典型操作单元的控制传热设备的控制课件

x1 = 1.0
0.5
0.4
x1 = 2
0.3
严重非线性，若其它 0.2
x1 = 4
环节为线性，调节阀 0.1
需选用等百分数阀。
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x2
换热设备的控制方法
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。
控制变量
τ t
H (s) K0 e s G(s) s
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)
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
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2
T1o )
热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
q
KFm
(T2o
T1i ) 2
(T2i
T1o )
c1G1 (T1o
T1i )
c1G1 KFm
(T1o
T1i )
(T2i
T1i )
1 2
1
q1 c1G1(T1o T1i ) q2 c2G2 (T2o T2i )
q1 q2
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.
对 可 若于取TT22逆对io 流数TT11单平oi 程均在换值1/3热~器3 ，之间T，m则 可(T用2o l算nT术1iTT)22平io (均TTT21近1ioi 似T1o )
对于锅炉汽包水位的控制问题， 可采用如图所示的简化的三冲量 控制系统。假设调节阀为气关阀， 要求 （1）结合汽包水位的控制对象， 画出完整的系统方框图，并注明 各方框图的输入输出变量意义； （2）确定C1， C2， C3与调节器 的正反作用方向，并说明C2与C3 数值确定方法。
踏实，奋斗，坚持，专业，努力成就 未来。2 0.12.112 0.12.11Fr iday, December 11,2020 弄虚作假要不得，踏实肯干第一名。02:12:0902:12:0902:121 2/11/2020 2:12:09 AM 安全象只弓，不拉它就松，要想保安 全，常 把弓弦 绷。20.1 2.1102:1 2:0902: 12Dec-2011-De c-20 重于泰山，轻于鸿毛。02:12:0902:12:0902:12F riday, December 11,2020 不可麻痹大意，要防微杜渐。20.12.112 0.12.1102:12:0902:12:09Decem ber 11,2020 加强自身建设，增强个人的休养。202 0年12 月11日 上午2时1 2分20.1 2.1120.1 2.11 追求卓越，让自己更好，向上而生。2 020年1 2月11 日星期 五上午2 时12分9秒02:1 2:0920.1 2.11 严格把控质量关，让生产更加有保障 。2020年12月 上午2时 12分20.12.1102: 12Dece mber 11,2020 重规矩，严要求，少危险。2020年12 月11日 星期五2 时12分9秒02:1 2:0911 December 2020 好的事情马上就会到来，一切都是最 好的安 排。上 午2时12 分9秒 上午2时 12分02: 12:092 0.12.11 每天都是美好的一天，新的一天开启 。20.12.1 120.12.1 102:1202:12:0902:12:09Dec-20 务实，奋斗，成就，成功。2020年12 月11日 星期五2 时12分9秒Frida y, December 11,2020 抓住每一次机会不能轻易流失，这样 我们才 能真正 强大。2 0.12.112 020年1 2月11日 星期五 2时12 分9秒20.12.11
谢谢大家！
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。
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
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
y (t1 ) ymin
u1 umax
u0 umin
其中umax、umin与 ymax、ymin为输入输出的量程上下限； 若巳归一化，则 umax－ umin =1, ymax－ ymin =1。
• T0 (纯滞后时间)：
非自衡对象 PID控制系统稳定性分析
R(s)
+_
Kc
K p e T0 s s
Y(s)
开环传递函数：
G(s)
KcK
p
1 s
e T0 s
G( jw) Kc K p
1 e jT0w jw
稳定条件： G(
jwc
)
(T0 wc
2
)
G( jwc ) Kc K p / wc 1
0 Kc 2T0K p
非自衡对象 PID参数整定原则
PID参数初始值的选择：
Kc
1 T0 K p
;Ti
(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。
换热设备的控制方案
蒸
汽
TC
凝液
蒸 汽
TC 凝液
氨 气
TC
LC
载 热 体
液 氨
TC
工艺 介质
加热炉的控制问题
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。
c1G1 c2G2
(T1o
T1i )
T1o T1i
1
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
热交换过程的静态特性分析
y T1o T1i T2i T1i
x1
G1c1 KFm
y1
x2
G2c2 KFm
1
y
x1
1 2
1
x1 x2
0.9
x1 = 0.5
0.8
0.7
0.6
C3
LC
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
锅炉蒸汽压力控制 和燃料与空气比值控制系统
燃料量
Q1
I4
FC
LS
I1
燃料阀
蒸汽压力
PC
Ip
HS
空气量
含氧量
Q2
×
AC
K
I3
FC
I2
稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2
空气阀 分析提降量过程？
练习题
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
被控变量：汽包水位，用H (s)表示 控制变量：汽包给水量，用G (s)表示 主要干扰：
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示
通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
D
控制通道特性
G
t
H
H2
H
H0
Ht
H1
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
t
H1 H
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。
汽包水位的三冲量控制
蒸汽
水
蒸
给
位
汽
水
PF
汽 包
LC ∑
PC
LC PC
PF
∑
省 煤
FC
C1PC +C2PF+C0
器
FC
给水
三冲量控制系统的简化连接
水
蒸
给
位
汽
水
C2
∑
C1
(5
~
20)T0 ; Td
0
将上述PID控制器投入“Auto” （自动）方 式，并适当改变控制回路的设定值，观察控 制系统跟踪性能。若响应过慢，而且无超调 存在，则适当加大Kc值，例如增大到原来的 两倍；反之，则减小Kc值。
汽包水位的双冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 PF
LC ∑
PC
C1PC +C2PF+C0
干气 ( 热裂解气 )
加热炉的安全联锁保护系统
进料
BS GL2
出料
TC
PC
LS
燃料
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。
GL1
锅炉设备的工艺流程
汽 包
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
T0
K2 K1
T2
0
汽包水位的单冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 LC
液位非自衡对象响应测试
（1）手动改变控制 器的输出信号u(k)， 观பைடு நூலகம்被控变量y(k)的 变化过程。
（2）由阶跃响应曲 线得到对象基本特 征参数 。
非自衡对象特征参数的获得
• Kp (稳态输出斜率)：
Kp
t2
1 t1
y(t2 ) ymax
加热炉的单回路控制
PC
TC
回油 燃料油
雾化蒸汽
PC
工艺介质 FC
加热炉的串级控制
TC TC 燃料油
TC PC
进料 燃料油
出料 进料 出料
TC FC
进料
燃料油 TC 进料
燃料油
出料 出料
催化裂化加热炉的控制系统
去反应器
TC
PC
自分馏塔来 的回炼油
FC
原料油 FC
开关 PC
回油罐
PC 燃料油 去瓦斯罐
典型操作单元的控制
传热设备的控制
戴连奎
浙江大学智能系统与决策研究所 浙江大学信息学院控制系 2000/12/01
内容
引言 热交换过程的静态特性 换热设备的控制 加热炉的控制 锅炉设备的控制
热交换过程的静态特性
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
G1, T1i , c1
工艺介质
G2, T2o , c2 载热体
炉墙
省 煤
热空气 送往炉膛
器 空气预热器
给水
冷空气
烟气 (经引风机送往烟囱)
锅炉设备的控制问题
负 荷
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量
锅炉设备
水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
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。
汽包水位的控制问题