1、1 . E-0101B 混合加熱器設計為確保混合加熱器（E-0101B）中MN（亞硝酸甲酯），CO （一氧化碳）的出口溫度為408K, 選用0.68Mpa,408K的加熱蒸汽加熱入口溫度為294K的工藝介質。為保證生成物的產量，質 量，及最終生成物的轉化率，且工藝介質較穩定，蒸汽源壓力較小，變化不大，因此針對此實際情況，最后確定設計一個換熱器的反饋控制方案。1.1 換熱器概述換熱器工作狀態如何, 可用幾項工作指標加以衡量。常用的工作指標主要有漏損率、換熱效率和溫度效率。它們比較全面的說明了換熱器的特點和工作狀態，在生產和科學試驗中了解這些指標，對于換熱器的管理和改進都是必不可少的。換熱器是將熱

2、流體的部分熱量傳遞給冷流體的設備，又稱熱交換器。換熱器在化工、石油、 動力、食品及其它許多工業生產中占有重要地位，其在化工生產中換熱器可作為加熱器、冷 卻器、冷凝器、蒸發器和再沸器等，應用廣泛。換熱器是一種在不同溫度的兩種或兩種以上 流體間實現物料之間熱量傳遞的節能設備，是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流 體，使流體溫度達到流程規定的指標，以滿足工藝條件的需要，同時也是提高能源利用率的 主要設備之一。1.2 換熱器的分類適用于不同介質、不同工況、不同溫度、不同壓力的換熱器，結構型式也不同，換熱器的具體分類如下：一 按傳熱原理分類：間壁式換熱器，蓄熱式換熱器，流體連接間接式換熱器，直接接

3、觸式換熱器，復式換熱器二 按用途分類：加熱器，預熱器，過熱器，蒸發器三、按結構分類：浮頭式換熱器，固定管板式換熱器，U形管板換熱器，板式換熱器等此設計要求是將進料溫度都為 297.99K的MN（亞硝酸甲酯）和CO（一氧化碳）加熱到出口溫度為473K， 所以我們經過調查研究，綜合比較之后選擇了管殼式（ 又稱列管式） 換熱器。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成，殼體多呈圓形，內部裝有平行管束或者螺旋管，管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體，一種在管內流動，其行程稱為管程；一種在管外流動，其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。1.3 換熱器的用途換熱器又叫做熱交換器

4、（heat exchanger） ，是化工、石油、動力、食品及其它許多工業部門的通用設備，在生產中占有重要地位。進行換熱的目的主要有下列四種：. 使工藝介質達到規定的溫度，以使化學反應或其他工藝過程很好的進行；. 生產過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程能在規定的溫度范圍內進行；. 某些工藝過程需要改變無聊的相態； . 回收熱量。由于換熱目的的不同，其被控變量也不完全一樣。在大多數情況下，被控變量是溫度，為了使被加熱的工藝介質達到規定的溫度，常常取出溫度問被控溫度、調節加熱蒸汽量使工藝介質出口溫度恒定。對于不同的工藝要求，被控變量也可以是流量、壓力、液位等。1.4 換熱器的工作原理

5、及工藝流程圖換熱器的溫度控制系統換熱器工作原理工藝流程如下：冷流體和熱流體分別通過換熱器的管程和殼程，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，通過循環泵流經換熱器的管程，出口溫度穩定在設定值附近。冷流體通過多級離心泵流經換熱器的殼程。在換熱器的冷熱流體進口處均設置一個調節閥，可以調節冷熱流體的大小。圖1換熱器溫度控制系統工藝流程圖從傳熱過程的基本方程式可知，為了保證出口的溫度平穩，滿足工藝生產的要求，必須 對傳熱量進行調節，調節傳熱量有以下幾條途徑：、調節載熱體的流量。調節載熱體流量大小，其實只是改變傳熱速率方程中的傳熱系 數K和平均溫差 Tvm對于載熱體在加熱過程中

6、不發生相變的情況，主要是改變傳熱速率方 程的熱系數K;而對于載熱體在傳熱過程中發生相變的情況， 主要是改變傳熱方程中的 Tm、調節傳熱平均溫差 Tm這種控制方案滯后較小反應迅速，應用比較廣泛。、調節傳熱面積F。這種方案滯后較大，只有在某些必要的場合才采用。、將工藝介質分路。該方案是一部分工藝介質經換熱，另一部分走旁路。在設計傳熱設備自動化控制方案時，要視具體傳熱設備的特點和工藝條件而定。而在某 些場合，當被加熱工藝介質的出口溫度較低，采用低壓蒸汽作載熱體，傳熱面積裕量又較大 時，為了保證溫度控制平穩及冷凝液排除暢通，往往以冷凝器流量作為操縱變量，調節傳熱 面積，以保持出口溫度恒定。2 .控制系

7、統2.1 控制系統的選擇由于本次設計的任務控制換熱器被加熱物料出口溫度，工藝過程主要就是冷熱流體熱交 換，且外來干擾因素主要是載熱體的流量變化，故選擇單回路控制系統便可以達到預定的控 制精度。2.2 工藝流程圖和系統方框圖單回路控制系統又稱為簡單控制系統，是有一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一 個調節器和一個控制器所構成的閉合系統。單回路控制系統結構簡單、易于分析設計，投資 少、便于施工，并能滿足一般的一般生產過程的控制要求，因此在生產過程中得到廣泛的應 用，具方框圖如下圖所示。圖2、單回路控制系統方框圖其中，被控變量：被加熱物料的出口溫度；操縱變量：載熱體的流量。如圖所示：測量元件及變送

8、器對冷物料出口溫度進行測量， 得到測量值Ym并傳送給調節器，調節器 把Ym與內部給定值 Ys比較得到偏差信號 e按一定的調節運算規律計算出控制信號，并 將控制信u號 傳送給執行器，執行器接收到控制信號 U,自動的改變閥門的開度，改變蒸汽的流量。2.3 、被控對象特性研究換熱器是傳熱設備中較為簡單的一種， 也是最常見的一種。通常它兩側的介質（工藝介質 和載熱體）在換熱過程中均無相變。換熱器換熱的目的是保證工藝介質加熱（或冷卻）到一定溫 度。為保證出口溫度平穩，滿足工藝要求，必須對傳遞的熱量進行調節。2.4 被控變量的選擇影響一個生產過程正常操作的因素很多，但并非對所有影響因素都要進行控制.被控參

9、數 是一個輸出參數，應為獨立變量，與輸入量之間應有單值函數關系.對于換熱器過程控制系統， 人們最關心的是對換熱器中介質即冷流體的溫度和壓力的自動控制與調節 ，而在這兩項當中， 溫度的自動調節又處于首位.因為出口水溫直接影響產品質量、產量、效率及安全性 ，即本系 統把換熱器出口水溫作為被控參數.2.5 操縱變量的選擇在控制系統中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量就是操縱變量。 將出口溫度維持在一定值，影響冷物料出口溫度的有很多因素，比說冷物料的流量，載熱體 的流量，載熱體的溫度等。冷物料是工藝所需要的，不能選用冷物料作為被控變量，而若選 載熱體溫度作為操縱變量，改變其溫度還需改變

10、其他工藝過程如鍋爐的溫度，考慮工藝合理 性，我選擇對熱流體流量進行控制，保證出口溫度的穩定。2.6 被控對象特性換熱器系統在連續生產中，其控制原理可通過熱量平衡方程和傳熱速率方程來分析，這 個方案的控制流程圖如圖3。圖3換熱器的溫度控制系統工藝流程圖為了處理方便，不考慮傳熱過程中的熱損失，根據能量守恒定律，熱流體失去的熱量應 該等于冷流體吸收的熱量，熱量平衡方程為：q=GiCi（Tii-Ti。）=G2c2（丁2。 丁2）式中，q為傳熱速率（單位時間內傳遞的熱量）；G為質量流量；c為比熱容；T為溫度。式中 的下標處1為載熱體；2為冷流體；i為入口； o為出口傳熱過程中的傳熱速率為：q =KF.：

11、T式中，K為傳熱系數；F為傳熱面積；AT為兩流體間的平均溫差(Ti-K)-(T2oF) M-酊2T=其中，平均溫差AT對于逆流、單程的情況為對數平均值：t Ti-Toln QFi當lwTLE3時，其誤差在5犯內, 3 T20 -T2i可采用算術平均值來代替，算術平均值表示為:at(Tii-Tio)-I 二+ (T2o-T2i)2由于冷流體間的傳熱既符合熱量平衡方程，又符合傳熱速率方程，因此有下列關系G2c2（丁2。-丁2）=KF T整理后得12。=尸 TzG2c2從上式可以看出，在傳熱面積F、冷流體進口流量G2、溫度T2i和比熱容C2一定的情況下,影響冷流體出口溫度的因素主要是傳熱系數K以及平

12、均溫差AT。2.7 調節器調節規律的選擇調節器的作用是對來自變送器的測量信號與給定值比較所產生的偏差e進行比例（P）、 比例積分（PI）、比例微分（PD）或比例積分微分（PID）運算，并輸出信號到執行器。選擇調節器 的控制規律是為了使調節器的特性與控制過程的特性能很好配合，使所設計的系統能滿足生 產工藝對控制質量指標的要求。比例控制規律（P）是一種最基本的控制規律，其適用范圍很廣。在一般情況下控制質量較 高，但最后有余差。對于過程控制通道容量較大，純時延較小，負荷變化不大，工藝要求又 不太高的場合，可選用比例控制作用。比例控制規律（P）的微分方程數學模型為：u（t） =kpe（t）比例積分（P

13、I）控制規律，結合了比例控制反應快，積分控制能消除余差。但是當過程控制 通道的純時延和容量時延都較大時，由于積分作用容易引起較大的超調，可能出現持續振蕩， 所以要盡可能避免用比例積分控制規律，不然會降低控制質量。通常對管道內的流量或壓力 控制，采用比例積分作用其效果甚好，所以應用較多。比例積分（PI）控制規律的微分方程數學模型為：u（t） = kpe嗎 0 e（t）d。比例微分（PD）控制規律，由于引入微分，具有超前作用，對于被控過程具有較大容量時 延的場合，會大大改善系統的控制質量。但是對于時延很小，擾動頻繁的系統，由于微分作 用會使系統產生振蕩，嚴重時會使系統發生事故，所以應盡可能不用微分

14、作用。比例微分（PD）控制規律的微分方程數學模型為：u（t） = kpe（t）Td答比例積分微分（PID）作用是一種理想的控制作用，一般均能適應不同的過程特性。當要求 控制質量較高時，可選用這種控制作用的調節器。比例積分微分（PID）控制規律的微分方程數學模型為：1 tde（t）u（t）= kpe Ti 0e（t）dt Td媼其中：u（t）:為調節器的輸出號k p:放大倍數Ti：積分時間常數Td:微分時間常數e(t):設定值與測量值偏差信號通過以上幾種調節規律的分析及本系統是溫度控制為被控參數，溫度檢測本身具有滯后 性，為了彌補這個缺點，本系統選用比例積分微分 (PID)控制規律。3、過程檢測

15、控制儀表的選用3.1 測溫元件及變送器根據生產實踐和現場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶 溫度儀表是基于熱電效應原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其 核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點：測溫精度高、性能穩定；結構簡單，易于制造，產品互換性好；將溫度信號轉換為電信號，便于信號遠傳和實現多點切換測量；測溫范圍廣，可達-2002000C;形式多樣，適用于多種測溫條件；被控溫度在500c以下，由1表3-5選用鋁熱電阻溫度計，為了提高檢測精度，應采用 三線制接法，并配用DDZ皿型熱電偶溫度變送器。DDZ型熱電偶溫度變送器主要性能指標如下：測量范圍 最

16、小量程3mV最大量程60mV零點遷移-50+50mV基本誤差0.5%溫度特性環境溫度每變化25C,附加誤差不超過千分之五。恒流性能 當負載電阻在0100Q范圍變化時，附加誤差不超過千分之五。防爆指標 結構為安全火花型；防爆等級為 Him e；防爆額定電壓為220V AC/DC其優點有以下幾點：采用了低漂移、高增益的線性集成電路，提高了儀表的可靠性、穩定性和各項性能指標。在熱電偶溫度變送器中用線性化電路，使變送器輸出信號與被測溫度信號保持了線性關 系。線路中采取了安全火花防爆措施，兼有安全柵的功能。3.2 執行器根據生產工藝原則以及被控介質特點，選用電動執行器。電動執行器由執行機構和調節 機構（

17、閥體）兩部分組成。電動執行機構又可分為角行程（DKJ型）和直行程（DK現）兩種， 原理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動部分有所區別。按照特性不同，電動執行機構 可分為比例式和積分式。根據工藝條件及流體特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動執行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。DKZ系列直行程電動執行器是由 DKZ直行程電動執行機構與直通單座調節閥或直通雙座 調節閥組裝而成的，具有推力大、定位精度高、反應速度快、滯后時間少、能源消耗低、安 裝方便、供電簡便、在電源突然斷電時能自動保持調節閥原來的位置等特點。DKZ系列直行程電動執行器主要技術參數輸入信號010mA.DC 420mA.D

18、C輸入電阻200a（ n 型）、250 a（出型）輸入通道3個隔離通道基本誤差士2.5%回差±1.5死區E3% （13%1 調）純滯后<1s電源電壓220V.AC、50Hz使用環境條件環境溫度執行機構 <-10+55 C相對溫度執行機構95%型號規格表機座號型號出軸推力（N）出行程（mm全程時間（s）IDKZ-310CDKZ-310BC40001081612.52520DKZ-410CDKZ-410BC640040326048nDKZ-510CDKZ-510BC1600603710062流體流經閥體是的阻力損失為局部阻力損失，所以對不可壓縮流體而言，流體流經調節閥時的阻力

19、損失為A七8pv = T-=2gPl-P2調節閥的阻力系數;. 流過閥的流體平均流速;Pi 閥刖壓力;閥體體積流量qv ,接管截面積為A,則qvP 2閥后壓力；qv = A由該式可見，在調節閥口徑一定，Ap/P也不變的情況下，流量qv僅隨阻力系數的變化而變化。當移動閥芯使開度改變時，阻力系數 。也隨之變化，從而改變了流量qv的大小，達 到了調節流量的目的3.3 調節器調節器又稱控制器，是構成自動控制系統的核心儀表，其作用是將參數測量值和規定的 參數值相比較后，得出被調量的偏差，再根據一定的調節規律產生輸出信號，從而推動執行 器工作，對生產過程進行自動調節。目前在中國工業上廣泛應用的 DDZ皿型

20、電動調節儀表具有良好的性能，且采取安全火花 型防爆措施，具有先進可靠的防爆結構。選用DTZ-2100型全刻度指示調節器DTZ-2100型全刻度指示調節器相關參數輸入信號15V.DC內給定信號15V.DC外給定信號420mA.DC調節作用（比例+積分+微分）比例帶：2500%積分時間：0.012.5分微分時間：0.0410分（可切除）輸入、給定指示表指示范圍：0100%,誤差：± 1%軸出指小表指示范圍：0100%,誤差：±25%輸出信號420mA.DC負載電阻250750Q工作條件環境溫度：045 C工作振動：頻率 E 25Hz3.4 、儀表型號清單列表儀表型號清單元件型號

21、輸入信號范圍數量熱電偶溫度變送器SBWR/Z360mV1執行器DKZ420mA.DC1MWDTZ-210015V.DC14、系統方框圖根據換熱器出口溫度單回路控制方案圖可得方塊圖如下:換熱器出口溫度單回路控制圖5、調節控制參數，進行參數整定及系統仿真，分析系統性能5.1調節控制參數1 .變送測量環節可用一階環節來近似表示:Km 1Gm"式中，Km與測量儀表的量程有關；Tm>0為流量測量環節的時間常數，單位為分(min)。在實際過程中這些參數基本不變。假設有 Km =10%/ (T/hr )2 .假設執行器(調節閥)為近似線性閥，其動態滯后忽略不計，而且Gv(s)="=

22、Kv = 1u(s)3 .對于該控制系統，假設控制通道與擾動通道的動態特性可表示為Gpc(s)T(s)K p e - psTpS 1_ 1一 2s 1Gpd (s) = "s) = Kd = 1R(s)調節器選定PID調節器，其傳遞函數為Gc(s)水p1+'+Td(s)T1( s)51Kp =一6 ；式中Kp為比例系數；Ti為積分時間；Td為微分時間 。為使系統獲得良好的控制品質, 需要確定PID控制器的一些參數，而這些參數很難由計算獲得，需要通過實驗采用飛升曲線 確定該對象慣性時間和純滯后時間。由傳函的出各參數的關系如下式：Ti = Kp Td = KdKi ; Kp 05

23、.2 PID參數整定及系統仿真PID參數整定方法就是確定調節器的比例系數 Kp>積分時間Ti和微分時間Td,改善系 統的靜態和動態特性，使系統過渡過程達到最為滿意的質量指標要求。一般可以通過理論計 算確定，但誤差太大。目前，應用最多的還是工程整定法：如經驗法、衰減曲線法、臨界比 例帶法和反應曲線法。臨界比例度法：首先求取在純比例作用下的閉環系統為等幅振蕩過程時的比例度和振蕩 周期Tk,然后根據經驗公式計算出相應的調節器參數。通常將等幅振蕩下的比例度和振蕩周期分別稱為臨界比例度和臨界周期。臨界比例度法便于使用，而且在大多數控制回路中能得 到較好的控制品質。臨界比例度法整定參數的具體步驟是：將調節器的積分作用和微分作用全部除去，在純比例的情況下，按比例增益 Kc從小到大的變化規律，對應于每一個 Kc做小幅度的設定值階 躍變化，直到獲得等幅振蕩過渡過程曲線，在 MATLA沖的Simulink工具箱組件中進行系統 的仿真 如下圖:ID Contro