换热器温度控制系统

南华大学

过程控制仪表课程设计

设计题目换热器温度控制系统设计

学生姓名 XXXXXXXX 专业班级自动化0X X

学号 200944XXXXX 指导老师 XXXXXX

2012年6月25日

目录

引言 (3)

一、设计任务与方案分析 (4)

1.1 设计任务 (4)

1.2 方案分析 (4)

二、系统结构与框图 (5)

三、系统设计 (6)

3.1温度变送器选择 (6)

3.2执行器(调节阀)选择 (7)

3.3 调节器选择 (9)

四、系统组成 (12)

4.1 原件清单 (12)

4.2 系统配接图 (12)

五、总结 (13)

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。

一、设计任务与方案分析

1.1 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，并对扰动实施反馈控制以达到控制目的。具体要求为：变送器选择、执行器选择、控制器控制方案选择；仪表的工作原理及性能指标，仪表间的配接说明。

1.2 方案分析

简单控制系统是指那些只有一个被控量、一个操作量，只用一个控制器和一个调节阀所组成的控制回路。根据题目所提供的系统原理图，可知改系统只需用简单控制系统既能完成控制要求。

被控参数选择被加热物料出口温度，而不选冷物料为被控参数，只要是因为本系统主要干扰是冷物料流量的变化，若选冷物料入量为被控参数，扰动进入的位置离被控参数太近，干扰对被控参数的影响大，控制品质差。但若选择被加热物料出口温度为被控参数，蒸汽入量为控制参数，则可以使主要干扰进入系统的位置远离被控参数，从而干扰对被参数的影响不，提高了系统的控制品质。

控制参数选择蒸汽入量。若系统出现故障时，应立刻关闭蒸汽进入换热器，以免蒸汽进入过多，使温度过高，烧坏换热器。从系统整体来看，扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响，以使被控参数尽力维持在给定值。因此，选蒸汽入量为控制参数。

综上所诉，选择简单控制系统作为换热器温度控制系统的方案。

二、系统结构及框图

反馈系统的工作原理是：根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。系统总体结构如图2-1所示。 图中，T θ为温度变送器，C θ为温度控制器。

图2-1 换热器温度控制系统

根据换热器温度控制系统划的系统框图，如图2-2所示。其中被控对象Gp(s)、控制阀Gv(s)、测量变送元件Gm(s)组合在一起成为广义被控对象；Gd(s)为干扰通道的传递函数；Gc(s)是控制器传递函数；R 为设定的温度值，Y 为换热器的实际温度值。

图2-2 控制系统框图

三、系统设计

3.1 温度变送器的选择

根据题目知，温度测量仪表的选择：由于系统对温度的要求不是很高，而系

统的温度范围也在0~100℃之内，则只需要一般的测温元件，故选择K型热电偶。

温度变送器仪表的选择：DDZ-Ⅲ类仪表相对于DDZ-Ⅱ类仪表的一个优点为

电流范围不是从零开始，这样就避免了把仪表不能正常工作误认为是输出为零，

所以应选择DDZ-Ⅲ型K型热电偶温度变送器——DZ-5130K型热电偶温度变送器。

图3-1 K型热电偶温度变送器

表1 DZ-5130的主要技术指标

供电电源：24VDC±10% 电源保护：具有反向保护

输出保护：输出短路无限制转换精度：±0.1~±0.5%F.S

温度漂移：±0.15% F.S/10℃隔离性能：输入/输出/电源全隔离

响应时间：≤0.1秒(0～90%F.S) 绝缘电阻：输入/输出/电源间>100 MΩ

环境温度：-10～55℃绝缘强度：输入/输出/电源间>1500V AC(1分钟) 环境湿度：0～90%RH不结露外壳：耐高温阻燃工程塑料

安装形式：DIN 导轨安装，导轨尺寸35mm

表2

产品型号表

图3-2 DZ-5130接线图

端子1、2为输入，3、4为补偿电阻，5、6为输出1~5VDC ，7、8为电源。

3.2 执行器(调节阀)的选择：

调节阀是过程控制系统的一个重要组成部分，其特性好坏对控制质量的影

响是很大的。由于其结构较简单又较粗糙，所以往往不被人们所重视。实践证明，在过程控制系统设计中，若调节阀特性选用不当，阀门动作不灵活，口径大小不合适，都会严重影响控制质量。

通过调节阀的选择原则，及本系统的要求，阀门选择气动薄膜式单座直通阀，安装方式为气关，实物图如图3-4所示。为了与气动薄膜式单座直通阀相匹配，还需要选择一个阀门定位器，与之配套使用，电气阀门定位器的型号为HEP-17，主要技术指标为：

名称

基本型号

输入种类

输出种类

供电电源 输出制式

输入代码

输入信号

输出代码

输出信号

热电偶温度 变送器

DZ-5

1

K 型热电偶

3

4~20mADC

0 二线制非隔离型 C

1~5VDC

1 四线制全隔离型