4.1 传热设备控制

第四章
传热设备控制系统
4.1.1 传热设备的静态数学模型
对象的静态数学模型是指在稳定条件下 稳定条件下对象的输出变量（通常 输出变量（ 稳定条件下 输出变量 是受控变量）与输入变量之间的函数关系。而建立数学模型的意 是受控变量）与输入变量之间 义，从自控的角度理解，可体现为如下三个方面： ① 作为控制方案设计时系统的扰动分析，以选择操纵变量和 确定控制方案； ② 静态放大系数也能作为系统分析和控制器参数整定的参考； ③ 作为控制阀流量特性选择的依据。 传热过程工艺计算的两个基本方程式是热量平衡关系式 传热 热量平衡关系式和传热 热量平衡关系式 速率方程式，它们是构成传热设备静态特性的两个基本方程式。 速率方程式 热量的传递总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温差 是传热的推动力。对于图4.1所示的列管式换热器，假定输出变量 为t2，输入变量为T1、G1、t1、G2，则建立该对象的静态数学模型 就是要找出t2与T1、G1、t1、G2之间的函数关系。
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4.1 传热设备的控制
在工业生产过程中，根据工艺的要求，经常需要对物料 对物料 进行加热或冷却来维持一定的温度，因此，传热过程是工 进行加热或冷却来维持一定的温度 业生产过程中重要的组成部分。为保证工艺过程的正常、 安全运行，必须对传热设备进行有效的控制。 热量传递的方式有热传导、对流和热辐射三种，而实际 热传导、对流和热辐射 热传导 的传热过程很少是以一种方式单纯进行的，往往由两种或 三种方式综合而成。传热设备主要用来对物料进行加热或 冷却，以维持一定的温度。传热设备的种类很多，主要有 换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉等。由于 换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器及加热炉 它们的传热目的不同，被控变量也不完全一样。 生产过程中进行传热的目的主要有三种。如下所述。
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如果载热体上游压力不平稳，则需采取稳压措施使其稳 定，或采用以出口温度t2为主变量、载热体流量G1为副变量 的串级控制系统，力求达到工艺操作的要求，如图4.3所示。
图4.2 改变载热体流量控制温度
图4.3 换热器串级控制系统
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控制载热体流量是换热器操作中应用 最为普遍的一种控制方案，多适用于载热 适用于载热 体流量变化对温度影响较灵敏的场合。 体流量变化对温度影响较灵敏的场合 （2）控制载热体的旁路 ） 当载热体是工艺物料、其流量不允许 节流时，可采用图4.4所示的控制方案。这 种方案的控制机理与前一种方案相同，也 是采用改变温差∆tm和传热系数K的手段来 达到控制温度t2的目的的。方案中采用三通 控制阀来改变进入换热器的载热体流量及 其旁路流量的比例，这样既可以控制进入 换热器的载热体的流量，又可保证载热体 总流量不受影响。这种控制方案在载热体 为工艺物料时是极为常见的。
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图4.7 控制蒸汽流量 的温度控制方案
图4.8 控制冷凝液排 放量的控制方案
（2）控制冷凝液的排放量 ） 如图4.8所示，为控制冷凝液排放量的控制方案。该方案的机 理是通过控制冷凝液的排放量，改变加热器内冷凝液的液位，导 致传热面积F的变化，从而改变传热量q，以达到对被加热物料出 口温度的控制。这种控制方案有利于冷凝液的排放，传热变化比 较平缓，可防止局部过热，有利于热敏介质的控制。此外，采用 该方案时排放阀的口径也小于蒸汽阀，但这种改变传热面积的控 制方案的动作比较迟钝。
图4.5 被加热流体流量旁路控制方案
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（4）控制载热体的汽化温度 ） 控制载热体的汽化温度亦即改变了 传热平均温差∆t m 。如图4.6所示的氨冷器 出口温度控制就是这类方案的一例。控制 阀安装于气氨出口管道上，当阀门开度变 化时，气氨的压力将变化，相应的汽化温 度也发生变化，这样就改变了传热平均温 差，从而控制了传热量。但光这样还不行， 还要设置液位控制系统来维持液位，从而 保证有足够的蒸发空间。这类方案的动态 特点是滞后小、反应迅速、有效，应用亦 较广泛。但必须用两套控制系统，所需仪 表较多；在控制阀的两端，气氨有压力损 失，增大了压缩机的功率；另外，若要行 之有效，液氨需有较高的压力，设备必须 耐压。
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2．传热速率方程式 ． 由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率可按下式计算：
q＝ K F ∆ t m
（4-2）
式中， K——传热系数，单位为kcal/(℃·m2·h)，(1cal＝4.18 J)； F——传热面积，单位为m2； ∆tm——两流体间的平均温差，单位为℃。 在各种不同情况下平均温差∆tm的计算方法是不同的，篇幅所 限，在此不予详细介绍，需要时可参考有关资料。
图4.4 载热体旁路控制方案
Байду номын сангаас
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（3）控制被加热流体流量的旁路 ） 如图4.5所示，为被加热流体流量旁路控制方案，其中 一部分工艺物料经换热器，另一部分走旁路。从控制机理 来看，这种方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及 时，适用于物料在换热器里停留时间较长的操作。但需要 注意的是，换热器必须要有富裕的传热面积，而且载热体 流量一直处于高负荷下，该方案在采用专门的载热体时是 不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是工艺物 料，总量本不宜控制，所以适合采用这种方案。
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3．冷却器的控制 ． 冷却器的载热体是冷却剂，常采用液态氨等介质作为冷却剂，利 用它们在冷却器内蒸发时吸收工艺物料的大量热量，使工艺物料的出 口温度下降来达到生产工艺的要求。工业用冷却器的一般控制方案有 以下几种。 （1）控制冷却剂的流量 ） 如图4.9所示，为氨冷却器控制冷却剂流量的控制方案，其机理 也是通过改变传热速率方程中的传热面积F来实现的。该方案控制平 稳，冷量（冷却剂量）利用充分，且对压缩机入口压力无影响。但这 种方案控制不够灵活，另外蒸发空间不能得到保证，易引起气氨带液 而损坏压缩机。为此，可采用图4.10所示的物料出口温度与液位的串 级控制方案，使用这种方案时，可以限制液位的上限，保证有足够的 蒸发空间。也可以采用图4.11所示的选择性控制方案。 （2）控制气氨排量 ） 如图4.12所示，为氨冷却器控制气氨排量的控制方案，其机理是 通过改变传热速率方程中的平均温差来控制工艺物料的出口温度的。 这种方案控制灵敏迅速，但制冷系统必须许可压缩机入口压力的波动。 另外，冷量的利用不充分。为确保系统的安全运行，还需要设置一个 液位控制系统，防止液氨进入气氨管路而导致压缩机损坏。
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图4.9 控制冷却剂 流量的控制方案
图 4.10 温度与液 位串级控制方案
图4.11 温度与液位的选择性控制方案
图4.12 控制气氨排量的控制方案
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4.1.3
管式加热炉的控制
生产过程中有各式各样的加热炉，在炼油化工生产中 常见的是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆桶式等 几类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其 温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量，同 时当炉子温度过高时会使物料在加热炉内分解，甚至造成结 焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管的使用寿命， 因此必须严加控制加热炉出口温度。 加热炉是传热设备的一种，热量通过金属管壁传给工 艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。加 热炉又属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火 焰和高温的烟气流，主要通过辐射将热量传给管壁，然后由 管壁传给工艺介质。工艺介质在辐射室获得的热量约占热负 荷的70%～80%，其余热量在对流段获得。因此加热炉的传 热过程比较复杂，想从理论上获得其对象特性是困难的。
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4.1.2 一般传热设备的控制
一般传热设备，通常指换热器、蒸汽加热器、再沸器、 冷凝冷却器及加热炉等。 1．换热器的控制 ． 换热器操作的目的是为了使生产过程中的物料加热或 冷却到一个工艺要求的温度。当换热器两侧的流体在传热 过程中均无相态变化时，一般采用下列几种控制方案。 （1）控制载热体的流量 ） 对于图4.1所示的换热器，由于冷、热流体间的传热 既符合热量平衡方程式，又符合传热速率方程式，因此有 下列关系式：
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加热炉的对象特性一般从定性分析和实验测试获得。和一般 传热设备一样，加热炉具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别 是炉膛，它有很大的热容量，滞后更为显著。因此加热炉属于一 种多容量的被控对象。根据实验测试并作了一些简化，可以用一 阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的对象特性。其时间常数和纯 滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质的停留时间有关，炉膛容量 大，工艺介质的停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大；反之 亦然。根据实践经验，用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的 用一阶惯性环节加纯滞后来近似加热炉的 对象特性还是可行的。 对象特性还是可行的 1．扰动分析 ． 加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度。 加热炉最主要的控制指标是工艺介质的出口温度。此温度 是控制系统的被控变量，而操纵变量是燃料油或燃料气的流量 操纵变量是燃料油或燃料气的流量。 是控制系统的被控变量 操纵变量是燃料油或燃料气的流量 对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，如允许波动 范围为±（1～2）℃。影响炉出口温度的扰动因素有：工艺介质 进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油（或气）的压力、 成分（或热值）、燃料油的雾化情况、空气过量情况、喷嘴的阻 力、烟囱抽力等。在这些扰动因素中有些是可控的，有些是不可 控的。为了保证炉出口温度稳定，对扰动应采取必要的措施。
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① 使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其他 工艺过程能很好地进行。对工艺介质进行加热或冷却，有 时在工艺过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工 艺过程能在规定的温度范围内进行。 ② 某些工艺过程需要改变物料的相态。根据工艺过程 的需要，有时加热使工艺介质汽化；有时则冷凝除热，以 使气相物料液化。 ③ 回收热量。 根据传热设备的传热目的，传热设备的控制主要是热 量平衡的控制，一般取温度作为被控变量。对于某些传热 设备，也需要增加有约束重要条件的控制，以对生产过程 和设备的安全起到保护作用。
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图4.1 列管式换热器原理
1．热量平衡关系式 ． 在忽略热损失的情况下，冷流体所吸收的热量，应等于热流 体放出的热量，其热量平衡关系式为
q = G1c1 (T1 − T2 ) = G2 c2 (t 2 − t1 )
（4-1）
式中，q——传热速率，单位是J/s； G1，G2——分别为载热体和冷流体的质量流量，单位是kg/h； c1，c2——分别为载热体和冷流体的比热容，单位是J/(kg·℃)； T1，T2——分别为载热体入口和出口温度，单位是℃； t1，t2——分别为冷流体入口和出口温度，单位是℃。
G 2 c 2 (t 2 − t1 ) = KF ∆ t m
式（4-3）可改写为 t2＝(KF∆tm/G2c2)＋t1
（4-3） （4-4）
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从式（4-5）可以判断出，在传热面积F及冷流体进口 流量G2、入口温度t1及比热容c2一定的情况下，影响冷流 影响冷流 体出口温度t 的主要因素是传热系数及平均温差∆t 体出口温度 2的主要因素是传热系数及平均温差 m。控制 载热体的流量实质上是改变了传热速率方程中的传热系数 K和平均温差∆tm，可分为下列两种情况讨论： ① 对于载热体在传热过程中不发生相变化的情况，主 要是改变传热速率方程中的传热系数K； ② 而当载热体在传热过程中发生相变化时，情况要复 杂得多，主要是改变传热速率方程中的平均温差∆tm。 如图4.2所示，是控制载热体流量的方案之一，这种方 案最简单，适用于载热体上游压力比较平稳及生产负荷变 化不大的场合。假设由于某种原因使t2升高，控制器将会 使阀门关小以减小载热体的流量G1。从传热速率方程可以 看出，K、∆tm会同时减小，从而把冷流体的出口温度t2拉 回到设定值的控制要求。
图4.6 氨冷器出口温度控制
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上述四种控制方案都是换热器生产过程中常见的方案，在 实际应用过程中一定要对工艺生产的要求和操作条件进行深入 分析，从而选择出较合理的一种控制方案，以满足生产过程的 要求。 2．蒸汽加热器的控制 ． 蒸汽加热器的载热体是蒸汽，通过蒸汽冷凝释放热量来加 热工艺介质，水蒸气是最常用的一种载热体 水蒸气是最常用的一种载热体。根据加热温度 水蒸气是最常用的一种载热体 的不同，也可采用其他介质的蒸汽作为载热体。 （1）控制蒸汽载热体的流量 ） 如图4.7所示，为控制蒸汽流量的温度控制方案。蒸汽在传 热过程中发生了相变化，其传热机理是同时改变了传热速率方 程中的平均温差∆tm和传热面积F。当加热器的传热面积没有 富裕时，应以改变温差∆tm为控制手段，控制蒸汽载热体流量 G1的大小即可改变温差∆tm的大小，从而实现对被加热物料出 口温度t2的控制。这种控制方案控制灵敏，但是当采用低压蒸 汽作为载热体时，进入加热器内的蒸汽一侧会产生负压，此时， 冷凝液将不能连续排出，故需慎重采用该控制方案。