《過程控制工程》第二次作業(yè)

1、過程控制工程第二次作業(yè)設(shè)計(jì)換熱器溫度控制系統(tǒng)換熱器又稱熱交換器，是進(jìn)行熱量交換的設(shè)備的統(tǒng)稱。換熱器廣泛應(yīng)用于化 工、石化、煉油、輕工、制藥、食品加工、動(dòng)力以及原子能等工業(yè)。換熱器應(yīng)用 于存在溫度差的流體間的熱交換設(shè)備，換熱器中至少有兩種流體，溫度較高則放 出熱量，反之則吸收熱量。換熱器依據(jù)傳熱原理和實(shí)現(xiàn)熱交換的方法一般分為間 壁式、混合式、蓄熱式三類。其中間壁式換熱器應(yīng)用最廣。它又可分為管式換熱 器、板式換熱器、翅片式換熱器、熱管換熱器等。其中以管式（包括蛇管式、套 管式、管殼式等）換熱器應(yīng)用最普遍。列管式和板式，各有優(yōu)點(diǎn)，列管式是一種 傳統(tǒng)的換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源等設(shè)備；板式則以

2、其高效、緊湊的 特點(diǎn)大量應(yīng)用于工業(yè)當(dāng)中。 下圖為一列管式換熱器，換熱器采用蒸汽對(duì)冷物料進(jìn)行加熱，使換熱器出口 介質(zhì)溫度為某一定值。工藝要求換熱器出口溫度在 185±2以內(nèi)，引起出口溫 度變化的擾動(dòng)有:冷物料的流量與初溫、蒸汽壓力波動(dòng)等，其中最主要的擾動(dòng)是 冷物料的流量 Q。 靜態(tài)特性分析：對(duì)象的靜態(tài)特性就是要確定之間的函數(shù)關(guān)系。 （1-1）式中，為傳熱速率(單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量)；為質(zhì)量流量；為比熱容；為溫度。式中的下標(biāo)處 1 為載熱體；2 為冷流體；為入口；為出口。另外，傳熱過程中的為 （1-2）式中，為傳熱系數(shù)；為傳熱面積；為兩流體間的平均溫差。其中平均溫差對(duì)于逆流、單程的情況為

3、對(duì)數(shù)平均值 在，其誤差在5%以內(nèi)，可采用算數(shù)平均值來代替。算術(shù)平均值為： 控制方案的選擇由熱平衡公式（1-1）可知，當(dāng)冷熱流體的流量成一定的比值關(guān)系時(shí)便可以保證按照兩流體出口溫度的變化量成一定比值關(guān)系同時(shí)假定冷熱流體入口處溫度、 都保持恒定，則此時(shí)，冷熱流體的溫度、便同時(shí)可以保持恒定。即有 如果采用比值控制對(duì)換熱器的出口溫度進(jìn)行控制，從而達(dá)到換熱器冷熱流體的溫度同時(shí)得到控制的目的。但由于此次課程設(shè)計(jì)并沒有提供冷熱流體在達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求時(shí)的進(jìn)出口溫度，無法依靠此確定比例控制的系數(shù)，所以不能采用此方案。因此我擬采用通過控制熱流體的流量來對(duì)冷流體出口溫度進(jìn)行閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)框圖： 可看出來自熱

4、流體流量方面干擾因素包括副回路內(nèi)，因此可大大減少這些擾動(dòng)因素對(duì)于冷流體出口溫度影響。對(duì)于熱流體流量和溫度方面的干擾，采用串級(jí)控制系統(tǒng)可以得到改善，具體控制效果明顯改善。綜上對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)方案的基本參數(shù)進(jìn)行確定：主回路：冷流體出口溫度熱流體流量控制回路副回路：熱流體流量主變量：換熱器出口溫度副變量：熱流體流量主檢測變送器：銅電阻溫度傳感器副檢測變送器：渦輪流量傳感器執(zhí)行器：蒸汽閥門主回路設(shè)計(jì)換熱器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)是以工藝介質(zhì)出口溫度為主要被控參數(shù)的控制系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器對(duì)被控參數(shù)精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對(duì)介質(zhì)干擾的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)換熱器出口溫度的變化，改變介質(zhì)量，快速消除干擾；然后再根據(jù)工藝介質(zhì)

5、出口溫度與設(shè)定值的偏差，改變溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)介質(zhì)量，使出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制的目的 副回路設(shè)計(jì)副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。工藝料由于其成分和流量變化，對(duì)控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，對(duì)于冷卻器我們選擇冷流體的流量為串級(jí)控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級(jí)系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)流量能夠有效地影響主參數(shù)出口溫度，提高了主參數(shù)的控制效果。主副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。在換熱器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，我們選擇出口溫度為主要被控參數(shù)，介質(zhì)料溫度影響產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格

6、，又因?yàn)閾Q熱器串級(jí)控制系統(tǒng)有較大容量滯后，所以，選擇PID調(diào)節(jié)作為主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對(duì)副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，無明顯滯后，所以我們的副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇PI控制。主副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定 由生產(chǎn)工藝安全考慮，蒸氣調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：主被控過程Ko10。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正，所以負(fù)調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K10，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負(fù)調(diào)節(jié)器大于

7、0，負(fù)調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。儀表的選型及參數(shù)的確定流量測量儀產(chǎn)品名稱：蒸汽流量變送器型號(hào)：LUGB1 、最小流量值低、流量范圍大；2 、結(jié)構(gòu)簡單，無運(yùn)動(dòng)磨損部件；3 、測量精度高，阻力損失??；4 、安裝方便，維修簡易；5 、可遠(yuǎn)距離傳輸流量信號(hào)，并能與計(jì)算機(jī)連網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)集中管理；6 、完整的傳感器通徑，具有 10mm  500mm 的 20 種不同通徑的傳感器。蒸汽流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)：1 、蒸汽流量計(jì)確度等級(jí)： 1.0 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)流量范圍內(nèi)）；2&#

8、160;、蒸汽流量計(jì)公稱壓力：  通徑  DN200mm 2.5MPa ； 通徑  DN150mm 4.0MPa ； 6.3 MPa  25 MPa （協(xié)議定貨）；3 、蒸汽流量計(jì)被測介質(zhì)溫度： 40  200 ， 280 ， 350 ；4 、蒸汽流量計(jì)壓力損失： 阻力系數(shù) Cd 2.4 ；5 、蒸汽流量計(jì)重復(fù)性誤差 % ：  1/3 準(zhǔn)確度等級(jí)值；6 、蒸

9、汽流量計(jì)流量范圍： 8 ： 1  40 ： 17 、蒸汽流量計(jì)供電電源： 12  24VDC ；8 、蒸汽流量計(jì)輸出信號(hào)：  電壓脈沖：低電平  0.5V ，高電平  5V ； 標(biāo)準(zhǔn)電流： 0  10 mA 、 4  20 mA DC ； 標(biāo)準(zhǔn)電壓： 0  5 V 、&

10、#160;1  5 V蒸汽流量變送器技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)(mm) 15，20，25，40，50，65，80，100，125，150，200，250，300儀表材質(zhì) 1Cr18Ni 9Ti公稱壓力(Mpa) PN1.6Mpa；PN2.5Mpa； PN4.0Mpa被測介質(zhì)溫度() 40+250 ；40+350環(huán)境條件 溫度10+55，相對(duì)濕度590，大氣壓力86106Kpa精度等級(jí) 測量液體：示值的±0.5測量氣體或蒸汽：示值的±1.0、±1.5量程比 1:10；1:15阻力損失系數(shù) Cd&l

11、t;2.6輸出信號(hào) 傳感器：脈沖頻率信號(hào)0.1 3000Hz 低電平1V 高電平6V變送器：兩線制4 20mADC電流信號(hào)供電電源 傳感器：+12VDC 、+24VDC(可選)變送器：+24VDC現(xiàn)場顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池信號(hào)傳輸線 STVPV3×0.3(三線制)，2×0.3(二線制)傳輸距離 500m信號(hào)線接口 內(nèi)螺紋M20×1.5防爆等級(jí) ExdIIBT6防護(hù)等級(jí) IP65允許振動(dòng)加速度 1.0g調(diào)節(jié)器SK808/900系列智能PID調(diào)節(jié)儀智能PID調(diào)節(jié)儀與各類傳感器、變送

12、器配合使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、容量、力等物理量的測量顯示、智能PID調(diào)節(jié)儀并配合各種執(zhí)行器對(duì)電加熱設(shè)備和電磁、電動(dòng)、氣動(dòng)閥門進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和控制、報(bào)警控制、數(shù)據(jù)采集、記錄。調(diào)節(jié)閥選擇KVQJ系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥。圖8 調(diào)節(jié)閥KVQJ系列電動(dòng)單座、套筒調(diào)節(jié)閥，接受調(diào)節(jié)儀表來的直流電流信號(hào)，改變被調(diào)介質(zhì)流量，使被控工藝參數(shù)保持在給定值。廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、石油、輕紡、制藥、造紙等工業(yè)部門的生產(chǎn)自動(dòng)化控制。本系列產(chǎn)品公稱通徑由20至200mm，公稱壓力有1.0、1.6、4.0、6.4MPa，使用溫度范圍由-40450，接受信號(hào)為010mA.DC或420mA.DC。流量特性為線性或等

13、百分比。配用不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為普通型和電子型兩種。表2 調(diào)節(jié)閥技術(shù)參數(shù)公稱通徑DN(mm)（閥座直徑dn）2025324050658010121520額定流量系數(shù)直級(jí)1.82.84.46.91117.627.54469110等百分比1.62.546.31016254063100額定行程(mm)162540公稱壓力PN（MPa）1.0 1.6 4.0 6.4固有流量特性直線 等百分比固有可調(diào)比50工作溫度t（）-20200 -40250 -40450 -60450信號(hào)范圍（mA.DC）010 420作用方式電關(guān)式 電開式使用環(huán)境溫度（）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：-2070 伺服放大器：050使用環(huán)境條件電動(dòng)

14、調(diào)節(jié)閥：95% 伺服放大器：85%電源電壓220V 50Hz 380V 50Hz 24AC/DC溫度測量環(huán)節(jié)Cu50熱電阻軌式熱電阻溫度變送器?？?#160;                                             · 型        號(hào)：MTRS1       &

15、#160;                               · 輸出信號(hào)：4-20mA 二線制                                       · 供電電壓：24V DC（1230V）  

16、                                    · 測溫范圍：用戶訂制                                       · 精度等級(jí)：±0.5%FS

17、   ±0.2%FS   ±0.1%FS                                       · 環(huán)境溫度：-2080                              

18、60;       · 功能特點(diǎn)：線性補(bǔ)償，傳感器斷線報(bào)警功能                                       · 適用范圍：適配各類熱電阻傳感器Pt100、Pt1000、Cu50、Cu100型等                                       · 外形尺寸：94×24mm H41mm &