4.2 传热设备的控制方案4.2.1 绪 论传热过程在工业生产中应用极为广泛，有的是为了便于工艺介质达到生产工艺所规定的温度，以利于生产过程的顺利进行，有的则是为了避免生产过程中能量的浪费。在实现传热过程的各种设备中，蒸汽加热的浪费最多。目前，蒸汽加热换热器的控制仍采用传统的 PID 控制，以加热蒸汽的流量作为调节手段，以被加热工艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统1。工业生产过程中，由于热量交换的设备称为传热设备。传热过程中冷热流体进行热量交换时可以发生相变或不发生相变。热量的传递可以是热传导、热辐射或热对流。实际传热过程中通常是几种热量传递方式同时发生。传热设备简况见表2-1。表2-1 传热设备传热设备的特性应包括传热设备的静态特性和传热设备的动态特性。静态特性设备输入和输出变量之间的关系；动态特性是动态变化过程中输入和输出之间的关系。下面以换热器为例简单介绍一下传热设备的基本原理。4.2.2 换热器简介（1） 换热器静态特性的基本方程式 热量衡算式图2-1所示为换热器的基本原理。图4。2-1 换热器的基本原理由于换热器两侧没有发生相变，因此，可列出热量衡算式G2c2(2i-2o)=G1c1(1o-1i) (2-1) 式中，下标1表示冷流体参数，2表示在热流体参数。传热速率方程式换热器的传热速率方程式为 q=UAmm (2-2)式中，m是平均温度差，对单程、逆流换热器，应采用对数平均式，表示为 (2-3)但在大多数情况下，采用算术平均值已有足够精度，其误差小于5%。算术平均温度差表示为 (2-4)换热器静态特性的基本方程式根据热量平衡关系，将式(2-4)代入式(2-2)，并与式(2-1)联立求解，得到换热器静态特性的基本方程式 (2-5)假设换热器的被控变量是冷流体的出口温度1o，操纵变量是载热体的流量G2，则式(2-5)可改写为 (2-6)（2） 换热器传热过程的动态特性 在工业生产中，生产负荷常常是在一定范围内不断变化的，由此决定了传热设备的运行工况必须不断调节以与生产负荷变化相适应。以逆流、单程、列管式换热器为例，假定换热过程中的热损失可忽略不计，则有控制通道的静特性： (2-7)T0，Ti ，TSi 分别为工艺介质的出口、入口和加热蒸汽的温度WS ，W 分别为加热蒸汽和工艺介质的流率CPS ，C 分别为加热蒸汽和工艺介质的定压比热容K A总传热系数A平均传热面积分析上式可知，换热器对象的放大系数存在严重饱和非线性，即在工艺介质流量W 大时，加热工艺介质达到规定温度所需的蒸汽流量WS必然随之增大，则上式计算出的放大系数K 减小。对于决定换热器动态响应的特性参数,机理分析和工程实践都表明,换热器是一个惯性和时间滞后均较大的被控系统,且是分布参数的。若将动特性用集中参数来描述,换热器可用一个三容时滞对象来近似描述。为简化起见,将换热器的动特性取为: (2-8)式(2-8)中的放大系数已在上面阐述,时间常数和滞后时间是两个决定换热器动态响应过程的时间型参数,它们也是随换热器的工况变化而变化的。以式(2-8)中的滞后时间为例,它是由多容对象处理为单容对象而引入的容量滞后时间c与由工艺介质传输距离引起的纯滞后时间d两部分组成。显然,当生产负荷变化时,介质流速随之变化,从而使得滞后时间也是随负荷变化的。4.2.3 控制方案的确定根据上述分析，为了控制换热器的冷流体出口温度，有四种可以影响的过程变量，其中，冷流体入口温度、载热体入口温度和冷流体流量都是由上工序 确定，因此不可控制，但可测量。或者因通道的增益较小，不宜作为操纵变量。可操纵的过程变量只有载热体流量。因此，对冷流体出口温度可采用单回路控制系统，即出口温度为被控变量，载热体流量为操纵变量的单回路控制系统。由于其他三个过程变量不可控但可测量，当它们的变化较频繁，幅值波动较大时，也可作为前馈信号引入，组成前馈-反馈控制系统。 当载热体流量或压力波动较大时，宜将载热体流量或压力作为副被控变量，组成串级控制系统。从上述分析可知，采用载热体流量作为操纵变量时，在流量过大时，进入饱和非线性区，这时，增大载热体流量将不能很好的控制冷流体出口温度，而需要采用其他控制方案。4.2.4 传热设备控制方案的实现（1） 调节载热体流量改变载热体流量，引起传热速率方程的传热总系数U和平均温度差m的变化。可根据载热体是否发生相变，分两种情况讨论。 载热体不发生相变 根据热量衡算式和传热速率方程式可知，当改变载热体流量时，会引起平均温度差的变化，流量增大，平均温度差增大，因此，在传热面积足够时，系统工作在图2-2所示的非饱和区，通过改变载热体流量可控制冷流体出口温度。 图4。2-2 载热体流量与冷流体出口温度的关系当传热面积受到限制时，由图2-2可知，由于传热面积不足，通过增加载热体流量不能有效的提高冷流体出口温度，即系统工作在饱和区。这时，通过调节载热体流量的控制方案不能很好地控制出口温度，应采用其他控制方案，例如下面将介绍的工艺介质分路控制方案。考虑换热器的动态特性，由于流体在流动过程中不可避免存在时滞，例如，冷流体入口温度对出口温度的时滞就较大，而其他扰动通道也具有较大的时间常数，为此，在控制方案的设计时应采用时滞补偿控制系统或改进工艺，减少时间常数和时滞。.当载热体压力波动不大时，可采用以冷流体出口温度为被控变量、载热体流量为操纵变量的单回路控制系统，控制方案如图2-3(a)所示；当压力或流量波动较大时，可增加压力或流量为副环，组成以载热体压力或流量为副被控变量的串级控制系统，控制方案如图2-3(b)所示。 (a)单回路控制系统 (b)串级控制系统图4。2-3 调节载热体流量的控制方案当原料流量（冷流体流量）等波动较大时，可采用前馈-反馈控制系统，其前馈信号可来自冷流体流量，控制方案如图2-4所示图4。2-4 前馈-反馈控制系统 载热体发生相变当载热体发生相变时，会产生放热或吸热现象。例如，蒸汽加热器中蒸汽冷凝放热，氨冷器中液氨蒸发吸热等。热量衡算式中放热或吸热与相变热有关。当传热面积足够时，例如，蒸汽加热器中，送入的蒸汽可以全部冷凝，并可继续冷却，这时，可通过调节载热体流量有效地改变平均温度差，控制冷流体出口温度。当传热面积不足时，例如蒸汽加热器中蒸汽冷凝量确定冷流体出口温度，蒸汽不能全部冷凝时，气相压力会升高，同样，在氨冷器中，液氨不能全部蒸发成为气相，使氨冷器液位升高。这时，应同时考虑传热速率方程式和热量衡算式，确定冷凝量或蒸发量和相应的出口温度。因此，在传热面积不足时，如果采用载热体流量控制方案时，应增设信号报警或联锁控制系统。例如，气压高或液位高时发出报警信号，并使联锁动作，关闭有关控制阀。当气压或液位的波动较大时，也可采用串级控制系统。例如，出口温度和蒸汽压力、出口温度和液位的串级控制系统等。有时，可采用选择性控制系统，即在安全软限时，将正常控制器切换到取代控制器。例如，蒸汽加热器的冷流体出口温度控制可采用出口温度和蒸汽压力的选择性控制系统，氨冷器的控制可采用该温度和液氨液位的选择性控制系统等，如图2-5所示。图4。2-5 氨冷器的选择性控制（2） 调节载热体的汽化温度改变载热体的汽化温度，引起平均温度差m的变化。以图2-6所示的氨冷器为例。由于控制阀安装在气氨管路上，因此，当控制阀开度变化时，气相压力变化，引起汽化温度变化，使平均温度差变化，改变了传热量，出口温度随之变化。该控制方案的特点如下： 改变气相压力，系统响应快，应用较广泛。 为了保证足够蒸发空间，需要维持液氨的液位恒定，为此，须增设液位控制系统，增加设备投资费用。 由于控制阀两端有压损，此外，为使控制阀能有效控制出口温度，应使设备有较高气相压力。为此，需要增大压缩机功率，并对设备耐压提出更高要求，使设备投资费用增加。图4。2-6 调节汽化温度的控制（3） 工艺介质分路上述控制方案在多数应用场合能够发挥很好的控制作用。但存在下列问题： 静态特性分析表明，载热体流量G2较大时，系统进入非线性饱和区，这时，增加载热体流量对出口温度的升高影响不大，控制作用减弱。 动态特性分析表明，相对流体输送设备，换热器是具有较大时间常数和时滞的被控对象。动态特性较差，采用改变载热体流量控制常常不够及时，系统超调量较大。为此提出工艺介质控制方案，其策略是将热流体和冷流体混合后的温度作为被控变量，热流体温度大于设定温度，冷流体温度低于设定温度，通过控制冷热流体流量的配比，使混合后的温度等于设定温度。可采用三通控制阀直接实现，也可采用两个控制阀（其中，一个为气开型，一个为气关型）实现，三通控制阀可采用分流（安装在入口）或合流（安装在出口）方式，图2-7所示为相应的控制方案。 (a) 用三通阀的分流控制 (b) 用两个阀的分流控制 图4。2-7 工艺介质控制系统工艺介质分路的特点： 对载热体流量不加控制，而对被加热流体进行分路，使饱和区发生在被加热流体流量较大时，因此，常用于传热面积较小的场合； 由于采用混合，因此动态响应快，用于多程换热器等时滞大的场合； 能耗较大，供热量应大于所需热量，常用于废热回收系统； 设备投资大，需要两个控制阀和一个控制器。采用三通控制阀时，如果换热器的阻力较小，则为了保证一定的压降比，控制阀两端压降只能取较小数值，造成控制阀口径很大。此外，控制阀流量特性的畸变也较严重。因此，也可采用两个控制阀组成分流或合流控制，需注意，与分流控制不同，两个控制阀的输入信号都是20100kPa，只是一个为气开型，另一个为气关型。4.2.5 调节传热面积改变传热面积Am，也能够改变传热速率，使传热量发生变化，达到控制出口温度的目的。由于冷凝温度与压力有关，如果被加热介质温度较低，需要热量较少，控制阀安装在蒸汽管线时，蒸汽可能冷却到沸点以下，使加热器一侧出现负压，造成冷凝液不能正常排放。冷凝液的积蓄造成传热面积较小，传热量减小，被加热介质温度下降，通过控制系统使载热体控制阀打开，蒸汽量增加，而传热面积不大的结果是使蒸汽压力升高，冷凝液在高压作用下被排出，随之，传热面积又增加，传热量增大，被加热介质温度上升，控制系统又使控制阀关小，蒸汽压力下降，冷凝液积蓄，这种周而复始的过程使被加热介质温度周期振荡，冷凝液呈现脉冲式排放。为此，当传热面积较小、被加热介质温度较低时，应采用调节传热面积的控制方案。调节传热面积的控制方案如图2-8所示，它将控制阀安装在冷凝液管线，由于冷凝液液位以下的液体不发生相变，因此给热系数比液位上部气相冷凝给热小，这种控制方案通过改变冷凝液液位来改变传热面积，达到控制被加热介质温度的目的。图4。2-8 调节传热面积的控制方案从静态看，控制阀安装在冷凝液管线，蒸汽压力得到保证，不会出现负压，不会出现冷凝液的脉冲式排放和被加热介质温度周期振荡。从动态看，从冷凝液流量变化，到液位变化，再到传热面