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1、传热设备的控制戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2001/11/28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。内 容n 引 言n换热器的静态特性n换热器的动态特性n换热器的控制n加热炉的控制n锅炉设备的控制换热器的静态特性G1, T1o, c1G2, T2i , c2G1, T1i , c1G2, T2o , c2工艺介质载热体问题问题：针对逆流单程列
2、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)(11111ioTTGcq)(22222ioTTGcq21qq 热交换过程的传热速率方程mmTKFqK 为传热系数；Fm 为传热面积；Tm 为传热壁两侧流体的平均温差.对于逆流单程换热器，可取对数平均值oiiooiiomTTTTTTTTT12121212ln)()(oiioTTTT1212若在1/
3、3 3 之间，则可用算术平均近似2)()(1212oiiomTTTTT热交换过程的静态方程)(2)()(11111212iooiiomTTGcTTTTKFq)()(222211111oiioTTGcTTGcq)(121)()(112211121111ioiiiomTTGcGcTTTTKFGc22111112111211GcGcKFGcTTTTmiiio热交换过程的静态特性分析iiioTTTTy1211mKFcGx111mKFcGx2222111211xxxy01234567800.10.20.30.40.50.60.70.80.91yx1 = 0.5x1 = 1.0 x1 = 2x1 = 4x
4、2严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。换热器的控制问题n被控变量被控变量(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。n控制变量控制变量(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。换热器的控制方案凝液蒸汽TCTCLC氨气液氨换热器的控制方案(续)TC蒸汽凝液TC载热体工艺介质问题问题：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？加热炉的控制问题n被控变量被控变量：工艺介质的出口温度。n控制变量控制变
5、量：燃料油或燃料气的流量。n主要干扰主要干扰：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。加热炉的单回路控制FCTCPCPC回油燃料油雾化蒸汽工艺介质加热炉的串级控制（一）TCTC燃料油进料出料FCTC进料出料燃料油加热炉的串级控制（二）TC进料出料燃料油PCTC进料出料燃料油催化裂化加热炉的控制系统FCFCTCPCPCPC自分馏塔来的回炼油原料油去反应器开关燃料油回油罐去瓦斯罐干气( 热裂解气 )加热炉的安全联锁保护系统TCPCLSGL2BSGL1燃料进料出料LS：低选器；BS：火焰检测器；GL1：燃料气
6、流量过低联锁装置；GL2：进料流量过低联锁装置。锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(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。锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水 位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备 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
7、的控制。汽包水位的控制问题n被控变量：汽包水位，用H (s)表示n控制变量：汽包给水量，用G (s)表示n主要干扰：蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示n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DHH 0HH 2H 1ttGHHH 1tt干扰通道特性控制通道特性1)()(221sTKsKsDsHsesKsGsH0)()(非最小相位特性1)()(221sTKsKsDsH) 1() 1() 1()()()(20121212sTssTKsTsKsTKKsDsH2120TKKT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02120TKKT汽包水位的单冲量控制LC蒸汽汽
8、包省煤器给水汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFC1PC +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。汽包水位的三冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水PCPFFCLC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC +C2PF+C0三冲量控制系统的简化连接LC水位蒸汽给水C1C2C3LC水位蒸汽给水C3C1C2锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统FCFCPCACLSHS蒸汽压力燃料量空气量含氧量燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K稳态：I1= I2 = I3 = I4 = IpQ1 = KQ2分析
9、提降量过程？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。G2, c2, T2oG2, c2, T2iz = 0z = Ld z工艺介质11,lG蒸汽冷凝水T1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
10、GF 波动较大；（3）介质流量GF 较稳定，但入口温度Ti 及蒸汽压力PV 波动较大。PV蒸汽凝液工艺介质GF , TiToGV练习题 3LC水位蒸汽给水C3C1C2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。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。