换热器温度控制系统设计

换热器温度控制系统设计

1、换热设备概述

换热器又称热交换器，是进行热量交换的设备的统称。换热器广泛应用于化工、石化、炼油、轻工、制药、食品加工、动力以及原子能等工业。换热器应用于存在温度差的流体间的热交换设备，换热器中至少有两种流体，温度较高则放出热量，反之则吸收热量。换热器依据传热原理和实现热交换的方法一般分为间壁式、混合式、蓄热式三类。其中间壁式换热器应用最广。它又可分为管式换热器、板式换热器、翅片式换热器、热管换热器等。其中以管式（包括蛇管式、套管式、管壳式等）换热器应用最普遍。列管式和板式，各有优点，列管式是一种传统的换热器，广泛应用于化工、石油、能源等设备；板式则以其高效、紧凑的特点大量应用于工业当中。

2、控制方案的确定

实验控制对象位列管式换热器,主要的扰动是冷物料的流量Q。换热器温度控制系统包括换热器、控制冷流体的离心泵，传感器等设备。实验采用温度流量串级控制，以冷物料出口温度为主对象，以冷物料流量Q为副对象。

换热器控制图

3、系统硬件设计

或控制量

型号

参数

温度变送器

（Endress+Hauser ）TR13

工作温度范围 PT100 (薄膜式(TF) 50 °C...500 °C (58 °F...932 °F) PT100 (绕线式(WW))：

-200 °C...600 °C (-328 °F...1,112 °F) PT100 (薄膜式(TF))：

-50 °C...400 °C (58 °F...752 °F) 最大过程压力(静压) 20 °C 时：50 bar (725 psi)

流量变送器

（Endress+Hauser ）73W 涡街

流量计

73W 参数：

标称口径 DN 15…150 (1/2"…6") 测量范围 气体: 4…5 210 m3/h 过

程

温

度

-200...+400°C

(-328...+752°F)

最高可达 +450°C / 842°F (特殊选型) 输出信号 4…20 mA 电流输出

防爆认证 ATEX 、FM 、CSA 、TIIS 、NEPSI 、IEC

换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图

防护等级 IP 67 (NEMA 4x)

控制器

（Autonics）TX4S TX4S参数

额定电压：

250 V

负载电流：

5 A

室内

控温精度：

0.1 ℃

类型：

智能温度调节控制器输出额定功率：

6 w

温控范围：

1000 ℃

显示方式：

数字显示

调节阀D971X

D971X电动蝶阀参数

公称

通径

DN(mm) 50～2000 公称

压力

PN(MPa)

0.

6

1

.0

1.

6

试验

压力

强度试验

0.

9

1

.5

2.

4

密封试验

0.

66

1

.1

1.

76

气密封试验

0.

6

.6

0.

6 适用

介质

空气、水、污水、蒸气、煤气、油品等。

驱动

形式

手动、蜗杆蜗轮传动、气传动、电传动。

4、控制规律选择

调节器的作用是对来自变送器的测量信号与给定值比较所产生的偏差e(t)进行比例(P)、比例积分(PI)、比例微分(PD)或比例积分微分(PID)运算，并输出信号到执行器。选择调节器的控制规律是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好

配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求

（1）控制器：本系统是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性，

为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分(PI)控制规律。

（2）调节器：在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，在本设计中，出口温度增大，入口流量应增大，主控制器为负作用，入口流量增大，调节阀开度应减小，副调节器为正作用。

5、控制参数整定

PID 参数整定方法就是确定调节器的比例系数P 、积分时间常数Ti 和微分时间常数Td ，改善系统的静态和动态特性，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。一般可以通过理论计算确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。下面介绍衰减曲线法整定PID 参数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用s

δ表示之。由于当衰减比为10：1时。要推

测

3

y 的时间不容易，因此当过渡过程曲线上只看到第一个波峰而第二个看不出来时

就认为是衰减比为10：1的振荡过程。此时被控参数上升时间为

r

T 。根据

r

T 和

s

δ，

运用表2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。取