熱交換器溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

1、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(jí)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(guò)程特點(diǎn)：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(duì)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(yàn)元件測(cè)量并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測(cè)量信號(hào)c，測(cè)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(duì)偏差信號(hào)e進(jìn)行運(yùn)算處理后輸出控制作用u。二、設(shè)計(jì)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(jiǎn)單控制系統(tǒng)和復(fù)雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)又包括串級(jí)控制系統(tǒng)和

2、前饋控制系統(tǒng)。對(duì)于控制系統(tǒng)的選取，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的控制對(duì)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(guò)對(duì)換熱器過(guò)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(guò)換熱器的殼程和管程，通過(guò)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(guò)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(guò)多級(jí)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(gè)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(gè)電功調(diào)節(jié)閥，可以根據(jù)輸入信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷流體流量的大小。多級(jí)離心泵的轉(zhuǎn)

3、速由便頻器來(lái)控制。 換熱器過(guò)程控制系統(tǒng)執(zhí)行器的選擇考慮到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制具有傳遞滯后大，反應(yīng)遲緩等缺點(diǎn)，根具離心泵模型得到通過(guò)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(diǎn)，而離心泵轉(zhuǎn)速是通過(guò)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(dòng)因素有很多，簡(jiǎn)要概括起來(lái)主要有：（1）熱流體的流量和溫度的擾動(dòng)，熱流體的流量主要受到換熱器入口閥門(mén)的開(kāi)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(dòng)。冷流體的流量主要受到離心泵的壓頭、轉(zhuǎn)速和閥門(mén)的開(kāi)度等因素的影響。冷流體的溫度與大氣溫

4、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(jī)的影響。（4）室內(nèi)溫度與管路內(nèi)氣體變化和閥門(mén)開(kāi)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(mén)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(guò)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(guò)程，因此整個(gè)控制通道的容量滯后大、時(shí)間常數(shù)大、這就導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時(shí)、最大偏差大、過(guò)度時(shí)間長(zhǎng)、抗干擾能力差、控制精度降低。而工藝上對(duì)出口溫度要求比較嚴(yán)格，一般希望波動(dòng)范圍不超過(guò)+-（1%2%）。根據(jù)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，采

5、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(mén)的開(kāi)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(guò)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(duì)來(lái)自離心泵的轉(zhuǎn)速、閥門(mén)開(kāi)度變化等干擾能及時(shí)克服，減少他們對(duì)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(méi)有包含在內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)也沒(méi)有對(duì)熱流體出口溫度構(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

6、述滯后時(shí)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(lái)的串級(jí)控制系統(tǒng)。其方塊圖如下圖4所示：圖4串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖根據(jù)圖4可以看出來(lái)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(dòng)因素對(duì)于熱流體出口溫度的影響。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)也可以得到改善，具體控制效果明顯改善。綜上所述，我們可以對(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：熱流體出口溫度

7、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(cè)變送器：鉑電阻溫度傳感器副檢測(cè)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(cè)量 選擇裝配式熱電偶如圖5所示 圖5裝配式熱電偶  測(cè)量范圍及允許誤差范圍熱電偶類別 代號(hào) 分度號(hào) 測(cè)量范圍 基本誤差限 鎳鉻康銅 WRK E 0800 ±0.75%t 鎳鉻鎳硅 WRN K 01300 ±0.75%t 鉑銠 13 -鉑 WRB R 0-1600 ±0.25%t 鉑銠 10 鉑 WRP S 01600 ±0.25%t 鉑銠 3

8、0 鉑銠 6 WRR B 01800 ±0.25%t 注：t為感溫元件實(shí)測(cè)溫度值（）熱電偶時(shí)間常數(shù) 熱惰性級(jí)別 時(shí)間常數(shù)（秒） 熱惰性級(jí)別 時(shí)間常數(shù)（秒） 90180 1030 3090 10 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810倍（特列產(chǎn)品例外） 絕緣電阻：當(dāng)周圍空氣溫度為1535，相對(duì)濕度80時(shí)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(duì)溫度為93± 3 時(shí)，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）與保護(hù)管以及雙支熱

9、電極之間的絕緣電阻（按每米計(jì)）應(yīng)大于下表規(guī)定的值。 規(guī)定的長(zhǎng)時(shí)間使用溫度（） 試驗(yàn)溫度（） 絕緣電阻值（） 600 600 72000 800 800 25000 1000 1000 5000 2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(jiǎn)介 輸入單路或雙路熱電偶、熱電阻信號(hào)，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號(hào)，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。技術(shù)特點(diǎn) 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(xiàng)先進(jìn)性能，在對(duì)高、低頻干擾信號(hào)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

10、可靠應(yīng)用，同時(shí)，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(diǎn)，內(nèi)部采用數(shù)字化調(diào)校、無(wú)零點(diǎn)及滿度電位器、自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)零點(diǎn)、溫度飄移自動(dòng)補(bǔ)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(chǎng))環(huán)境對(duì)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(xiàng)技術(shù)領(lǐng)先國(guó)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/冷端溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度：

11、±0.1% 測(cè)量熱電阻時(shí)允許的引線電阻：50工作溫度：工業(yè)級(jí)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(shí)0500；0-10mA輸出時(shí)01K需要更大的負(fù)載能力請(qǐng)?jiān)谟嗀洉r(shí)說(shuō)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(chǎng))環(huán)境對(duì)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(qiáng)度：1500V.ac儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境溫度：-40+80相對(duì)濕度：10-90RH（40時(shí)）供電電源：交流： AC 95265V直流：DC12V32V（反接保護(hù)）輸入功率：0.91.8W（與型號(hào)有關(guān)，詳見(jiàn)本手冊(cè)附錄中關(guān)于輸入功率的計(jì)算方法）通訊接口：RS232 或

12、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(hào)    說(shuō) 明SK-WD-××××通用型溫度變送器輸入回路    缺省為單回路D   雙回路（相互隔離）第一路輸出1  4-20mA2  1-5V3  0-10mA4  0-5V5 

13、60;0-10V第二路輸出  缺省為無(wú)第二輸出1 4-20mA2 1-5V3 0-10mA4 0-5V5 0-10V供電方式 缺省為交流220VD直流24V3流量傳感器選用SKLUCB型插入式渦街流量計(jì)如圖8所示圖8SKLUCB型插入式渦街流量計(jì)工作原理    按國(guó)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(cè)定在截面一點(diǎn)的速度測(cè)量法)，采用埋入壓電晶體的渦街測(cè)速探頭，插入大口徑工業(yè)管道內(nèi)，將卡門(mén)旋渦頻率轉(zhuǎn)換為與流量成正比的電流或電壓脈沖信號(hào)或420mADC電流

14、信號(hào)。儀表特點(diǎn)1、可測(cè)量蒸汽,氣體,液體的體積流量和質(zhì)量流量；2、無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,測(cè)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(dòng)性能；6、可測(cè)介質(zhì)溫度達(dá)+250。7、可實(shí)現(xiàn)不斷流拆裝傳感器，可實(shí)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(cè)介質(zhì)溫度（）   40+

15、250 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)   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(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：、+24VDC 變送器：+24VDC 現(xiàn)場(chǎng)顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池 信號(hào)傳輸線   KVV

16、P3×0.3（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  4調(diào)節(jié)器選用SK808/900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：0.5FS或 0.2FS±1個(gè)字 分 辨 力：1/20000、14位A/D轉(zhuǎn)換器 顯示方式：雙排

17、四位LED數(shù)碼管顯示 采樣周期：0.5S 報(bào)警輸出：二限報(bào)警，報(bào)警方式為測(cè)量值上限、下限及偏差報(bào)警，繼電器輸出觸點(diǎn)容量 AC220V/3A 控制輸出：繼電器觸點(diǎn)輸出 固態(tài)繼電器脈沖電壓輸出（DC12V/30mA） 單相/三相可控硅過(guò)零觸發(fā) 單相/三相可控硅移相觸發(fā) 模擬量420mA、010mA、15V、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-3009600bps內(nèi)部自由設(shè)定 饋電輸出：DC24V/30mA 電 源：開(kāi)關(guān)電源 85265VAC 功耗4W以選型表 代碼 說(shuō)明 SK-808/900智能PID調(diào)節(jié)儀 外型尺寸 A

18、 橫式160×80×125mm A/S 豎式80×160×125mm B 方式96×96×110 mm C 橫式96×48×110 mm C/S 豎式48×96×110 mm D 方式72×72×110 mm 報(bào)警輸出 B B1-1個(gè)報(bào)警點(diǎn)，B2-2個(gè)報(bào)警點(diǎn) 控制輸出 N 無(wú)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(guò)零觸發(fā) K2 三相可控硅過(guò)零觸發(fā) K3 單相可控硅移相觸發(fā) K4 三相可控硅移相觸發(fā) X1 4-20mA輸出 X2 0-10mA輸出 X

19、3 1-5V輸出 X4 0-5V輸出 通訊輸出 P 微型打印機(jī) R 串行通訊RS232 S 串行通訊RS485 變送器配電電源 無(wú)饋電輸出 V12 帶DC12V饋電輸出 V24 帶DC24V饋電輸出 供電電源 220VAC供電 W DC24V供電 輸入信號(hào) Sn 見(jiàn)"輸入信號(hào)類型表" 輸入類型表 參數(shù)提示符 輸入信號(hào)內(nèi)容 參數(shù)提示符 輸入信號(hào)內(nèi)容 tc-K K型 rtd 0-400 tc-S S型 1000 Pt1000 tc-E E型 bA1 BA1 tc-b B型 bA2 BA2 tc-t T型 0-50 0-50mA tc-n N型 0-5V 0-5V tc-j J型

20、 1-5V 1-5V P100 Pt100 0-20 0-20mA C100 Cu100 0-10 0-10mA Cu50 Cu50 4-20 4-20mA 5調(diào)節(jié)閥選用電動(dòng)三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥 如圖11所示ZAZQ（X）型電動(dòng)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和三通合流或三通分流調(diào)節(jié)組成，以電源為動(dòng)力，接受統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)010mA DC或4-20mA Dc驅(qū)使閥門(mén)開(kāi)度與此操作信號(hào)相對(duì)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(duì)應(yīng)選用，但當(dāng)DN80時(shí)，和流閥可用于分流場(chǎng)合?？商娲鷥膳_(tái)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

21、兩種介質(zhì)調(diào)節(jié)，及簡(jiǎn)單的配比調(diào)節(jié)。圖11動(dòng)三通合流（分流）調(diào)節(jié)閥主要技術(shù)參數(shù) 公稱通徑mm 合流 25 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 分流 80 100 125 150 200 250 300 額定流量系數(shù)Kv 合流 8.5 13 21 34 52 85 135 210 340 535 800 1260 分流 85 135 210 340 535 800 1260 公稱壓力 MPa 1.6 4.0 6.0 流量特性 直線 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 型 DKZ-310 DKZ-310 DKZ-410 DKZ-510 DKZ-510 型 DKZ-510C DKZ-