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第五章第五章 传热设备的控制传热设备的控制陈兆娜信息与控制工程学院自动化系 1 换热器的静态特性与控制方案 2 加热炉的控制 3 锅炉设备的控制 教学内容2023/4/62Copyright by Zhaona Chen教学重点换热器和加热炉基本控制方案加热炉的连锁保护热效率控制锅炉的水位控制燃烧控制2023/4/63Copyright by Zhaona Chen5.1 换热器的控制5.1.1 换热器的静态特性问题：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。2023/4/64Copyright by Zhaona Chen5.1.1 换热器的静态特性假设工艺介质与载热体均无相变，而且假设工艺介质与载热体均无相变，而且没有热损失。即没有热损失。即被加热物料得到的热量被加热物料得到的热量/单位时间单位时间=载热体放出的热量载热体放出的热量/单位时间单位时间 热平衡方程热平衡方程 传热速率方程传热速率方程K 为传热系数；为传热系数；Fm 为传热面积；为传热面积；Tm 为传热壁两侧流体的平均温差为传热壁两侧流体的平均温差.2023/4/65Copyright by Zhaona Chen5.1.1 换热器的静态特性对于逆流单程换热器，可取对数平均值若在1/3 3 之间，则可用算术平均近似考虑2023/4/66Copyright by Zhaona Chen5.1.1 换热器的静态特性2023/4/67Copyright by Zhaona Chen5.1.1 换热器的静态特性严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。2023/4/68Copyright by Zhaona Chen5.1.2 换热器的基本控制方案被控变量被控变量 (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。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。2023/4/69Copyright by Zhaona Chen5.1.2 换热器的基本控制方案(1)调载热体的流量调载热体的流量(2)调节传热平均温差调节传热平均温差改变传热系数K和平均温差Tm改变液氨压力和对应的平衡温度2023/4/610Copyright by Zhaona Chen5.1.2 换热器的基本控制方案(3)调传热面积调传热面积 (4)将工艺介质分路将工艺介质分路旁路旁路/混合方案混合方案载热流量高负荷，不经济载热流量高负荷，不经济问题：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？2023/4/611Copyright by Zhaona Chen5.2 加热炉控制 加热炉是炼厂主要设备，有箱式、立式、圆筒式。控制要求都很严格，另外要求有较高的热效率，能耗大。对象特性对象特性 传热以辐射为主，对流为辅，油在管内剧烈变化，过程较复杂，难以从机理建模，工程上都采用测试法获得经验模型，可用一阶惯性纯滞后环节近似表达。特点：特点：容量滞后和纯滞后大。2023/4/612Copyright by Zhaona Chen5.2.1 加热炉的基本控制方案被控变量：被控变量：工艺介质的出口温度。控制变量：控制变量：燃料油或燃料气的流量。主要干扰：主要干扰：（1）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）；（2）燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力，炉膛压力等。2023/4/613Copyright by Zhaona Chen5.2.1 加热炉的基本控制方案1、单回路控制、单回路控制出口温度反馈控制问题：当燃料、蒸汽波动较大时，油压/蒸汽压变化大，雾化不良，燃烧不好。改进方案：（1）油汽压力差控制 （2）压力比值控制2023/4/614Copyright by Zhaona Chen2、加热炉的串级控制 对于加热炉滞后大，要求严格的对象，应考虑串级控 制，根据串级设计原则，可有几种方案 （a）炉出口温度燃油（气）流量串级控制 （b）炉出口温度燃油压力串级控制 （c）炉出口温度炉膛温度串级控制 （d）采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制。2023/4/615Copyright by Zhaona Chen2、加热炉的串级控制炉出口温度炉出口温度炉膛温度炉膛温度炉出口温度炉出口温度燃油（气）流量燃油（气）流量2023/4/616Copyright by Zhaona Chen2、加热炉的串级控制炉出口温度燃油压力采用压力平衡式控制阀（浮动阀）的控制P1P22023/4/617Copyright by Zhaona Chen例1：催化裂化装置加热炉的自动控制系统2023/4/618Copyright by Zhaona Chen例2：炼厂常压装置中加热炉的自动控制系统 2023/4/619Copyright by Zhaona Chen5.2.2 加热炉的安全联锁保护系统 1、以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护、以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护 危险：危险：（1）被加热工艺介质过少 或中断，烧坏管子。（2）脱火现象，燃气 混合物爆炸。（3）回火，燃压过低。（4）炉内熄火。TCPCSLGL2BSGL1燃料进料出料回火回火脱火脱火熄火熄火2023/4/620Copyright by Zhaona Chen2、以燃料油为燃料加热炉安全保护系统PdCTCPCPL1PL2GL1GL2新鲜气循环气仪表气仪表气炼厂气燃料油雾化气出料2023/4/621Copyright by Zhaona Chen5.2.3 加热炉的热效率控制提高热效率的方法:炉改造，降低烟气温度，余热利用，控制过剩空气系数，降低烟气含氧量。1、热效率的计算 可以从燃料消耗量及热值求得。工厂一般采用反衡算法：排烟热损失，化学不完全燃烧热损失，炉壁散热损失。2023/4/622Copyright by Zhaona Chen （过剩空气系数）圆筒炉，=3%，其它炉 =4%。1、热效率的计算一般地,CO 0.2%可忽略,则经验公式2023/4/623Copyright by Zhaona Chen函数关系：右侧 不完全燃烧，热损失 ，有一最佳区域 1.021.1相应的 含量为 0.4281.985%,实际上 含量为23%。2、烟气含量闭环控制控制入炉空气量，即控制为使炉子平衡工作，不希望频繁调整挡板。加不灵敏区，当超出一定范围时，再调节。2023/4/624Copyright by Zhaona Chen 3、热效率控制 基本思想：测量烟道温度T和O2含量，计算出实测热效率，作为测量值。4、加热炉的约束控制 基本思想：对烟气中O2和T区域控制。当O2、T在最佳区域内不调节，当O2、T一个或两个超出最佳区时，调节。2023/4/625Copyright by Zhaona Chen5.3 锅炉设备控制 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。2023/4/626Copyright by Zhaona Chen5.3 锅炉设备控制工艺流程2023/4/627Copyright by Zhaona Chen5.3 锅炉设备控制控制问题 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。2023/4/628Copyright by Zhaona Chen5.3.1 水位控制1 1、汽泡水位动态特性、汽泡水位动态特性干扰通道特性（蒸汽负荷）控制通道特性（给水量）2023/4/629Copyright by Zhaona Chen2、单冲量水位控制方案如图：适用于负荷变化平稳，幅度小若假水位严重，则H的影响，如图：当D时，由于假水位H，使G。当假水位消失时，由于D，使水位大幅度下降，如此使H变化较大。当D变化较大时，往往使调节阀全开或全关。G、H波动都大，甚至发生危险。2023/4/630Copyright by Zhaona Chen3、双冲量水位控制（1）FFCFBC 前馈反馈控制 引入蒸汽流量信号作前馈，可以抑制“假水位”误动作。一般用静态前馈即可。C1：取1,决定控制器增益。C0：偏置量，可用C0抵消C2PD静态分量，使加法器输出有适当值。C2：当气关阀时，取“”当气开阀时，取“+”C2的大小，即静态前馈系数，也可以近似计算 LC蒸汽汽包省煤器给水PCPDC1PC+C2PD+C02023/4/631Copyright by Zhaona Chen对线性调节阀：蒸汽变送器量程。给水变送器量程。变送器的输出范围。取 则 c2=1。思考：注意，双冲量仍有假液位，只是减误动作（以至消除），相应加大，使第二波峰减小。2023/4/632Copyright by Zhaona Chen（2）双冲量水位控制（加法器在控制器之前）如图，采用双通道输入控制器省加法器。不能用PI作用，否则有余差。PI规律：原稳定 新稳定，用PI作用 ，不变 有余差，PI规律时，有余差。33Copyright by Zhaona Chen4、三冲量控制系统原因：当给水压力有波动；阀门非线性，影响补偿效 果。所以可以引入给水信号，构成三冲量控制 典型方案如下：（1）串级加前馈，方案（一）若采用气开阀门，为反作用（气关阀为正作用）：用+,取反作用。34Copyright by Zhaona Chen抵消 静态分量。取+（信号作用与阀无关）设负荷变化，物平衡：给水测量表，（调节阀）给定变化，的计算 2023/4/635Copyright by Zhaona Chen仪表输出为统一信号，相同.控制器，PI作用，则，量程相等时，可取1。蒸汽变送器量程。给水变送器量程。按液位、流量串级整定即可。2023/4/636Copyright by Zhaona Chen（2）方案（二）加法器在控制器之前，用多输入通道控制器（省加法器）加法器在控制器之前，用多输入通道控制器（省加法器）G2023/4/637Copyright by Zhaona Chen（3）方案（三）2023/4/638Copyright by Zhaona Chen395.3.2 燃烧过程的控制任务：任务：（1）出口蒸汽压力（2）控制，控制，空/燃比控制（3）负压（4）安全保护，脱火，回火，熄火。2023/4/6Copyright by Zhaona Chen典型方案 1、出口压力与燃料控制、出口压力与燃料控制（1）单回路控制（2）并联式空燃比控制各自动 态时，比值不严格。（3）串级式空燃比控制2023/4/640Copyright by Zhaona Chen（4）逻辑提量比值控制（5）加 控制，提高 。例:方案（2）+控制.2.负压控制，控制引风档板2023/4/641Copyright by Zhaona Chen
