传热设备的控制方案

4.2 传热设备的控制方案

4.2.1 绪论

传热过程在工业生产中应用极为广泛，有的是为了便于工艺介质达到生产工艺所规定的温度，以利于生产过程的顺利进行，有的则是为了避免生产过程中能量的浪费。在实现传热过程的各种设备中，蒸汽加热的浪费最多。目前，蒸汽加热换热器的控制仍采用传统的 PID 控制，以加热蒸汽的流量作为调节手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统[1]。

工业生产过程中，由于热量交换的设备称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发生相变或不发生相变。热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流。实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。传热设备简况见表2-1。

表2-1 传热设备

传热设备的特性应包括传热设备的静态特性和传热设备的动态特性。静态特性设备输入和输出变量之间的关系；动态特性是动态变化过程中输入和输出之间的关系。下面以换热器为例简单介绍一下传热设备的基本原理。

4.2.2 换热器简介

（1）换热器静态特性的基本方程式

①热量衡算式

图2-1所示为换热器的基本原理。

图4。2-1 换热器的基本原理

由于换热器两侧没有发生相变，因此，可列出热量衡算式

G2c2(θ2i-θ2o)=G1c1(θ1o-θ1i) (2-1)式中，下标1表示冷流体参数，2表示在热流体参数。

②传热速率方程式

换热器的传热速率方程式为 q=UA mΔθm (2-2)

式中，Δθm是平均温度差，对单程、逆流换热器，应采用对数平均式，表示为

(2-3)但在大多数情况下，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于5%。算术平均温度差表示为

(2-4)

③换热器静态特性的基本方程式

根据热量平衡关系，将式(2-4)代入式(2-2)，并与式(2-1)联立求解，得到换热器静态特性的基本方程式

(2-5)假设换热器的被控变量是冷流体的出口温度θ1o，操纵变量是载热体的流量G2，则式(2-5)可改写为

(2-6)

（2）换热器传热过程的动态特性

在工业生产中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运行工况必须不断调节以与生产负荷变化相适应。以逆流、单程、列管式换热器为例，假定换热过程中的热损失可忽略不计，则有控制通道的静特性：

(2-7) T0，T i，T Si——分别为工艺介质的出口、入口和加热蒸汽的温度

W S，W ——分别为加热蒸汽和工艺介质的流率

C PS，C ——分别为加热蒸汽和工艺介质的定压比热容

K A——总传热系数

A——平均传热面积

分析上式可知，换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性，即在工艺介质流量W 大时，加热工艺介质达到规定温度所需的蒸汽流量W S必然随之增大，则上式计算出的放大系数K 减小。

对于决定换热器动态响应的特性参数,机理分析和工程实践都表明,换热器是一个惯性和时间滞后均较大的被控系统,且是分布参数的。若将动特性用集中参数来描述,换热器可用一个三容时滞对象来近似描述。为简化起见,将换热器的动特性取为:

(2-8)式(2-8)中的放大系数Ｋ已在上面阐述,时间常数Ｔ和滞后时间τ是两个决定换热器动态响应过程的时间型参数,它们也是随换热器的工况变化而变化的。以式(2-8)中的滞后时间为例,它是由多容对象处理为单容对象而引入的容量滞后时间τc与由工艺介质传输距离引起的纯滞后时间τd两部分组成。显然,当生产负荷变化时,介质流速随之变化,从而使得滞后时间也是随负荷变化的。

4.2.3 控制方案的确定

根据上述分析，为了控制换热器的冷流体出口温度，有四种可以影响的过程变量，其中，冷流体入口温度、载热体入口温度和冷流体流量都是由上工序确定，因此不可控制，但可测量。或者因通道的增益较小，不宜作为操纵变量。可操纵的过程变量只有载热体流量。因此，对冷流体出口温度可采用单回路控制系统，即出口温度为被控变量，载热体流量为操纵变量的单回路控制系统。

由于其他三个过程变量不可控但可测量，当它们的变化较频繁，幅值波动较大时，也可作为前馈信号引入，组成前馈-反馈控制系统。

当载热体流量或压力波动较大时，宜将载热体流量或压力作为副被控变量，组成串级控制系统。

从上述分析可知，采用载热体流量作为操纵变量时，在流量过大时，进入饱和非线性区，这时，增大载热体流量将不能很好的控制冷流体出口温度，而需要采用其他控制方案。

4.2.4 传热设备控制方案的实现

（1）调节载热体流量

改变载热体流量，引起传热速率方程的传热总系数U和平均温度差Δθm的变化。可根据载热体是否发生相变，分两种情况讨论。

①载热体不发生相变

根据热量衡算式和传热速率方程式可知，当改变载热体流量时，会引起平均温度差的变化，流量增大，平均温度差增大，因此，在传热面积足够时，系统工作在图2-2所示的非饱和区，通过改变载热体流量可控制冷流体出口温度。

图4。2-2 载热体流量与冷流体出口温度的关系

当传热面积受到限制时，由图2-2可知，由于传热面积不足，通过增加载热体流量不能有效的提高冷流体出口温度，即系统工作在饱和区。这时，通过调节载热体流量的控制方案不能很好地控制出口温度，应采用其他控制方案，例如下面将介绍的工艺介质分路控制方案。

考虑换热器的动态特性，由于流体在流动过程中不可避免存在时滞，例如，冷流体入口温度对出口温度的时滞就较大，而其他扰动通道也具有较大的时间常数，为此，在控制方案的设计时应采用时滞补偿控制系统或改进工艺，减少时间常数和时滞。

.当载热体压力波动不大时，可采用以冷流体出口温度为被控变量、载热体流量为操纵变量的单回路控制系统，控制方案如图2-3(a)所示；当压力或流量波动较大时，可增加压力或流量为副环，组成以载热体压力或流量为副被控变量的串级控制系统，控制方案如图2-3(b)所示。

(a)单回路控制系统(b)串级控制系统

图4。2-3 调节载热体流量的控制方案

当原料流量（冷流体流量）等波动较大时，可采用前馈-反馈控制系统，其前馈信号可来自冷流体流量，控制方案如图2-4所示

图4。2-4 前馈-反馈控制系统