换热器温度前馈控制

目录

1引言 (2)

2 设计任务与方案分析 (2)

2.1 设计任务 (2)

2.2 方案分析 (2)

3 建模分析 (3)

3.1 换热器的静态特性分析 (3)

3.2 换热器的静态放大系数 (4)

3.3 被控过程分析 (5)

4 前馈控制器的设计 (6)

4.1 前馈控制通用模型分析 (6)

4.2 静态前馈控制器的设计 (7)

4.3前馈控制的动态补偿 (8)

5 调节阀和检测变送元件介绍 (9)

5.1 调节阀的选择 (9)

5.2 温度变送器 (10)

5.3 流量传感器 (10)

6 参数整定及系统实现 (11)

6.1 静态工作点 (11)

6.2动态补偿参数的整定 (11)

7 小结体会 (13)

8 参考文献 (14)

换热器温度前馈控制

1引言

换热器作为工艺过程中必不可少的单元设备，广泛地应用于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。据统计，在现代石油化工企业中换热器投资约占装置建设总投资的 30%~40%；在合成氨厂中，换热器约占全部设备总台数40%。由此可见，换热器对整个企业的建设投资及经济效益有着重要的影响。化工生产中所指的换热器，常指间壁式换热器，它利用金属壁将冷、热两种流体间隔开，热流体将热传到避面的一侧（对流传热），通过间壁内的热传导，再由间壁的另一侧将热传递给冷流体，从而使热物流被冷却，冷物流被加热，满足化工生产中对冷物流或热物流温度的控制要求。

目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热（冷却）介质的流量作为调节手段,以被加热（冷却）工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统,对于存在大的负荷干扰且对于控制品质要求较高的应用场合,多采用加入负荷干扰的前馈控制构成前馈反馈控制系统.本文就通过对干扰的分析，重点阐述前馈对于干扰的控制作用。

2 设计任务与方案分析

2.1 设计任务

本文以用蒸汽液化给工艺介质加热为代表介绍换热器温度控制系统，针对工艺介质出口温度的主要干扰进行分析，并对扰动实施前馈控制以达到扰动补偿的目的。具体要求为：扰动分析，扰动补偿中的变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择和参数整定并进行系统仿真。充分利用前馈控制的在扰动对控制过程影响之前就加以抑制的特点达到控制温度要求，避免较大超调的要求。

2.2 方案分析

前馈控制的特点是扰动补偿。

在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响。这就是前馈控制的思想。

对于换热器控制系统为什么采用前馈控制策略而不采用单回路的反馈控制

方案呢？这要从换热器温控系统的特点来看。

换热器温度控制系统是个大惯性、时间滞后、非线性的系统。如果采用简单的反馈回路控制，滞后和超调会比较大，不能适应工程的需要。而前馈可以比较好地解决这个问题。

换热器温控系统中存在着经常变动、可测而不可控的扰动，反馈控制难以克服扰动对被调量的影响，这时可引入前馈控制以改善控制品质。

在蒸汽加热器系统中，如果对工艺介质流量波动要求较高，采用前馈控制方案也可以很好地解决问题。

下图就是当蒸汽加热温控系统的前馈控制策略。只要控制器参数整定合适就可以降低乃至避免该扰动对被控液体出口温度的影响。

图2-1 蒸汽加热器前馈控制系统原理图

3 建模分析

3.1 换热器的静态特性分析

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.假定换热过程中的热损失可忽略不计,则有: 1)热平衡方程式

)()(11112222i o o i c G c G q θθθθ-=-= （3-1） 式中,21,G G 表示冷、热流体的重量流量,kg/h;21,c c 表示冷、热流体在进出

口温度范围的平均比热,kJ/(kg·℃);i i 21,θθ表示冷、热流体进入换热器的温度,℃;o o 21,θθ表示冷、热流体出换热器的温度,℃。 2)传热速率方程式

m m UA q θ∆= （3-2）

式中，q 表示热量传递速率，U 表示传热系数，m A 表示传热面积，m θ∆表示平均温差，如果只是为了表示变量之间的关系，用算术平均值就足够精确了。即：

2

)

()(1212o i i o m θθθθθ-+-=

∆ （3-3）

由（3-1）、（3-2）、（3-3）可以整理得到： 3）静态特性基本方程式

)

1(211

2

211111211c G c G UA c G m

i

i i o +

+=

--θθθθ （3-4）

由此可以求得有关通道的静态放大系数。

3.2 换热器的静态放大系数

设换热器的输出变量是冷流体的出口温度o 1θ，而输入变量是：载热体流量

2G ，入口温度i 2θ，冷流体流量1G ，入口温度i 1θ。下面通过式（3-4）求得这四

条通道的静态放大系数。 1）)(11o i θθ∆--∆

)1(21)1(212

211112

21

11

1110++-+

=

∆∆c G c

G UA c G c G c G UA c G m

m i

θθ （3-5）

这条通道基本是线性的，放大系数总是小于1，即出口温度的变化小于入口温度变化。 2）)(12o i θθ∆--∆