浙大工业过程控制--15传热设备控制
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3、掌握换热器的控制问题与常用的控制方案； 4、掌握加热炉出口温度的控制问题与串级方案。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
内容
n引 言 n 换热器的静态特性 n 换热器的动态特性 n 换热器的控制 n 加热炉的控制 n 锅炉设备的控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的控制问题
n 被控变量：工艺介质的出口温度。 n 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 n 主要干扰：
工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/ 燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃 料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻 力，炉膛压力等。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
练习题 2
对于下列蒸汽换热器，要求介质出口温度达到规定值。试分析下列 情况下应选择哪一种控制方案，并画出控制系统的结构图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 比较稳定，但蒸汽压力PV 波动较大； （2）蒸汽压力PV 比较稳定，但工艺介质流量GF 波动较大； （3）介质流量GF 较稳定，但入口温度Ti 及蒸汽压力PV 波动较大。
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉设备的控制问题
系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉蒸汽压力控制 和燃料与空气比值控制系统
2020/11/25
稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2 分析提降量过程？
浙大工业过程控制--15传热设备控制
练习题 1
对于下图所示的套管式换热器，假设 (1) 间壁的热容可忽略；(2) 工 艺介质为液相，属层流流动；(3) 加热蒸汽在套管内的温度可用集中 参数T1(t)来表示。设内套管的圆周长为A，工艺介质单位长度的流体 质量为 M2。试建立该换热器的动态数学模型。
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
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的传热速率方程
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
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的静态方程
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的静态特性分析
严重非线性，若其它 环节为线性，调节阀 需选用等百分数阀。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制问题
n 被控变量
(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）； (2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再 沸器的蒸发量。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的单回路控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的串级控制（一）
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的串级控制（二）
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
催化裂化加热炉的控制系统
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的控制问题
n 被控变量：汽包水位，用H (s)表示 n 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示 n 主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示
n 通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
浙大工业过程控制--15 传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热设备控制思考题
1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均 无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输 入条件之间的静态关系；
2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热 器（分布参数系统）的动态模型建立方法；
n 控制变量
(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差； (3) 调传热面积；(4) 将工艺介质分路，一路经换热， 另一路走旁路。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制方案
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制方案(续)
问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求， 如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？
汽包水位的双冲量控制
前馈补偿原理：假设 调节阀为气关阀， C1=1，则调节器为正 作用，而C2应取负号， 具体数值可现场调整 或根据阀门特性计算 其初始值。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的三冲量控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
三冲量控制系统的简化连接
2020/11/25
浙大工业LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量 过低联锁装置； GL2：进料流量过 低联锁装置。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉设备的工艺流程
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
控制通道特性
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
非最小相位特性
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
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的单冲量控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的静态特性
问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口 条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺 介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2 分别为相应介质的比热。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的热量平衡方程
假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损 失。即
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
内容
n引 言 n 换热器的静态特性 n 换热器的动态特性 n 换热器的控制 n 加热炉的控制 n 锅炉设备的控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的控制问题
n 被控变量：工艺介质的出口温度。 n 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 n 主要干扰：
工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/ 燃料气的压力、流量、成分（或热值）；燃 料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻 力，炉膛压力等。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
练习题 2
对于下列蒸汽换热器，要求介质出口温度达到规定值。试分析下列 情况下应选择哪一种控制方案，并画出控制系统的结构图与方块图。 （1）工艺介质流量GF 比较稳定，但蒸汽压力PV 波动较大； （2）蒸汽压力PV 比较稳定，但工艺介质流量GF 波动较大； （3）介质流量GF 较稳定，但入口温度Ti 及蒸汽压力PV 波动较大。
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉设备的控制问题
系统分解：（1）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉蒸汽压力控制 和燃料与空气比值控制系统
2020/11/25
稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2 分析提降量过程？
浙大工业过程控制--15传热设备控制
练习题 1
对于下图所示的套管式换热器，假设 (1) 间壁的热容可忽略；(2) 工 艺介质为液相，属层流流动；(3) 加热蒸汽在套管内的温度可用集中 参数T1(t)来表示。设内套管的圆周长为A，工艺介质单位长度的流体 质量为 M2。试建立该换热器的动态数学模型。
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
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的传热速率方程
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
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的静态方程
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的静态特性分析
严重非线性，若其它 环节为线性，调节阀 需选用等百分数阀。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制问题
n 被控变量
(1) 被加热/冷却介质的出口温度（无相变）； (2) 加热/冷却所需的热量（有相变），如精馏塔底再 沸器的蒸发量。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的单回路控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的串级控制（一）
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
加热炉的串级控制（二）
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
催化裂化加热炉的控制系统
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的控制问题
n 被控变量：汽包水位，用H (s)表示 n 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示 n 主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示
n 通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
浙大工业过程控制--15 传热设备控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热设备控制思考题
1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均 无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输 入条件之间的静态关系；
2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热 器（分布参数系统）的动态模型建立方法；
n 控制变量
(1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差； (3) 调传热面积；(4) 将工艺介质分路，一路经换热， 另一路走旁路。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制方案
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的控制方案(续)
问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求， 如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？
汽包水位的双冲量控制
前馈补偿原理：假设 调节阀为气关阀， C1=1，则调节器为正 作用，而C2应取负号， 具体数值可现场调整 或根据阀门特性计算 其初始值。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的三冲量控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
三冲量控制系统的简化连接
2020/11/25
浙大工业LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量 过低联锁装置； GL2：进料流量过 低联锁装置。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
锅炉设备的工艺流程
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
控制通道特性
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
非最小相位特性
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
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
汽包水位的单冲量控制
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
换热器的静态特性
问题：针对逆流单程列管式热交换器，巳知入口 条件（G1, T1i, G2, T2i）,要求计算稳定条件下工艺 介质与载热体的出口温度（T1o, T2o）。其中c1, c2 分别为相应介质的比热。
2020/11/25
浙大工业过程控制--15传热设备控制
热交换过程的热量平衡方程
假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损 失。即