第九章 -1传热设备的控制分析

H (s) (K2 K1T2 )s K1 K1(T0s 1)
(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
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热交换过程的静态特性分析
y T1o T1i T2i T1i
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。
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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
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 (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。
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换热设备的控制方案
GL1
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锅炉设备的工艺流程(自学 )
负荷设备 调节阀
D
PM 减温器
过热蒸汽送 负荷设备
汽
包
炉墙
热空气 燃料
炉 膛
燃料嘴
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过热器
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)
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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
进料
出料
燃料油气
采用浮动阀的控制方案 16
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
干气 ( 热裂解气 )
PC
回油罐
燃料油 去瓦斯罐
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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。
主要是进行温度控制，以及一些保护性控制
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两侧均有相变
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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
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。
蒸
汽
TC
氨 气
TC
凝液 蒸 汽
TC 凝液
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LC
载 热 体
液 氨
TC
工艺 介质
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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。
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
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。
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0
0
1
2
3
4
5
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7
8
x2
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换热设备的控制方法
传热方式： 传导、对流、辐射 物流接触关系： 直接接触式，间壁式、蓄热式 热量交换形式： 无相变的热量交换、有相变的热量交换
结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式 一般传热设备（以上） 特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等
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控制要求：
（1） 对工艺介质进行加热或冷却 （2） 使工艺介质发生相变 （3） 热量回收
第九 章 典型化工单元的控制
传热设备的控制
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（自学）
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传热设备：工业生产过程中，用于进行 热量交换的设备
或工业上用以实现冷热两流体换热的设备
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对物料进行加热或冷却的设备 传热设备的类型
G1, T1i , c1
工艺介质
G2, T2o , c2
载热体
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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)平22io 均(TTT21近1ioi 似T1o )
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
G1, T1i , c1
工艺介质 G2, T2o , c2
载热体
Tm
(T2o
T1i )
(T2i 2
T1o )
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热交换过程的静态方程
q1 c1G1(T1o T1i ) c2G2 (T2i T2o )
q
KFm
(T2o
T1i ) 2
通道对象：
非自衡、非最小相位、非线性等特性
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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
τ t
H (s) K0 e s G(s) s
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非最小相位特性
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
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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 (T2i T2o )
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q1 q2
G1, T1o, c1
G2, T2i , c2
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。
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加热炉的单回路控制
PC
TC
回油 燃料油
雾化蒸汽
PC
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工艺介质 FC
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加热炉的串级控制
TC TC 燃料油 TC
出料 进料
TC FC
进料
燃料油 TC
出料
PC 进料
出料
燃料油
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