传热设备的自动控制

               第四节  传热设备的自动控制

   
 
  在化工生产中,工艺过程往往要求在一定的温度下进行。为此,必须适时地定量或按一定速率输入或输出热量,称之为传热。传热是化工过程中最常见的单元操作之一,承担热量传递的设备为传热设备。为保证热量的合理利用,必须了解传热过程的基本规律,根据传热的目的制订其相应的控制方案。

   一、传热设备的控制目标

     在化工生产中,传热设备应用很广,其传热目的主要有四种。

    (l)使工艺介质达到规定的温度,以使化学反应或其他工艺过程能很好进行。

    (2)在过程中加入所需吸收的热量或除去放出的热量,使工艺过程能在规定的范围内进行。

    (3)使工艺介质改变相态。

    (4)回收热能。

    在传热设备中,大部分为第一和第二目的服务,把其视为两侧无相变化。多数情况下,被控变量为温度,控制变量可视不同应用选择热量、载体流量等。而对于具有介质相态变化,加热器和冷凝器来讲,介质在工艺流程中伴随相态改变其控制具有一定选择性,应区别情况对待。在提高经济效益方面,传热设备作为热量传送、热量交换装置具有重要的地位,这与传热设备的控制效果直接相关,而热能的回收利用也在化工生产中担当重要的角色。

    对于传热设备的自动控制,本节按传热两侧有无相变化分别讨论,对其控制作综合介绍。

    二、一般传热设备的控制方案

    传热设备一般以对流传热为主,最常见的传热设备有换热器、蒸汽加热器、氨冷器、再沸器等,其中以间壁式换热器应用最为普遍。这些传热设备在控制中有一些共性,在大多数情况下,都是以工艺介质的出口温度为被控变量,而操纵变量通常是载热体的流量。然而控制方案可以有多种形式,为了保证传热设备中工艺介质的出口温度恒定在给定值上,从传热学角度可知需要对传热量进行控制,经常有以下几种方案。

  1.控制载热体的流量

控制载热体流量可以稳定被加热介质出口温度,控制方案如图35所示。从传热基本方程式可以解释这种方案的工作原理。

           

在传热设备的热交换过程中,被加热的工艺介质获得的热量为

          Q=G2c2(t2-t1

    载热体放出的热量为

          Q=G1c1(T1-T2

    如果忽略传热过程中损失掉的热量,那么热流体放出的热量应该等于冷流体所获得的热量,这样可写出下列热量平衡方程式:

          Q=G1c1(T1-T2)=G2c2(t2-t1   (13)

式中,Q——单位时间内传递的热量;

    G1,G2——分别为载热体和冷流体的流量;

    c1,c2——分别为载热体和冷流体的比热容;

    T1,T2——分别为载热体的入口和出口温度;

    T1,t2——分别为冷流体的入口和出口温度;

    另外,热量总是从高温物体向低温物体传递,物体间的温差是传热的动力,温差越大,传递速率越大。传热过程中传热的速率可按下式计算:        Q=KFΔtm            (14)

式中,K——传热系数;

      F——传热面积;

    Δtm——两流体间的平均温差。

    从传热学角度来看,冷热流体之间的传热量既要符合热量平衡方程式(13),又要符合传热速率方程式(14),所以得出如下方程式:    G2c2(t2-t1)=KFΔtm            (15)

整理后可得                      (16)

    上式表明,假如让传热设备的传热面积F以及进入传热设备的冷流体的进口流量G2、温度t1及比热容c2保持不变,那么影响冷流体出口温度t2的因素主要是传热系数K及平均温差Δtm。而载热体流量的改变能有效地改变传热过程中的Δtm,从而也就改变了传热量,所以采用这个方案能满足要求。例如,由于某种原因使进入换热器的冷流体的量增加了,致使冷流体的出口温度t2降低,那么控制器FC就会开大阀门以增加载热体的流量,载热体的出口温度T2将要上升,这就必然导致冷热流体平均温差Δtm上升,根据式(16)可知冷流体的出口温度t2也将上升,从而使t2维持在所要求的给定值上。所以此种方案实质上是通过改变平均温差Δtm来控制工艺介质出口温度t2的。另外,载热体流量的变化也会引起传热系数K的变化,由于这种影响不会太大,可以不考虑。

换热器的控制方案中应用最为普遍的是改变载热体流量,这种方案最简单,经常用于载热体流量的变化对温度影响较灵敏,并且载热体上游压力比较平稳的场合。如果载热体本身压力不稳定,则可采取稳压措施使其稳定,或采用如图36所示串级控制系统,在这个串级系统中,出口温度t2为主变量、载热体的流量为副变量。

       

  图36  温度流量串级控制系统   图37 载体为工艺流体时的控制方案
 

    2.控制载热体旁路流量

    如果载热体是生产过程中的工艺流体,它的流量不能随意变动,我们就要采用调节载热体旁路流量的控制方案,如图37所示。这种控制方案的原理与前一种一样,也是利用改变温差Δtm的办法来达到让换热器出口的工艺介质的温度恒定在给定值上的目的。该方案通过三通阀让一部分的载热体进入换热器换热,另一部分的载热体直接旁路,这样既可以改变进入换热器的载热体流量,又可以满足载热体的总流量不变的要求。该方案适用于载热体为工艺主要介质的场合。

    通常不用直通阀来直接控制旁路的流量,这是由于当换热器内部流体阻力小的时候,控制阀前后产生的压降很小,这样必须选口径很大的控制阀,从而引起阀的流量特性畸变,影响控制质量。

    3.控制被加热流体自身流量

在换热器的控制中,我们也可以控制被加热流体的自身流量,如图38所示,这种控制方案不是将控制阀安装在输送载热体的管道上,而是安装在输送被加热流体的管道上,操纵变量是被加热流体。由式(16)可知,当被加热流体流量 G2越大,它的出口温度 t2就越低。这是由于G2越大,流体的流动速度越快,冷、热流体的换热过程不充分,这样会使流体的出口温度有所下降。在本方案中,根据出口温度t2的大小来控制进入换热器的被加热流体的量,同样也能达到控制出口温度t2恒定的目的。它仅仅适用于所要求被加热的工艺介质的流量允许有变化的场合。如果不允许工艺介质的流量有变化,那么就要考虑用其它的控制方案。

             

38控制被加热流体自身流量控制方案     图39 被加热流体流量旁路的控制
 

    4.控制被加热流体自身流量的旁路

    在生产过程中,工艺上不允许控制被加热的工艺介质的总流量,可采用图39所示的控制方案。该方案采用三通控制阀让一部分工艺介质进换热器换热,另一部分工艺介质直接旁路通过,然后两者混合起来。它实际上是一个混合过程,所以反应迅速及时,是很有效的调节手段。

    这种控制方案从原理来讲与第三种方案相同,都是通过改变被加热流体自身流量来控制出口温度的,只不过是采用三通控制阀来改变被加热流体流量,从而改变进入换热器的被加热流体流量与旁路流量之间的比例关系。

    但是,本方案不适用于工艺介质流量和传热面积较大的情况,这样会使载热体一直处于高负荷下工作,这在采用专门热剂或冷剂时是不经济的。然而对于某些热量回收系统,载热体本身就是某种工艺介质,其流量本来就不好控制,这就不成为缺点了。

   三、一侧有相变的加热器的自动控制

    在石油、化工生产中,经常见到利用蒸汽冷凝来加热介质的加热器。这种加热器叫蒸汽加热器,它是利用蒸汽冷凝有汽相变为液相时放出大量的热量,再通过加热器的管壁来加热工艺介质的。假如要将工艺介质加热到200以上时,经常要使用一些专门的有机化合物作为载热体。

    蒸汽冷凝的传热过程不同于上一节介绍的两侧均无相变的传热过程。它在整个冷凝过程中温度保持不变但有相变。传热过程分两阶段完成:先冷凝再降温。在一般情况下,由于蒸汽冷凝所发出的热量要比凝液降温时所发出的热量大得多,所以为简化起见,就不考虑凝液降温所发出的那部分热量。当仅考虑蒸汽冷凝所发出的热量时,工艺介质吸收的热量应该等于蒸汽冷凝时放出的热量,因此,我们就能写出下列热量平衡方程式:

       Q=G1c1(t2-t1)= G2·λ         (17)

式中 Q——单位时间传递的热量;

     G1——被加热介质流量;

     G2——蒸汽流量;

     c1——被加热介质比热容;

     t1,t2——分别为被加热介质的入口、出口温度;

     λ——蒸汽的汽化潜热。

传热速率方程式仍为

            Q=G2λ=KFΔtm                          (18)

式中,K、F、Δtm的意义同式(14)。

    如果被控变量是被加热介质的出口温度t2,我们可以考虑用控制进入的蒸汽流量G2和通过改变冷凝液排出量以控制冷凝的有效面积F这两种方案。下面分别介绍:

    1.控制蒸汽流量

在实际生产过程中,经常利用控制蒸汽流量来稳定被加热介质的出口温度。在这种控制方案中,假如蒸汽压力自身比较稳定,可采用图40所示的简单控制方案。而当阀前蒸汽压力有波动时,它会影响进入加热器的蒸汽流量,此时需要对蒸汽总管的压力进行控制;或者采用串级控制系统,以出口温度为主参数,以蒸汽流量(或压力)为副参数。一般来说,设压力定值控制比较方便,但对于除压力波动以外的干扰就不能克服了,而采用温度与流量(或压力)的串级控制,它对于副环内的其余干扰,或者阀门特性不够完善的情况,也能有所克服,这就是串级系统的好处。

         

  图40 控制蒸汽流量的方案      图41控制换热器的有效       42温度与冷凝液位的串级控制

     换热面积的方案图
 

2.控制换热器的有效换热面积

从传热速率方程式Q=KFΔtm来看,假如让传热系数和传热平均温差基本保持不变,那么改变传热面积也可以改变传热量,从而达到控制出口温度的目的。如图41所示,这种方案将控制阀装在凝液管线上,通过调节控制阀的开度来控制冷凝液的排出量。如果某种原因使得被加热物料出口温度高于给定值,表明传热量过大,此时可通过控制器的作用将凝液管线上的控制阀关小,蒸汽的凝液就会积聚起来,蒸汽冷凝的有效换热面积F就会减少了,从而传热量也减少,工艺介质出口温度就会回复到给定值上来;反之亦然。

在这种控制方案中,冷凝液积聚起来达到改变传热面积的过程是一个积分过程,因此调节起来比较迟钝,变化较缓慢。如果工艺介质温度偏离给定值,往往需要很长时间才能回复到给定值。传热面积改变过程的滞后将降低控制质量,有时须设法克服。比较有效的办法就是采用串级控制方案,可以用温度与凝液的液位组成串级控制,如图42所示。也可以用温度与蒸汽流量组成串级控制,如图43所示。由于串级控制系统不但克服了进入副回路的干扰,也能克服进入主回路的干扰,因此能大大改善对象特性,控制系统品质指标也提高了。

上面介绍的控制蒸汽流量和控制换热器有效换热面积这两种方案及其它们各自改进的串级控制系统,各有优缺点。控制蒸汽流量的方案优点是简单易行、过渡过程时间短、控制迅速,而缺点是需用较大口径的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈,当凝液冷却到100℃以下时,即常压时的沸点以下,蒸汽的冷凝温度降低,加热器一侧会产生负压,造成冷凝液的排放不畅,不能均匀地传热。在控制凝液排出量的方案中,控制阀装在凝液排出管线上,蒸汽压力有保证,不会形成上一种方案中出现的负压。但它控制通道长、变化迟缓,且需要有较大的传热面积富裕量。由于传热过程变化缓慢,因此可以防止局部过热,所以对一些过热后会引起化学变化的介质比较适用。另外,蒸汽冷凝后变成凝液,它的体积比蒸汽体积小很多,那么控制系统中的阀门尺寸可以选小一点。

     

  图43  温度与蒸汽流量的串级控制          图44 、图45  控制冷却剂流量的方案(1和2)

 

  四、冷却器的自动控制

    在石油、化工生产中,经常用水或空气作为冷却剂。但在有些场合,常常需要用一些专门的冷却剂才能达到某种物料的冷却温度。这些专门的冷却剂有液氨、乙烯、丙烯等。这些液体冷却剂在冷却器中由液体汽化为气体时带走大量热量,从而使另一种物料得以冷却。以液氨为例,在常压下它汽化时带走的热量可以使物料冷却到零下30℃。下面以氨冷器为例介绍几种控制方案。

    1.控制冷却剂的流量

    在氨冷器的控制中,常常用改变进入氨冷器的液氨流量的办法来控制被冷却介质的出口温度,如图44所示。当被冷却介质的出口温度上升时,通过温度控制器的作用开大控制阀的开度,这样就相应地增加了液氨进入量使氨冷器内液位上升,从而使液体传热面积增加,传热量亦增加,那么被冷却介质的出口温度就会下降,这样就能保证出口温度的恒定。

    氨冷器内的液位在这种控制方案中没有被控制,在实际生产过程中一定要注意氨冷器内的液位不能过高,如果液位过高会造成液氨蒸发空间不足,液氨不能充分蒸发,使出去的氨气中夹带大量液氨,这样会引起氨压缩机发生操作事故。因此,这种方案经常要设置液位的上限报警,或采用温度-液位自动选择性控制。当液氮的液位上升到上限值时,选择性控制系统自动把控制液氨的阀关小,甚至暂时关断。而图45所示方案中,操纵变量仍是液氨流量,但以液位作为副变量,以温度作为主变量构成串级控制系统。应用此类方案时也要对液位的上限值加以限制,以保证有足够的蒸发空间。这种方案的实质仍然是改变传热面积。但由于采用了串级控制,将液氨压力变化而引起液位变化的这一主要干扰包含在副环内,只要液氨的压力或流量发生变化,副回路立即动作克服它,这样就少影响甚至不影响出口温度,大大地提高了系统的控制质量,也达到了设计控制系统的目的。

    3.控制汽化压力

大家都知道,调节载热体的汽化温度可以改变传热平均温差N,同样可以达到调节传热量的目的。由于氨的汽化温度与压力有关,所以可以将控制阀装在气氨出口管道上,以达到控制出口温度的目的,如图46所示。

                       
  图46
用汽化压力控制温度
 

该方案的控制原理是:控制阀开度变化会引起氨冷器内汽化压力改变,于是相应的汽化温度也就改变了。当工艺介质出

口温度升高偏离给定值时,就开大氨气出口管道上的阀门,使氨冷器内压力下降,液氮温度也就下降,冷却剂与工艺介质间的温差Δtm增大,传热量就增大,工艺介质温度就会下降,这样就达到了控制工艺介质出口温度恒定的目的。但只控制冷却剂的流量还不行,为了保证液位不高于允许的上限值,使得液氨汽化有一定的空间,还要设置一液位控制系统来维持液位的高度。这类方案的动态特点是滞后小,反应迅速、有效,只要汽化压力稍有变化,就能很快影响汽化温度,达到控制工艺介质出口温度的目的。因此应用比较广泛。另外,由于控制阀安装在气氨出口管道上,故要求氨冷器要耐压。并且当气氨压力由于整个制冷系统的统一要求不能随意加以控制时,该方案就不能采用了。由于该系统有两套控制系统,这样就需要较多的仪表,投资增加。

    五、管式加热炉的控制方案

    管式加热炉是化工、炼油生产中常见的传热设备。在管式加热炉内,工艺的介质受热升温或同时进行汽化。控制目标是介质的出口温度、流量和压力。介质入炉前设有流量控制,介质入炉后设有压力控制,这样处理便于满足前后工艺上的需要,也有利于温度控制。

    在管式加热炉的温度控制系统中,一般以燃料油或燃料气的流量为操纵变量。为了保证加热炉的温度控制精度,不但要排除可能的干扰,而且还要改进控制回路的结构。

    加热炉的主要干扰因素有:处理量、进料成分、燃料总管压力、燃料成分、空气过量情况、燃料雾化情况、烟道阻力等等。在这些干扰因素中,处理量一般经流量控制,比较平稳;燃料总管压力设置压力控制环节,雾化蒸汽则与燃料压力保持一定的控制关系;其他因素应力求平稳。常见的加热炉温度控制方案有:

       

  图47 单回路温度控制         图48  炉出口温度与燃料流量的串级控制
 

     (l)单回路温度控制,如图47所示。该方案适用于对炉出口温度要求不十分严格,炉膛容量较小,外来干扰较小且缓慢的场合。

    (2)炉出口温度与燃料流量的串级控制,如图48所示。该控制可以克服燃料总管压力变化而引起燃料流量变化的干扰。并可以了解燃料消耗的状况。在这个控制方案中,对燃料流量测量特别是燃料油作为燃料时有一定要求。

    (3)炉出口温度与燃料压力串级控制。该控制系统主要用以克服燃料总管的压力干扰,且燃料的压力测量往往较流量测量简便些,但需防止烧嘴结焦形成部分堵塞造成阀后压力升高的虚假现象。当燃料为气体时,可采用浮动阀作为燃料的调节阀。

  (4)      炉出口温度与炉膛温度的串级控制,如图49所示。以出口温度控制为主回路,炉膛的温度控制为副回路。副回路能控制较多的干扰,如燃料压力波动,燃料热值的变化等,这种控制方案较适于双斜顶方箱管式加热炉。其实施的关键在于确定反应快、代表炉膛状况的测温点。

 

49  炉出口温度与炉膛温度的串级控制

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日期: 2009/6/1 9:48:01
作者: 史继斌
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