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工业过程控制 传热设备的控制 戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所 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 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 换热器的静态特性 热交换过程的热量平衡方程 热交换过程的传热速率方程 热交换过程的静态方程 热交换过程的静态特性分析 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。 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 换热器的控制方案(续) 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。 加热炉的单回路控制 加热炉的串级控制（一） 加热炉的串级控制（二） 催化裂化加热炉的控制系统 加热炉的安全联锁保护系统 锅炉设备的工艺流程 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 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 汽包水位的对象特性 非最小相位特性 汽包水位的单冲量控制 汽包水位的双冲量控制 汽包水位的三冲量控制 三冲量控制系统的简化连接 锅炉蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统 练习题 1 练习题 2 练习题 3 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。 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。 * * 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。 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 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 严重非线性，若其它环节为线性，调节阀需选用等百分数阀。 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？ 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。 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。 干扰通道特性 控制通道特性 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 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。 稳态： I1= I2 = I3 = I4 = Ip Q1 = KQ2 分析提降量过程？ 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。 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）