换热器温度控制系统

１、E－０1０1B混合加热器设计

为确保混合加热器(E-010１B）中MＮ（亚硝酸甲酯)，CO(一氧化碳)得出口温度为40８Ｋ，选用0、6８Mpa,408Ｋ得加热蒸汽加热入口温度为294K得工艺介质。为保证生成物得产量,质量,及最终生成物得转化率,且工艺介质较稳定,蒸汽源压力较小，变化不大,因此针对此实际情况,最后确定设计一个换热器得反馈控制方案。

1、1换热器概述

换热器工作状态如何，可用几项工作指标加以衡量。常用得工作指标主要有漏损率、换热效率与温度效率。它们比较全面得说明了换热器得特点与工作状态,在生产与科学试验中了解这些指标，对于换热器得管理与改进都就就是必不可少得。

换热器就就是将热流体得部分热量传递给冷流体得设备,又称热交换器。换热器在化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位,其在化工生产中换热器可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器与再沸器等,应用广泛。换热器就就是一种在不同温度得两种或两种以上流体间实现物料之间热量传递得节能设备,就就是使热量由温度较高得流体传递给温度较低得流体,使流体温度达到流程规定得指标,以满足工艺条件得需要,同时也就就是提高能源利用率得主要设备之一。

1、2换热器得分类

适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力得换热器,结构型式也不同,换热器得具体分类如下：

一 按传热原理分类:间壁式换热器,蓄热式换热器,流体连接间接式换热器,直接接触式换热器,复式换热器

二 按用途分类:加热器,预热器,过热器,蒸发器

三、按结构分类：浮头式换热器,固定管板式换热器,Ｕ形管板换热器,板式换热器等

此设计要求就就是将进料温度都为２97、9９K得MN(亚硝酸甲酯)与CO(一氧化碳）加热到出口温度为473K,所以我们经过调查研究,综合比较之后选择了管壳式（又称列管式） 换热器。管壳式换热器主要有壳体、管束、管板与封头等部分组成,壳体多呈圆形,内部装有平行管束或者螺旋管,管束两端固定于管板上。在管壳换热器内进行换热得两种流体,一种在管内流动,其行程称为管程;一种在管外流动，其行程称为壳程。管束得壁面即为传热面。

1、3换热器得用途

换热器又叫做热交换器(heａt ｅxｃhanger),就就是化工、石油、动力、食品及其它许多工业部门得通用设备，在生产中占有重要地位。进行换热得目得主要有下列四种:

、使工艺介质达到规定得温度,以使化学反应或其她工艺过程很好得进行;、生产过程中加入吸收得热量或除去放出得热量,使工艺过程能在规定得温度范围内进行;、某些工艺过程需要改变无聊得相态;④、回收热量。

由于换热目得得不同，其被控变量也不完全一样。在大多数情况下,被控变量就就是温度,为了使被加热得工艺介质达到规定得温度，常常取出温度问被控温度、调节加热蒸汽量使工艺介质出口温度恒定。对于不同得工艺要求,被控变量也可以就就是流量、压力、液位等。

1、4换热器得工作原理及工艺流程图

换热器得温度控制系统换热器工作原理工艺流程如下:冷流体与热流体分别通过换热器得管程与壳程，通过热传导,从而使热流体得出口温度降低。热流体加热炉加热到某温度,通过循环泵流经换热器得管程,出口温度稳定在设定值附近。冷流体通过多级离心泵流经换热器得壳程。在换热器得冷热流体进口处均设置一个调节阀,可以调节冷热流体得大小。

图1 换热器温度控制系统工艺流程图

从传热过程得基本方程式可知,为了保证出口得温度平稳,满足工艺生产得要求,必须对传热量进行调节,调节传热量有以下几条途径:

、调节载热体得流量。调节载热体流量大小，其实只就就是改变传热速率方程中得传热系数Ｋ与平均温差△Tm,对于载热体在加热过程中不发生相变得情况,主要就就是改变传热速率方程得热系数K;而对于载热体在传热过程中发生相变得情况，主要就就是改变传热方程中得△Ｔm。

、调节传热平均温差△Tm。这种控制方案滞后较小反应迅速,应用比较广泛。

、调节传热面积F。这种方案滞后较大,只有在某些必要得场合才采用。

④、将工艺介质分路。该方案就就是一部分工艺介质经换热，另一部分走旁路。

在设计传热设备自动化控制方案时,要视具体传热设备得特点与工艺条件而定。而在某些场合,当被加热工艺介质得出口温度较低,采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时,为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝器流量作为操纵变量，调节传热面积，以保持出口温度恒定。

2、控制系统

2、1控制系统得选择

由于本次设计得任务控制换热器被加热物料出口温度,工艺过程主要就就就是冷热流体热交换,且外来干扰因素主要就就是载热体得流量变化,故选择单回路控制系统便可以达到预定得控制精度。

2、2 工艺流程图与系统方框图

单回路控制系统又称为简单控制系统,就就是有一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器与一个控制器所构成得闭合系统。单回路控制系统结构简单、易于分析设计,投资少、便于施工,并能满足一般得一般生产过程得控制要求，因此在生产过程中得到广泛得应用，其方框图如下图所示。

图2、 单回路控制系统方框图

其中,被控变量:被加热物料得出口温度; 操纵变量:载热体得流量。

如图所示：测量元件及变送器对冷物料出口温度进行测量,得到测量值Ｙm并传送给调节器,调节器把Yｍ与内部给定值 Ys比较得到偏差信号e按一定得调节运算规律计算出控制信号,并将控制信u号传送给执行器，执行器接收到控制信号u,自动得改变阀门得开度,改变蒸汽得流量。

2、３、被控对象特性研究

换热器就就是传热设备中较为简单得一种，也就就是最常见得一种。通常它两侧得介质(工艺介质与载热体）在换热过程中均无相变。换热器换热得目得就就是保证工艺介质加热(或冷却)到一定温度。为保证出口温度平稳,满足工艺要求,必须对传递得热量进行调节。

2、4 被控变量得选择

影响一个生产过程正常操作得因素很多,但并非对所有影响因素都要进行控制、被控参数就就是一个输出参数,应为独立变量,与输入量之间应有单值函数关系、对于换热器过程控制系统,人们最关心得就就是对换热器中介质即冷流体得温度与压力得自动控制与调节,而在这两项当中,温度得自动调节又处于首位、因为出口水温直接影响产品质量、产量、效率及安全性,即本系统把换热器出口水温作为被控参数、

2、5 操纵变量得选择

在控制系统中,用来克服干扰对被控变量得影响,实现控制作用得变量就就就是操纵变量。将出口温度维持在一定值，影响冷物料出口温度得有很多因素,比说冷物料得流量,载热体得流量，载热体得温度等。冷物料就就是工艺所需要得,不能选用冷物料作为被控变量,而若选载热体温度作为操纵变量,改变其温度还需改变其她工艺过程如锅炉得温度,考虑工艺合理性，我选择对热流体流量进行控制,保证出口温度得稳定。

２、6 被控对象特性

换热器系统在连续生产中,其控制原理可通过热量平衡方程与传热速率方程来分析,这个方案得控制流程图如图3。

图3 换热器得温度控制系统工艺流程图

为了处理方便,不考虑传热过程中得热损失,根据能量守恒定律,热流体失去得热量应该等于冷流体吸收得热量,热量平衡方程为:

式中，q为传热速率（单位时间内传递得热量)；G为质量流量;c为比热容;Ｔ为温度。式中得下标处１为载热体;2为冷流体;ｉ为入口;o为出口。

传热过程中得传热速率为:

式中,K为传热系数;F为传热面积；为两流体间得平均温差。

其中,平均温差对于逆流、单程得情况为对数平均值:

当时,其误差在5%以内,可采用算术平均值来代替,算术平均值表示为:

由于冷流体间得传热既符合热量平衡方程，又符合传热速率方程,因此有下列关系

整理后得

从上式可以瞧出，在传热面积Ｆ、冷流体进口流量、温度与比热容一定得情况下，影响冷流体出口温度得因素主要就就是传热系数Ｋ以及平均温差。 ２、７ 调节器调节规律得选择

调节器得作用就就是对来自变送器得测量信号与给定值比较所产生得偏差e(ｔ)进行比例（P)、比例积分(PI）、比例微分(PD)或比例积分微分(ＰIＤ)运算,并输出信号到执行器。选择调节器得控制规律就就是为了使调节器得特性与控制过程得特性能很好配合,使所设计得系统能满足生产工艺对控制质量指标得要求。

比例控制规律(P)就就是一种最基本得控制规律,其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高,但最后有余差。对于过程控制通道容量较大,纯时延较小，负荷变化不大,工艺要求又不太高得场合,可选用比例控制作用。

比例控制规律(P)得微分方程数学模型为:

比例积分（PＩ)控制规律,结合了比例控制反应快，积分控制能消除余差。但就就是当过程控制通道得纯时延与容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大得超调,可能出现持续振荡,所以要尽可能避免用比例积分控制规律,不然会降低控制质量。通常对管道内得流量或压力控制,采用比例积分作用其效果甚好,所以应用较多。

比例积分(PI)控制规律得微分方程数学模型为:

比例微分(ＰＤ)控制规律,由于引入微分，具有超前作用,对于被控过程具有较大容量时延得场合,会大大改善系统得控制质量。但就就是对于时延很小,扰动频繁得系统,由于微分作用会使系统产生振荡,严重时会使系统发生事故,所以应尽可能不用微分作用。

比例微分(PＤ)控制规律得微分方程数学模型为:

比例积分微分（PＩD）作用就就是一种理想得控制作用，一般均能适应不同得过程特性。当要求控制质量较高时，可选用这种控制作用得调节器。

比例积分微分(PＩD)控制规律得微分方程数学模型为:

其中::为调节器得输出号

:放大倍数

:积分时间常数

:微分时间常数

：设定值与测量值偏差信号

通过以上几种调节规律得分析及本系统就就是温度控制为被控参数，温度检测本身具有滞后性,为了弥补这个缺点，本系统选用比例积分微分(PIＤ)控制规律。

3、过程检测控制仪表得选用

3、1 测温元件及变送器

根据生产实践与现场使用条件以及仪表得性能,我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表就就是基于热电效应原理制成得测温仪器,它由热电偶、电测仪表与连接导线组成，其核心元件就就是热电偶。热电偶温度计有以下特点：

①测温精度高、性能稳定;

②结构简单，易于制造,产品互换性好;

③将温度信号转换为电信号,便于信号远传与实现多点切换测量;

④测温范围广，可达－200~２００0℃;

⑤形式多样，适用于多种测温条件;

被控温度在500℃以下，由[１]表3-5选用铂热电阻温度计,为了提高检测精度，应采用三线制接法，并配用ＤDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器。

ＤDZ-Ⅲ型热电偶温度变送器主要性能指标如下：

①测量范围 最小量程３ｍV，最大量程60ｍV;零点迁移-50~＋5０mV。