传热设备的控制技术

工艺 介质
问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求， 如何改进控制方案，以进一步提高控制质量？
2020/12/11
工业过程控制
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。
2020/12/11
工业过程控制
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
q1 c1G1(T1o T1i ) q2 c2G2 (T2o T2i )
q1 q2
2020/12/11
工业过程控制
热交换过程的传热速率方程
2020/12/11
工业过程控制
汽包水位的控制问题
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
2020/12/11
工业过程控制
汽包水位的对象特性
干扰通道特性
D
控制通道特性
T1o )
2020/12/11
工业过程控制
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
c1G1 c2G2
(T1o
T1i )
T1o T1i
1
T2i T1i
c1G1 KFm
1 2
1
c1G1 c2G2
2020/12/11
工业过程控制
热交换过程的静态特性分析
y T1o T1i T2i T1i
x1
G1c1 KFm
x2
G2c2 KFm
y1
y
1
x1
1 2
1
x1 x2
0.9
x1 = 0.5
0.8
0.7
0.6
x1 = 1.0
0.5
0.4
x1 = 2
严重非线性，若其它 0.3 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
2020/12/11
工业过程控制
换热器的控制问题
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。
空气阀 分析提降量过程？
2020/12/11
工业过程控制
练习题 1
对于下图所示的套管式换热器，假设 (1) 间壁的热容可忽略；(2) 工 艺介质为液相，属层流流动；(3) 加热蒸汽在套管内的温度可用集中 参数T1(t)来表示。设内套管的圆周长为A，工艺介质单位长度的流体 质量为 M2。试建立该换热器的动态数学模型。
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
T0
K2 K1
T2
0
2020/12/11
工业过程控制
汽包水位的单冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 LC
2020/12/11
工业过程控制
汽包水位的双冲量控制
汽 包
省 煤 器
给 水
控制变量
(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。
2020/12/11
工业过程控制
换热器的控制方案
蒸
汽
TC
氨 气
TC
LC
凝液
液 氨
2020/12/11
工业过程控制
换热器的控制方案(续)
蒸
汽
TC
载 热 体
TC 凝液
T1
蒸汽 G1 , l1
G2, c2, T2i
工艺介质
G2, c2, T2o
dz 冷凝水
z=0
z=L
2020/12/11
工业过程控制
练习题 2
对于下列蒸汽换热器，要求介质出口温度达到规定值。试分析下列 情况下应选择哪一种控制方案，并画出控制系统的结构图与方块图 。 （1）工艺介质流量GF 比较稳定，但蒸汽压力PV 波动较大； （2）蒸汽压力PV 比较稳定，但工艺介质流量GF 波动较大； （3）介质流量GF 较稳定，但入蒸汽口温P度VTi 及蒸汽压力PV 波动较大。
。
2020/12/11
工业过程控制
内容
引 言 换热器的静态特性 换热器的动态特性 换热器的控制 加热炉的控制 锅炉设备的控制
2020/12/11
工业过程控制
换热器的静态特性
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
G1, T1i , c1
工艺介质
G2, T2o , c2 载热体
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。
GL1
2020/12/11
工业过程控制
锅炉设备的工艺流程
汽 包
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
2020/12/11
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
过热器
炉墙
省 煤 器
工业过程控制
热空气 送往炉膛
空气预热器
给水
冷空气 烟气
(经引风机送往烟囱)
锅炉设备控制思考题
1、了解锅炉设备的控制问题与系统分解； 2、掌握汽包水位的对象特点与控制方案； 3、掌握锅炉设备燃料与空气逻辑变比值控制系
2020/12/11
工业过程控制
G
t
Hwenku.baidu.com
H2
H
H0
Ht
H1
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
2020/12/11
工业过程控制
t
H1 H
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)
2020/12/11
工业过程控制
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
2020/12/11
工业过程控制
加热炉的串级控制（一）
TC TC 燃料油
出料
TC
FC 进料
进料
燃料油
出料
2020/12/11
工业过程控制
加热炉的串级控制（二）
TC PC
进料 燃料油
出料
TC 进料
燃料油
2020/12/11
工业过程控制
精馏塔控制思考题
1、掌握简单精馏塔的控制问题与分解方法； 2、掌握精馏塔的静态特性； 3、了解精馏塔对象中操作变量对主要被控变量
的动态影响程度与速度； 4、针对塔顶、塔底产品质量不同的要求，掌握
基本控制系统的分析与设计方法； 5、了解精馏塔的复杂控制与先进控制方法。
传热设备的控制
戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所
2020/12/11
工业过程控制
换热设备控制思考题
1、针对逆流单程列管式换热器，当两侧液体均 无相变时，试推导得到工艺介质出口温度与输 入条件之间的静态关系；
2、了解夹套式（集中参数系统）与套管式换热 器（分布参数系统）的动态模型建立方法；
3、掌握换热器的控制问题与常用的控制方案； 4、掌握加热炉出口温度的控制问题与串级方案
蒸汽 PF
LC ∑
PC
C1PC +C2PF+C0
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。
2020/12/11
工业过程控制
汽包水位的三冲量控制
蒸汽
水
蒸
给
位
汽
水
PF
汽
LC ∑
包
PC
LC PC
PF
∑
省 煤
FC
C1PC +C2PF+C0
GV To
GF , Ti
凝液
工艺介质
2020/12/11
工业过程控制
练习题 3
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
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。
器
FC
给水
2020/12/11
工业过程控制
三冲量控制系统的简化连接
水
蒸
给
位
汽
水
C2
∑
C1
C3
LC
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
2020/12/11
工业过程控制
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
× I3
FC
I2
AC
K
稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2
统的分析与设计方法； 4、了解锅炉设备过热蒸汽温度的控制问题与常
用的控制方法。
2020/12/11
工业过程控制
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。
出料
2020/12/11
工业过程控制
催化裂化加热炉的控制系统
2020/12/11
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
工业过程控制
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。
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 )
Tm
(T2o
T1i ) (T2i 2