传热设备的控制培训教材

燃料量
p
PC
百度文库空 气
K量
燃料量
p
PC
空 气
K量
FC
FC
FC LS
HS FC
燃料阀
空气阀
图16-34
燃料阀
图16-35
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
（2）烟气含氧量控制
燃料与空气比值的最优化
维持燃烧，理论上要维持一个最低空气量，实际空气量要
略大于最低量，过剩空气量。大，能量浪费，小，燃烧 不完全
对 于 不 同 的 燃 料 ， 都 有 一 个 最 优 空 气 量 —— 最 经 济 燃 烧
T1o --G1 ：
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
2
4
T10 T1i T2i T1i
G2c2 KF
G2c2 3 KF 1
G1c1 KF
16.2 换热器的特性
② 对象动态特性分析
分布参数对象：既是时间函数，
T1i→T1o ：
另外，还可以组成前馈——串级控制方案图
载热体
G2
TC
图16-9
工业 介质 G1
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
图16-12
凝液
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
P3C ∑ K
16.5 加热炉的控制
火力加热设备，主要是控制炉膛温度（防止烧坏）、燃 烧控制，以及被加热物料出口温度控制。
• 被控变量：工艺介质的出口温度。 • 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 • 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。 • 对象特性建模方法：定性分析+实验测试，通 常可用一阶加纯滞后环节来近似。
q
KFm
(T2o
T1i )
2
(T2i
T1o )
c1G1 (T1o
T1i )
c1G1 KFm
(T1o
T1i )
(T2i
T1i )
1 2
1
c1G1 c2G2
(T1o
T1i )
T1o T1i
1
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式
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
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，
q G1c1 (T10 T1i ) G2c2 (T2i T20 )
q=KFΔT
T10 T1i
1
T2i T1i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
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 KFmTm
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.
α
QP
QT
可通过烟气含氧量信号间接获得
21
21 A0
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
在燃烧控制方案中引入含氧量信号校正 若要求能够适应负荷变化，可构成图16-40的控制系统。
燃料量
p
PC
空气量
×
O2 最优值
AC
FC
LS
HS
FC
燃料阀
空气阀
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
（3）炉膛负压控制及安全控制
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
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） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收
主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
过程控制系统及工程
第16章 传热设备的控制
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
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
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“+”
16.4.2 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
∑
∑
∑
LC
LC
蒸汽量
TdS
给水阀
对于逆流单程换热器， 可取对数平均值
Tm
(T2o T1i ) (T2i T1o )
ln
T2o T2i
T1i T1o
若
T2o T1i T2i T1o
在1/3 ~ 3 之间，则可用算术平均近似
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2
T1o )
16.2 换热器的特性
热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
蒸汽G2
TC
FC
G1 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
优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响
缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液
T-L串级控制系统
气氨
TC 图16-16
液氮
16.3.3 冷凝冷却器的控制
① 控制载热体流量
用载热体流量控制介质出口温 度，最常用的方法
特点：简单易行
TC
但是，当G2已经很大， 而温差较小时，迟钝 控制
另外，若工艺上不允许
对载热体节流时，不 能采用这种方案
载热体 G2
图16-8
工业 介质 G1
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）
煤
器
② 对蒸汽负荷的变化控制不灵敏
LC
给水
③ 对给水扰动控制滞后
16.4.2 锅炉汽包水位的控制 （2）双冲量控制系统
为了克服虚假水位现象，引入蒸汽流量，“双冲量”
蒸汽
IC IF I0
LC
I=C1IC±C2IF±I0
给水
前馈（蒸汽流量）—反馈（汽包水位）控制系统 静态前馈
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
曲线H——汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假 水位”现象
H2
H H1
H (s) H1(s) H2 (s) K f K2
D(s) D(s) D(s)
s T2 s 1
非最小相位特性
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
H (s) (K2 K1T2 )s K1 K1(T0s 1)
GC2
GP2
GmF
GPD
GPC
L
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
I F CI F
I0与IC抵消
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
② 阀、控制器、运算器符号
阀安全角度确定 控制器按串级系统确定（先副后主）
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 KF
1 2
1
G1c1 G2c2
T10
1
T2i
G1c1 KF
1 2
1
G1c1 G2 c2
16.2 换热器的特性
仿真分析（静态放大倍数）：
T1o --G2 ：
② 控制汽相流量
控制灵活，但出口压力波 动，若 直接进入压缩机，对压缩机有影响
气氨
TC
LC 液氮
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
教学进程
16.4 锅炉设备的控制
16.4.1概述 作用： 锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来
源——动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响
分类： 锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质 （煤、油、气）、压力（高、中、低）
结构： 主要结构图 燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统
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
KV C2I F
KV C2
D Dmax
( z max
zmin )
C2
Dmax
KV ( z max
z min )
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
•
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D(s)
s(T2s 1)
s(T2s 1)
T0
K2 K1
T2
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
T0
K2 K1
T2
0
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
三个问题：
省
① 不能克服虚假水位带来的后果
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
τττ
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
又是空间的函数
W1 s
精确描述：偏微分方程， G(s) K1e G1 K1es
求解困难
动态纯滞后环节
经验公式近似描述：
T2i→T1o、 G1→T1o 、 G2→T1o
G(s)
K
e 2s
(1s 1)( 2 s 1)
带纯滞后的二阶惯性环节
16.3 换热器的控制
控制方案
两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量
D
IF
C2
GmF
GPD
L0
IC
GC
C1
I
GV
I0
Gm
GPC
（b）
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
① 加法器系数 IC汽包水位信号，C1≤1
I C1IC C2 IF I0
IF蒸汽流量信号，C2根据静态前馈补偿设置
W D
KV W / I
I F
D Dmax
( z max
zmin )
W
KV I
（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
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
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
IF
LC
I=IC±CIF-I0
I0
I
FC I’F
给水
16.4.2 锅炉汽包水位的控制
前馈（蒸汽流量）——串级（汽包水位—给水流量）控制系统
U
IF
GmF
I0
IC
I
GC1
∑
I’F
I0
16.2 换热器的特性
G2c2
T2i
G1c1 T10
G1c1 T1i
G2c2 T20 图 逆流单程换热器
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
① 炉膛负压控制 引风量控制 为克服滞后，可引入蒸汽压力作为前 馈信号，组成前馈——反馈控制系统
② 防脱火控制
引入燃气压力信号（燃烧嘴背压）构成选择性系统 ③ 防回火控制
燃烧嘴背压过低，实施联锁保护，切断燃气阀。
16.4.4 锅炉燃烧过程的控制
蒸汽
燃料
P1C
LS
P2C
PSA
炉膛负压控制及安全控制
气泡
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
16.4.3 过热蒸汽系统控制
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
减温水
T2C
T1C
图16-33 串级
d/dt TC
图16-34 双冲量控制