【正文】 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 1 摘要 目前 ,換熱器控制中大多數(shù)仍采用簡單控制系統(tǒng)及傳統(tǒng)的 PID 控制 ,以加熱（冷卻）介質(zhì)的流量作為調(diào)節(jié)手段 ,以被加熱（冷卻）工藝介質(zhì)的出口溫度作為被控量構(gòu)成控制系統(tǒng)。但是，由于換熱系統(tǒng)這種被控對象具有純滯后、大慣性、參數(shù)時變的非線性特點，傳統(tǒng)的 PID控制往往不能滿足其靜態(tài)、動態(tài)特性的要求。使換熱器普遍存在控制效果差，換熱效率低的現(xiàn)象，造成能源的浪費。如何提高換熱器的控制效果，提高換熱效率，對于緩解我國能源緊張的狀況，具有長遠的意義 本課題是針對換熱器實驗設(shè)備溫度控制改進提出的。設(shè)計中首先通過對現(xiàn)階段 換熱器出口溫度控制的特點進行分析，從而發(fā)現(xiàn)了制約控制效果進一步提高的瓶頸，為下一步改善換熱器的控制效果提供了理論依據(jù)。然后根據(jù)換熱系統(tǒng)組成、控制流程的特點對換熱器溫度控制系統(tǒng)建立數(shù)學模型。再根據(jù)所建立的數(shù)學模型，聯(lián)系換熱器溫度控制的特點，給出了相應的控制策略，提出了串級控制及前饋控制或串級 —反饋，前饋 —反饋等復雜控制系統(tǒng)，來滿足對于存在大的負荷干擾且和控制品質(zhì)要求較高的應用場合。 關(guān)鍵字：換熱器、數(shù)學模型、 PID 、出口溫度控制、串級控制 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 2 前言 換熱器是國民經(jīng)濟和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中應用十分廣泛的熱量交換 設(shè)備。隨著現(xiàn)代新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷開發(fā)和能源問題的日趨嚴重，世界各國已普遍把石油化工深度加工和能源綜合利用擺到十分重要的位置。換熱器因而面臨著新的挑戰(zhàn)。換熱器的性能對產(chǎn)品質(zhì)量、能量利用率以及系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性和可靠性起著重要的作用，有時甚至是決定性的作用。在繼續(xù)提高設(shè)備熱效率的同時，促進換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)緊湊性，產(chǎn)品系列化、標準化和專業(yè)化，并朝大型化的方向發(fā)展。隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的加快，以及全球發(fā)展中國家經(jīng)濟的增長，國內(nèi)市場和出口市場對換熱器的需求量將會保持增長，客觀上為我國換熱器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提 供了廣闊的市場空間。從市場需求來看，在國家大力投資的刺激下，我國國民經(jīng)濟仍將保持較快發(fā)展。石油化工、能源電力、環(huán)境保護等行業(yè)仍然保持穩(wěn)定增長，大型乙烯項目、大規(guī)模的核電站建設(shè)、大型風力發(fā)電場的建設(shè)、太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中多晶硅產(chǎn)量的迅速增長、大型環(huán)境保護工程的開工建設(shè)、海水淡化工程的日益成熟，都將對換熱器產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的拉動。 未來 換 熱器將會朝著更加節(jié)能環(huán)保和美觀實用的角度不斷創(chuàng)新與發(fā)展，短時期鋼制柱式散熱器和銅鋁復合散熱器任將會是市場主流產(chǎn)品與選擇。 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 1 1 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)概述 設(shè)計目的 換熱器作為石油、化工、輕工業(yè)生產(chǎn)中重要的生產(chǎn)設(shè)備，除本身設(shè)計上應達到一定的性能指標外，在對它的控制上也應達到工藝的要求指標。尤其是對它的出口溫度控制，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)過程的安全。因此，設(shè)計出一套高性能的控制系統(tǒng)是解決這一問題的關(guān)鍵，本文正是基于這一目的，對換熱器出口溫度控制進行了研究。 當前，換熱器出口溫度控制還面臨兩大急需解決的問題： 結(jié)構(gòu)龐大 ,成本昂貴，極大地阻礙了換熱器工業(yè)化應用進程； 過渡段的銜接不合理，導致部分熱管處于不工作和非正常工 作狀態(tài)。 要解決好上述問題的關(guān)鍵是優(yōu)化換熱器結(jié)構(gòu)有兩個途徑：一是對換熱器出口溫度控制方案的強化研究；二是合理預測工業(yè)環(huán)境下對換熱器出口溫度的干擾因素，研制出新型的抗干擾方法，二者的優(yōu)化組合研究是今后換熱器出口溫度控制優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的方向。過渡段的強化傳熱對優(yōu)化換熱器出口溫度起著非常重要的作用。 在生產(chǎn)過程中，由于換熱器管板受水分沖刷、氣蝕和微量化學介質(zhì)的腐蝕，線路老化等原因?qū)е鲁杀镜脑黾?。通過 福世藍 高分子復合材料的耐腐蝕性和抗沖刷性，在以后的定期維修時，也可以涂抹福世藍高分子復合材料來保護裸露的金屬；即使使用后出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，也可以通過福世藍技術(shù)及時修復，避免了長時間的堆焊維修影響生產(chǎn) [2]。正是由于此種精細化的管理，才使得 換熱器滲漏 問題出現(xiàn)的概率大大降低，不僅降低了換熱器的設(shè)備采購成本，更保證了產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時間，提高了產(chǎn)品競爭力。 換熱器出口溫度 控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應用取得成功，并已收到了令人滿意的實際效果。根據(jù)現(xiàn)場測試的參數(shù)表明，因而在某些特定工況條件下的應用也是無法取代的?；厥绽昧蠛哪芄I(yè) (冶金、化工、煉油、玻璃、水泥及陶瓷 )的高溫余熱，使這些領(lǐng)域的能源利用率達到一個新的水平。由以上可以預見，換熱器出口溫度控制將具有廣闊的推廣應用前景，對工業(yè)生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。 通過大量資料獲悉：目前在國內(nèi)，對換熱器出口溫度的控制主要是雙重控制和串級控制。 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 2 在一些要求不高的場合，則多采用單回路反饋控制，所采用的算法也多是常規(guī)的 PID 算法。 設(shè)計主要內(nèi)容 本文首先介紹換熱器的結(jié)構(gòu)裝置及換熱器的工藝流程，然后根據(jù)換熱器的特點選擇控制方案并進行了 PID算法的研究，最后進行仿真分析。本論文的結(jié)構(gòu)安排和主要內(nèi)容如下： 第一章首先指出了課題的背景、目的和主要研究內(nèi)容。 第二章介紹了換熱器工作原理及工藝流程，及換熱器的類型。 第三章介紹了控制系統(tǒng)的組成，重點介紹怎樣選擇 PID控制器，然后對其算法原理特點等一一做了介紹，并對其參數(shù)整定做了講解以便之后的仿真工作，并在這章中進行了控制方案的設(shè)計。 第四章針對系統(tǒng)進行仿真工作。首先介紹了 MATLAB/simulink。之后對單回路控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)、前饋 反饋控制系統(tǒng)建立 simulink模型，仿真出圖，觀察控制系統(tǒng)的特性，進一步了解各個控制系統(tǒng)。 最后對所做工作進行總結(jié)得出結(jié)論。 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 3 2 換熱器概述 ． 1 換熱器工藝流程 換熱器出口溫度控制系統(tǒng)流程圖 圖 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(shè)備。根據(jù)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)和前饋 控制系統(tǒng)。 溫度控制過程有如下特點：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)檢驗元件測溫并由溫度變送器轉(zhuǎn)換處理獲得測量信號，測量值與給定值的差值的送入調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器對偏差信號進行運算處理后輸出控制作用。 換熱器工作原理 換熱器的溫度控制系統(tǒng)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(jīng)換熱器的管程，出口溫度穩(wěn)定在設(shè)定值附近 。冷流體通過多級離心泵流經(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。 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 4 換熱器類型 換熱器的分類良多，可以按傳熱原理、結(jié)構(gòu)和用途等進行分類，按其結(jié)構(gòu)分類主要有管殼式和板式兩種。根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。 間壁式換熱器的類型 夾套式換熱器 這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成 ,結(jié)構(gòu)簡單 。但其加熱面受容器壁面限制 ,傳熱系數(shù)也不高 .為提高傳熱系數(shù)且使釜內(nèi)液體受熱均勻 ,可在釜內(nèi)安裝攪拌器 .當夾套中通入冷卻水或無相變的加熱劑時 ,亦可在夾套 中設(shè)置螺旋隔板或其它增加湍動的措施 ,以提高夾套一側(cè)的給熱系數(shù) .為補充傳熱面的不足 ,也可在釜內(nèi)部安裝蛇管 . 夾套式換熱器廣泛用于反應過程的加熱和冷卻。 沉浸式蛇管換熱器 這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應的形狀 ,并沉浸在容器內(nèi)的液體中 .蛇管換熱器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單 ,能承受高壓 ,可用耐腐蝕材料制造 。其缺點是容器內(nèi)液體湍動程度低 ,管外給熱系數(shù)小 .為提高傳熱系數(shù) ,容器內(nèi)可安裝攪拌器。 噴淋式換熱器 這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內(nèi)流動 ,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下 ,故也稱噴淋式冷卻器 .噴 淋式換熱器的管外是一層湍動程度較高的液膜 ,管外給熱系數(shù)較沉浸式增大很多 .另外 ,這種換熱器大多放置在空氣流通之處 ,冷卻水的蒸發(fā)亦帶走一部分熱量 ,可起到降低冷卻水溫度 ,增大傳熱推動力的作用 .因此 ,和沉浸式相比 ,噴淋式換熱器的傳熱效果大有改善。 套管式換熱器 套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管 ,并由 U形彎頭連接而成 .在這種換熱器中 ,一種流體走管內(nèi) ,另一種流體走環(huán)隙 ,兩者皆可得到較高的流速 ,故傳熱系數(shù)較大 .另外 ,在套管換熱器中 ,兩種流體可為純逆流 ,對數(shù)平均推動力較大。套管換熱器結(jié)構(gòu)簡單 ,能承受高壓 ,應用亦 方便 (可根據(jù)需要增減管段數(shù)目 ). 特別是由于套管換熱器同時具備傳熱系數(shù)大 ,傳熱推動力大及能夠承受高壓強的優(yōu)點 ,在超高壓生產(chǎn)過程 (例如操作壓力為 3000大氣壓的高壓聚乙烯生產(chǎn)過程 )中所用的換熱器幾乎全部是套管式。管殼式換熱器 管殼式 (又稱列管式 ) 換熱器是 遼寧石油化工大學職業(yè)技術(shù)學院 5