从工业的发展，还是从能源的有效利用，换热器的合理设计、制造、选型和运行都具有非常重要的意义。换热器的功能和分类换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛的应用于炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业部门中。在化学工业与石油炼制工业中所用的换热器的投资大约占设备总投资的30%。换热器在现代石油炼制厂中占全部工艺设备的40%左右。在海水淡化工业生产中，全部工艺装置几乎

4、都是由换热器组成的。随着石油化工的行业的迅速发展，各种高效的换热器不断出现。换热器就是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。1.2 换热器的发展前景：近年来，随着我国石化、钢铁等行业的快速发展

5、，换热器的需求水平大幅上涨，但国内企业的供给能力有限，导致换热器行业呈现供不应求的市场状态，巨大的供给缺口需要进口来弥补。根据海关的统计，2001-2005年，我国平均每年从国外进口换热器22. 49万台,总金额达到14. 02亿美元。其中，仅2004年一年就进口了 34. 11万台，共计4. 9亿美元。虽然，我国的换热器出口数量也不少，但其规模远远小于进口规模（见图1）。2001年，我国换热器的进口数量、金额和均价分别比出口数量、金额和均价多44640台、8021. 6万美元、245. 72美元/台；但到了 2005年，进出口间的差距已扩大到75667台、34517万美元和1347. 57美

6、元/台。这说明，我国换热器市场增长的速度远远超过了供给增长的速度。同时，我国出口的换热器均价平均不到进口均价的一半,2005年更是降到了 25%以下。可以想见，我国出口的产品多是附加值低的中、低端产品，而进口的产品多是附加值高的高端产品。这充分说明我国对高端换热器产品需求旺盛但供给不足的市场现状。预计“十一五”期间，我国的换热器进口规模还将维持在一个相对较高的水平（约200300万台之间），且更加向高端产品集中。未来，国内市场需求将呈现以下特点：对产品质量水平提出了更高的要求，如环保、节能型产品将是今后发展的重点；要求产品性价比提高；对产品的个性化、多样化的需求趋势强烈；逐渐注意品牌产品的选用

7、；大工程项目青睐大企业或企业集团产品Q1.3 换热器的种类换热器种类很多，但根据冷,热流体热量交换的原理和方式基本上可分三大类，即间壁式，混合式和蓄热式.在三类换热器中，间壁式换热器应用最多，：1 .间壁式换热器的类型夹套式换热器这种换热器是在容器外壁安装夹套制成，结构简单;但其加热面受容器壁面限制，传热系数也不高.为提高传热系数且使釜内液体受热均匀，可在釜内安装搅拌器.当夹套中通入冷却水或无相变的加热剂时,亦可在夹套中设置螺旋隔板或其它增加湍动的措施，以提高夹套一侧的给热系数.为补充传热面的不足，也可在釜内部安装蛇管.夹套式换热器广泛用于反应过程的加热和冷却.2 .混合式换热器混合式热交换器

8、是依靠冷、热流体直接接触而进行传热的，这种传热方式避免了传热间壁及其两侧的污垢热阻，只要流体间的接触情况良好，就有较大的传热速率。故凡允许流体相互混合的场合，都可以采用混合式热交换器，例如气体的洗涤与冷却、循环水的冷却、汽一水之间的混合加热、蒸汽的冷凝等等。它的应用遍及化工和冶金企业、动力工程、空气调节工程以及其它许多生产部门中。按照用途的不同，可将混合式热交换器分成以下几种不同的类型：冷却塔（或称冷水塔）在这种设备中，用自然通风或机械通风的方法，将生产中已经提高了温度的水进行冷却降温之后循环使用，以提高系统的经济效益。例如热力发电厂或核电站的循环水、合成氨生产中的冷却水等，经过水冷却塔降温之

9、后再循环使用，这种方法在实际工程中得到了广泛的使用。(2)气体洗涤塔(或称洗涤塔)在工业上用这种设备来洗涤气体有各种目的，例如用液体吸收气体混合物中的某些组分，除净气体中的灰尘，气体的增湿或干燥等。但其最广泛的用途是冷却气体，而冷却所用的液体以水居多。空调工程中广泛使用的喷淋室，可以认为是它的一种特殊形式。喷淋室不但可以像气体洗涤塔一样对空气进行冷却，而且还可对其进行加热处理。(3)喷射式热交换器在这种设备中，使压力较高的流体由喷管喷出，形成很高的速度，低压流体被引入混合室与射流直接接触进行传热传质，并一同进入扩散管，在扩散管的出口达到同一压力和温度后送给用户。(4)混合式冷凝器这种设备一般是

10、用水与蒸汽直接接触的方法使蒸汽冷凝3 ,蓄热式换热器蓄热式换热器用于进行蓄热式换热的设备。内装固体填充物，用以贮蓄热量。一般用耐火砖等砌成火格子(有时用金属波形带等)。换热分两个阶段进行。第一阶段,热气体通过火格子，将热量传给火格子而贮蓄起来。第二阶段，冷气体通过火格子，接受火格子所储蓄的热量而被加热。这两个阶段交替进行。通常用两个蓄热器交替使用，即当热气体进入一器时，冷气体进入另一器。常用于冶金工业，如炼钢平炉的蓄热室。也用于化学工业，如煤气炉中的空气预热器或燃烧室，人造石油厂中的蓄热式裂化炉。蓄热式换热器一般用于对介质混合要求比较低的场合。20第2章方案论证2.1方案设计换热器控制系统结构

11、见下图所示,输出量为被控参数,传感器把它测回到输入端,与给定值比较，在由控制器指导执行器对被控参数进行操作控制器卜执行器传感器图2.1控制系统结构图引起换热器出口温度变化的扰动因素大概主要有：(1)热流体的流量和温度的扰动，热流体的流量主要受到换热器入口的阀门的开度和循环泵压头的影响。热流体的温度主要受到加热炉温度和管路散热的影响。(2)冷流体的流量和温度的扰动。冷流体的流量主要受到离心泵的压头、转速和阀门的开度等因素影响。(3)加热炉的启停机的影响。(4)室内温度与管路内气体变化和阀门开度的影响。2.1.1 单回路系统设计方案在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦

12、改变进口蒸汽温度，如下图所示。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后,调节器才开始动作，去控制减温水流量w .W的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运

13、行。图2-2改变减温水量控制蒸汽温度系统实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。图2. 3单回路控制系统框图图2.3是简单控制系统的框图。由图可知，简单控制系统由四个基本环节组成，被控对象、测量变送装置、控制器、执行器四个部分的传递函数分别为GC(S)、GV(S)、GOS)、GM(S)o不同目的的控制系统的被控过程、被控参数不同，所采用的检测装置、控制介质也不一样，但都可以用图2.2的框图表示，由图可以看出，简单控制系统只

14、有一个反馈回路，因此也称为单回路控制系统优点：结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较容易。缺点：不能满足生产更高要求情况。2.1.2 前馈-反馈控制系统设计方案图2. 4换热器前馈-反馈复合控制系统原理图由如图2.4所示的热交换器温度控制系统，被加热物流出口温度是被控参数，温度变送器TT将出口的温度信号送入温度控制器TC,控制器通过控制调节阀开度，温度变送器FT将冷物料的温度信号送入温度控制器FC,控制器通过调节阀开度，共同调节进入热交换器的载热介质的流量，将物料出口温度控制在规定的数值。+图2. 5换热器前馈-反馈复合控制系统方框图由图2. 5可知，当冷物料流量Q发生变化时，前馈控制器Gb

15、 (S)及时发出控制指令，补偿冷物料流量Q变化对交换器出口温度Y(S)的影响；而冷物料温度、蒸汽压力等扰动对物料出口温度Y(S)的影响，则由反馈控制器GC(S)来克服。前馈控制作用加反馈控制作用，能够很好地克服扰动对出口温度Y (S)的影响。优点：前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。前馈-反馈控制系统即可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。缺点：使用了多个传感器，控制器，有较高的的成本。在反馈回路中，干扰对被控对象的影响有很小的滞后作用，从干扰作用到执行器消除干扰大概需要2分钟左右，但是对工程量影响不是很大。2. 2设计方案的选择因为本设计要求较高的精度要求，所以考虑了两种方案的优