熱交換器溫度控制系統(tǒng)課程設計

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、控制冷流體的多級離心泵，變頻器、渦輪流量傳感器、溫度傳感器等設備。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、調節(jié)器、執(zhí)行器和被控對象（出口溫度）組成閉合回路。被調參數（換熱器出口溫度）經檢驗元件測量并由溫度變送器轉換處理獲得測量信號c，測量值c與給定值r的差值e送入調節(jié)器，調節(jié)器對偏差信號e進行運算處理后輸出控制作用u。二、設計控制系統(tǒng)選取方案 根據控制系統(tǒng)的復雜程度，可以將其分為簡單控制系統(tǒng)和復雜控制系統(tǒng)。其中在換熱器上常用的復雜控制系統(tǒng)又包括串級控制系統(tǒng)和

2、前饋控制系統(tǒng)。對于控制系統(tǒng)的選取，應當根據具體的控制對象、控制要求，經濟指標等諸多因素，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，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)泵流經換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經換熱器的殼程，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口處均設置一個調節(jié)閥，可以調節(jié)冷熱流體的大小。在冷流體出口設置一個電功調節(jié)閥，可以根據輸入信號自動調節(jié)冷流體流量的大小。多級離心泵的轉

3、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節(jié)閥控制具有傳遞滯后大，反應遲緩等缺點，根具離心泵模型得到通過控制離心泵轉速調節(jié)流量具有反應靈敏，滯后小等特點，而離心泵轉速是通過變頻器調節(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心泵的壓頭、轉速和閥門的開度等因素的影響。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。 （3）加熱爐的啟停機的影響。（4）室內溫度與管路內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、時間常數大、這就導致控制系統(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格，一般希望波動范圍不超過+-（1%2%）。根據大量的工程實踐經驗和實驗的結果證明，采

5、用圖3所示單回路控制系統(tǒng)是達不到要求的，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入系統(tǒng)的位置，首先影響冷流體的流量，而后經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，同時系統(tǒng)也沒有對熱流體出口溫度構成閉環(huán)控制，因此，仍然不能保證出口溫度穩(wěn)定在設定值上，還需進行改造。 為了解決上

6、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，可以根據管路冷流量的變化，先調節(jié)離心泵的轉速，然后再根據熱流體出口溫度與設定值之間的偏差，根據合適的控制算法，進一步調節(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節(jié)器和流體流量調節(jié)器串聯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，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)方案的基本參數進行確定：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 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 30 鉑銠 6 WRR B 01800 0.25%t 注：t為

8、感溫元件實測溫度值（）熱電偶時間常數 熱惰性級別 時間常數（秒） 熱惰性級別 時間常數（秒） 90180 1030 3090 10 熱電偶公稱壓力：一般是指在工作溫度下保護管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。 熱電偶最小插入深度：應不小于其保護套管外徑的810倍（特列產品例外） 絕緣電阻：當周圍空氣溫度為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）與保護管以及雙支熱電極之間的絕緣電阻（按每米計）應大于下表規(guī)定的值。 規(guī)定的長時間使用溫度（） 試驗溫

9、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。技術特點 本產品采用了先進的數字化技術，具備了傳統(tǒng)模擬儀表所不具備的多項先進性能，在對高、低頻干擾信號的抑制方面均有著優(yōu)異表現，即使在大功率變頻控制系統(tǒng)中依然能夠可靠應用，同時，數字化技術的應用徹底克服了傳統(tǒng)溫度變送器線性差的缺點，內部采用數字化調校、無零點

10、及滿度電位器、自動動態(tài)校準零點、溫度飄移自動補償等諸多先進技術，并符合IEC61000-4-4:1995中所規(guī)定的第四類(惡劣工業(yè)現場)環(huán)境對產品的抗電磁干擾要求,這一系列技術的應用使產品的穩(wěn)定性及可靠性得到科學的保證。以上各項技術領先國際先進水平. 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用。技術參數系統(tǒng)傳輸準確度：0.2%FS溫度漂移：0.0015%FS/冷端溫度補償準確度：0.1% 測量熱電阻時允許的引線電阻：50工作溫度：工業(yè)級標準 -10+55電流輸出允許外接的負載阻抗:4-20mA輸出時0500；0-10mA

11、輸出時01K需要更大的負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)現場)環(huán)境對產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：10-90RH（40時）供電電源：交流： AC 95265V直流：DC12V32V（反接保護）輸入功率：0.91.8W（與型號有關，詳見本手冊附錄中關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：22.5100115mm凈 重：140g20g型 號說 明SK-WD-通用型溫度變送器輸入回路缺

12、省為單回路D雙回路（相互隔離）第一路輸出14-20mA21-5V30-10mA40-5V50-10V第二路輸出缺省為無第二輸出14-20mA21-5V30-10mA40-5V50-10V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如圖8所示圖8SKLUCB型插入式渦街流量計工作原理按國際標準化組織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，將卡門旋渦頻率轉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量流量

13、；2、無機械運動部件,測量精度高,結構緊湊維護方便；3、壓力損失小,量程范圍寬；范圍度達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、可測介質溫度達+250。7、可實現不斷流拆裝傳感器，可實現放大器與傳感器分離（分離距離15m）；技術參數 公稱通經（mm） 2501500 儀表材質 1Cr18Ni 9Ti 公稱壓力（Mpa） PN1.6Mpa；PN2.5Mpa被測介質溫度（） 40+250 環(huán)境條件 溫度10+55，相對濕度590，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 Cd2.6

14、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現場顯示型：儀表自帶3.2V鋰電池 信號傳輸線 KVVP30.3（三線制），20.3（二線制） 傳輸距離 500m 信號線接口 內螺紋M201.5防爆等級 ExdIIBT6防護等級 IP65允許振動加速度 1.0g 4調節(jié)器選用SK808/900系列智能PID調節(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調節(jié)儀圖10接線端子主要技術指標 基本誤差：0.5FS或 0.2FS1個字 分 辨 力：1/200

15、00、14位A/D轉換器 顯示方式：雙排四位LED數碼管顯示 采樣周期：0.5S 報警輸出：二限報警，報警方式為測量值上限、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內部自由設定 饋電輸出：DC24V/30mA 電 源：開關電源 85265VAC 功耗4W以選型表 代碼 說明 SK-80

16、8/900智能PID調節(jié)儀 外型尺寸 A 橫式16080125mm A/S 豎式80160125mm B 方式9696110 mm C 橫式9648110 mm C/S 豎式4896110 mm D 方式7272110 mm 報警輸出 B B1-1個報警點，B2-2個報警點 控制輸出 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) 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 X3 1-5V輸出 X4 0-5V輸出 通訊輸出 P 微型打印機 R 串行通訊RS232 S 串行通訊RS

17、485 變送器配電電源 無饋電輸出 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 Sn 見輸入信號類型表 輸入類型表 參數提示符 輸入信號內容 參數提示符 輸入信號內容 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 1-5V 1-5V P100 Pt100 0-20 0-20mA C100 Cu100 0-10 0-10mA Cu50 Cu

18、50 4-20 4-20mA 5調節(jié)閥選用電動三通合流（分流）調節(jié)閥 如圖11所示ZAZQ（X）型電動三通合流（分流）調節(jié)閥有合流和分流二種型式，由DKZ電動執(zhí)行機構和三通合流或三通分流調節(jié)組成，以電源為動力，接受統(tǒng)一的標準信號010mA DC或4-20mA Dc驅使閥門開度與此操作信號相對應。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選用，但當DN80時，和流閥可用于分流場合?？商娲鷥膳_單、雙座調節(jié)閥，節(jié)省投資，占據空間小。三通調節(jié)閥通常用于熱交換器的兩種介質調節(jié)，及簡單的配比調節(jié)。圖11動三通合流（分流）調節(jié)閥主要技術參數 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Kv 合流 8.5 13 21 3