熱交換器溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、熱交換器溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計熱交換器溫度控制系統(tǒng)一控制系統(tǒng)組成由換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖 1 可以看出系統(tǒng)包括換熱器、熱水爐、控制冷流體的多級離心泵，變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設(shè)備。圖 1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖控制過程特點：換熱器溫度控制系統(tǒng)是由溫度變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調(diào)參數(shù)（換熱器出口溫度）經(jīng)檢驗元件測量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號 c，測量值 c 與給定值 r 的差值 e 送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號 e 進(jìn)行運算處理后輸出控制作用 u。二、設(shè)計控制系統(tǒng)選取方案根據(jù)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)

2、。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和前饋控制系統(tǒng)。對于控制系統(tǒng)的選取，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的控制對象、控制要求，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等諸多因素，選用合適的控制系統(tǒng)。以下是通過對換熱器過程控制系統(tǒng)的分析，確定合適的控制系統(tǒng)。換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖如圖 2 所示，冷流體和熱流體分別通過換熱器的殼程和管程，通過熱傳導(dǎo)，從而使熱流體的出口溫度降低。熱流體加熱爐加熱到某溫度，通過循環(huán)泵流經(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近。冷流體通過多級離心泵流經(jīng)換熱器的殼程，與熱流體交換熱后流回蓄電池，循環(huán)使用。在換熱器的冷熱流體進(jìn)口處均設(shè)置一個調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設(shè)置一個電功調(diào)節(jié)閥

3、，可以根據(jù)輸入信號自動調(diào)節(jié)冷流體流量的大小。多級離心泵的轉(zhuǎn)速由便頻器來控制。換熱器過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動調(diào)節(jié)閥控制具有傳遞滯后大，反應(yīng)遲緩等缺點，根具離心泵模型得到通過控制離心泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量具有反應(yīng)靈敏，滯后小等特點，而離心泵轉(zhuǎn)速是通過變頻器調(diào)節(jié)的，因此，本系統(tǒng)中采用變頻器作為執(zhí)行器。圖 2 換熱器的溫度控制系統(tǒng)工藝流程圖引起換熱器出口溫度變化的擾動因素有很多，簡要概括起來主要有：（ 1）熱流體的流量和溫度的擾動，熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門的開度和循環(huán)泵壓頭的影響。熱流體的溫度主要受到加熱爐加熱溫度和管路散熱的影響。（ 2 ）冷流體的流量和溫度的擾動。冷流體的流量主要受到離

4、心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和閥門的開度等因素的影響。冷流體的溫度與大氣溫度和換熱器回流水的流量等因素有關(guān)。（ 3）加熱爐的啟停機的影響。（ 4）室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門開度的影響。首先考慮采用單回路控制系統(tǒng)。方塊圖如下圖3 所示：圖 3 單回路控制系統(tǒng)原理圖從圖 3 所示的控制系統(tǒng)中可以看出，從冷流體管路閥門或離心泵轉(zhuǎn)速變化到熱流體出口溫度改變，在這中間要相繼通過冷流體流量變化，換熱器熱交換速率變化，熱流體出口溫度變化等一系列過程，因此整個控制通道的容量滯后大、時間常數(shù)大、這就導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時、最大偏差大、過度時間長、抗干擾能力差、控制精度降低。而工藝上對出口溫度要求比較嚴(yán)格，一般希望

5、波動范圍不超過 +-（ 1%2% ）。根據(jù)大量的工程實踐經(jīng)驗和實驗的結(jié)果證明，采用圖 3 所示單回路控制系統(tǒng)是達(dá)不到要求的，必須尋求其他控制方案。分析各種影響熱器出口溫度的因素，除了熱流體的流量和溫度外，冷流體的流量、閥門的開度等因素和進(jìn)入系統(tǒng)的位置，首先影響冷流體的流量，而后經(jīng)過換熱器從而影響影響熱流體的出口溫度。如果以冷流體流量為被控變量，輸送冷流體的離心泵轉(zhuǎn)速為操縱變量，夠成單回路控制系統(tǒng)，則該控制系統(tǒng)的通道的容量滯后大大減少，對來自離心泵的轉(zhuǎn)速、閥門開度變化等干擾能及時克服，減少他們對熱流體出口溫度的影響。但是很顯然，熱流體的流量和溫度的變化沒有包含在內(nèi)，同時系統(tǒng)也沒有對熱流體出口溫度

6、構(gòu)成閉環(huán)控制，因此，仍然不能保證出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上，還需進(jìn)行改造。為了解決上述滯后時間和控制要求之間的矛盾，保持熱流體的出口溫度穩(wěn)定，可以根據(jù)管路冷流量的變化，先調(diào)節(jié)離心泵的轉(zhuǎn)速，然后再根據(jù)熱流體出口溫度與設(shè)定值之間的偏差，根據(jù)合適的控制算法，進(jìn)一步調(diào)節(jié)流體的流量，以保持出口溫度的穩(wěn)定，這樣組成流體出口溫度調(diào)節(jié)器和流體流量調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來的串級控制系統(tǒng)。其方塊圖如下圖 4 所示：圖 4 串級控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)圖 4 可以看出來自冷流體流量方面的干擾因素包括在副回路內(nèi)，因此可以大大減少這些擾動因素對于熱流體出口溫度的影響。對于熱流體流量和溫度方面的干擾，采用串級控制系統(tǒng)也可以得到改善，具體控制

7、效果明顯改善。綜上所述，我們可以對串級控制系統(tǒng)方案的基本參數(shù)進(jìn)行確定：主回路：熱流體出口溫度冷流體流量控制回路副回路：冷流體流量離心泵轉(zhuǎn)速控制回路主變量：換熱器出口溫度副變量：冷流體流量主檢測變送器：鉑電阻溫度傳感器副檢測變送器：渦輪流量傳感器執(zhí)行器：變頻器三、儀表的選型以及參數(shù)的確定1.溫度的測量選擇裝配式熱電偶如圖5 所示圖 5 裝配式熱電偶測量范圍及允許誤差范圍熱電偶類別代號分度號測量范圍基本誤差限鎳鉻康銅WRKE0800±0.75%t鎳鉻鎳硅WRNK01300±0.75%t鉑銠13- 鉑WRBR0- 1600±0.25%t鉑銠 10鉑WRPS01600&#

8、177;0.25%t鉑銠 30鉑WRRB01800±0.25%t銠 6注： t 為感溫元件實測溫度值（）熱電偶時間常數(shù)熱惰性級別時間常數(shù)（秒）熱惰性級別時間常數(shù)（秒）9010熱電偶公稱壓力：一般是指在工作溫度下保護(hù)管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。熱電偶最小插入深度：應(yīng)不小于其保護(hù)套管外徑的8 10 倍（特列產(chǎn)品例外）絕緣電阻：當(dāng)周圍空氣溫度為1535，相對濕度 80時絕緣電阻5 兆歐（電壓 100V）。具有防濺式接線盒的熱電偶，當(dāng)相對溫度為93± 3 時，絕緣電阻 0.5 兆歐（電壓 100V）高溫下的絕緣電阻：熱電偶在高溫下，其熱電極（包括雙支式）與

9、保護(hù)管以及雙支熱電極之間的絕緣電阻（按每米計）應(yīng)大于下表規(guī)定的值。規(guī)定的長時間使用溫度試驗溫度（）絕緣電阻值（）（）60060072000 800800250001000100050002 溫度變送器選擇通用型智能溫度變送器如圖6 所示，接線端子如圖7 所圖 6 通用型智能溫度變送器圖 7 接線端子性能簡介輸入單路或雙路熱電偶、熱電阻信號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。技術(shù)特點本產(chǎn)品采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，具備了傳統(tǒng)模擬儀表所不具備的多項先進(jìn)性能，在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優(yōu)異表現(xiàn)，即使在大功率變頻控制系統(tǒng)中依然能夠可靠應(yīng)用，

10、同時，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用徹底克服了傳統(tǒng)溫度變送器線性差的缺點，內(nèi)部采用數(shù)字化調(diào)校、無零點及滿度電位器、自動動態(tài)校準(zhǔn)零點、溫度飄移自動補償?shù)戎T多先進(jìn)技術(shù)，并符合 IEC61000-4-4:1995 中所規(guī)定的第四類 ( 惡劣工業(yè)現(xiàn)場 ) 環(huán)境對產(chǎn)品的抗電磁干擾要求 , 這一系列技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性得到科學(xué)的保證。以上各項技術(shù)領(lǐng)先國際先進(jìn)水平 .適用性可以與單元組合儀表及 DCS、PLC等系統(tǒng)配套使用，在油田、石化、制造、電力、冶金等行業(yè)的重大工程中有著廣泛應(yīng)用。技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度：± 0.2%×F·S溫度漂移： 0.0015%F·S/ 冷端溫

11、度補償準(zhǔn)確度：± 0.1% 測量熱電阻時允許的引線電阻： 50 工作溫度：工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn) -10 +55電流輸出允許外接的負(fù)載阻抗 :4-20mA 輸出時 0500； 0-10mA輸出時 01K 需要更大的負(fù)載能力請在訂貨時說明。電磁兼容 : 符合 IEC61000-4-4:1995 中所規(guī)定的第四類 ( 惡劣工業(yè)現(xiàn)場 ) 環(huán)境對產(chǎn)品的抗電磁干擾要求 .輸入 / 輸出 / 電源 / 通訊 / 雙路間絕緣強度： 1500V.ac 儲運環(huán)境溫度： -40 +80相對濕度： 10-90 RH（40時）供電電源：交流：AC 95 265V直流： DC12V32V（反接保護(hù)）輸入功率： 0.9 1

12、.8W（與型號有關(guān)，詳見本手冊附錄中關(guān)于輸入功率的計算方法）通訊接口： RS232 或 RS485，MODBUS軟件協(xié)議（選配）。外形尺寸：寬×高×深：22.5 ×100×115mm凈 重： 140g±20g型 號說 明SK-WD-××××通用型溫度變送器缺省為單回路輸入回路D雙回路（相互隔離）14-20mA21-5V第一路輸出30-10mA40-5V50-10V缺省為無第二輸出14-20mA第二路輸出21-5V30-10mA40-5V50-10V供電方式缺省為交流 220VD直流 24V3 流量傳感器選

13、用 SKLUCB 型插入式渦街流量計 如圖 8 所示圖 8SKLUCB型插入式渦街流量計工作原理按國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 IS07145( 在環(huán)形截面封閉管道中的流體流量測定在截面一點的速度測量法 ) ，采用埋入壓電晶體的渦街測速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號或420mADC電流信號。儀表特點1、可測量蒸汽 , 氣體 , 液體的體積流量和質(zhì)量流量；2、無機械運動部件 , 測量精度高 , 結(jié)構(gòu)緊湊維護(hù)方便；3、壓力損失小 , 量程范圍寬；范圍度達(dá)1:25 ；4、采用消擾電路和抗振傳感頭；5、采用消擾電路和抗振傳感頭，使儀表具有一定抗環(huán)境振動性能；6、可測

14、介質(zhì)溫度達(dá) +250。7、可實現(xiàn)不斷流拆裝傳感器，可實現(xiàn)放大器與傳感器分離（分離距離15m）；技術(shù)參數(shù)公稱通經(jīng)（ mm）2501500儀表材質(zhì)1Cr18Ni 9Ti公稱壓力（ Mpa）PN1.6Mpa；PN2.5Mpa被測介質(zhì)溫度（）40+250環(huán)境條件溫度 10+55，相對濕度 5 90，大氣壓力 86106Kpa精度等級示值的± 2.5%量程比1:10 ； 1:15阻力損失系數(shù)Cd<2.6輸出信號傳感器：脈沖頻率信號0.1 3000Hz 低電平 1V 高電平6V變送器：兩線制 4 20mADC電流信號供電電源傳感器：、 +24VDC變送器： +24VDC現(xiàn)場顯示型：儀表自帶

15、3.2V 鋰電池信號傳輸線KVVP3×0.3 （三線制）， 2×0.3 （二線制）傳輸距離500m信號線接口內(nèi)螺紋 M20×1.5防爆等級ExdIIBT6防護(hù)等級IP65允許振動加速度1.0g4 調(diào)節(jié)器選用 SK 808/900 系列智能 PID 調(diào)節(jié)儀如圖 9 所示，接線端子如圖10 所示圖 9 SK808/900 系列智能 PID 調(diào)節(jié)儀圖 10 接線端子主要技術(shù)指標(biāo)基本誤差： 0.5 FS 或 0.2 FS±1個字分 辨 力： 1/20000 、 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器顯示方式：雙排四位LED數(shù)碼管顯示采樣周期： 0.5S報警輸出：二限報警，報警

16、方式為測量值上限、下限及偏差報警，繼電器輸出觸點容量 AC220V/3A控制輸出：繼電器觸點輸出固態(tài)繼電器脈沖電壓輸出（DC12V/30mA）單相 / 三相可控硅過零觸發(fā)單相 / 三相可控硅移相觸發(fā)模擬量 4 20mA、 0 10mA、 1 5V、05V 控制輸出通訊輸出：接口方式 - 隔離串行雙向通訊接口RS485/RS422/RS232/Modem波特率 -300 9600bps 內(nèi)部自由設(shè)定饋電輸出： DC24V/30mA電 源：開關(guān)電源 85 265VAC 功耗 4W以選型表代碼說明SK-808/90智能 PID 調(diào)節(jié)儀0A橫式 160×80×125mm外型尺寸A/

17、S豎式 80×160×125mmB方式 96×96×110 mmC橫式 96×48×110 mmC/S豎式 48×96×110 mmD方式 72×72×110 mm報警輸出BB1-1 個報警點， B2-2 個報警點N無控制輸出L繼電器控制輸出G固態(tài)繼電器輸出K1單相可控硅過零觸發(fā)K2三相可控硅過零觸發(fā)控制輸出K3單相可控硅移相觸發(fā)K4三相可控硅移相觸發(fā)X14-20mA輸出X20-10mA輸出X31-5V 輸出X40-5V 輸出P微型打印機通訊輸出R串行通訊 RS232S串行通訊 RS485無饋電

18、輸出變送器配電電源V12帶 DC12V饋電輸出V24帶 DC24V饋電輸出供電電源220VAC供電WDC24V供電輸入信號Sn 見" 輸入信號類型表 "輸入類型表參數(shù)提示符輸入信號內(nèi)容參數(shù)提示符輸入信號內(nèi)容tc-KK 型rtd0- 400tc-SS 型1000Pt1000tc-EE 型bA1BA1tc-bB 型bA2BA2tc-tT 型0-500-50mAtc-nN 型0-5V0-5Vtc-jJ 型1-5V1-5VP100Pt1000-200-20mAC100Cu1000-100-10mACu50Cu504-204-20mA5 調(diào)節(jié)閥選用電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥如圖 11 所示ZAZQ （X ）型電動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥有合流和分流二種型式，由DKZ電動執(zhí)行機構(gòu)和三通合流或三通分流調(diào)節(jié)組成，以電源為動力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號 0 10mA DC 或 4-20mA Dc 驅(qū)使閥門開度與此操作信號相對應(yīng)。合流閥的作用是將一種流體分成兩路流體。分流合流閥只能對應(yīng)選用， 但當(dāng) DN80 時，和流閥可用于分流場合。可替代兩臺單、雙座調(diào)節(jié)閥，節(jié)省投資，占據(jù)空間小。三通調(diào)節(jié)閥通常用于熱交換器的兩種介質(zhì)調(diào)節(jié)，及簡單的配比調(diào)節(jié)。圖 11 動三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù)公稱通徑合流2532405065 80 100 125 150 20025