【文章內(nèi)容簡介】 間的函數(shù)，其變化規(guī)律需用偏微分方程來描述。要對這樣的動態(tài)方程進行精確的求解是很困難的。為此，在工程上有時為了能說明傳熱對象的動態(tài)特性的基本規(guī)律，也可近似應(yīng)用一些經(jīng)驗公式來加以描述。例如對于換熱器的動態(tài)特性，可以用下面的近似關(guān)系式來表示。 a．工藝介質(zhì)入口溫度對其出口溫度的影響，即ΔT1i→ΔT10通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為： （9—29）式中 K1——通道的靜態(tài)放大倍數(shù)； W1——換熱器內(nèi)工藝介質(zhì)儲存量； G1——工藝介質(zhì)的流量；τ=W1/G——工藝介質(zhì)在換熱器內(nèi)的停留時間。由式(9—29)看出，這個通道的動態(tài)特性近似為一個純滯后環(huán)節(jié)。b．載熱體入口溫度T2i、流量G2以及工藝介質(zhì)流量G1對工藝介質(zhì)出口溫度T10的影響，即T2i→TG1→TG2→T10三個通道的特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可近似表示為： （9—30）式中 K——各通道的靜態(tài)放大倍數(shù)；，WWGG2分別為工藝介質(zhì)和載熱體的儲存量、流量；。由式9—30)看出，這三個通道的動態(tài)特性均可近似為帶有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)。這種近似關(guān)系可以用圖9．26加以說明。從圖中可看出，要從載熱體把熱量傳遞到工藝介質(zhì)，必須先由載熱體傳給間壁，然后再由間壁傳給工藝介質(zhì)，這樣就成為一個二階慣性環(huán)節(jié)。此外，還考慮了由于停留時間所引起的純滯后。式(9—30)為一個近似的經(jīng)驗表達式，因為二階環(huán)節(jié)的兩個時間常數(shù)τl、τ2不僅取決于兩側(cè)流體的停留時間，而且與列管的厚度、材質(zhì)、結(jié)垢等情況有關(guān)。三、一般傳熱設(shè)備的控制一般傳熱設(shè)備通常指換熱器、蒸汽加熱器、再沸器、冷凝冷卻器等。1．換熱器的控制換熱器的控制基本方案有兩類：一是以載熱劑的流量為操縱變量，另一個是對工藝介質(zhì)的旁路控制。現(xiàn)分別從控制機理、控制方案的特點以及需注意問題等幾方面作必要的討論。（1）控制載熱體流量載熱體G2TC圖9．27 控制載熱體流量的方案工藝介質(zhì)G1這個方案的控制流程如圖9．27所示。其控制機理主要是從傳熱速率方程來分析通過G2的變化，是如何改變傳熱量Q的。對于本方案來說，隨著G2的增大，一方面使傳熱系數(shù)K增大，同時也把溫差△T增加了。這樣從傳熱速率方程q＝KF△T可以看出，K和△T同時增大，必將使傳熱量Q增大，從而達到當T10下降時，通過開大控制閥增加G2，增大傳熱量，把T10拉回到給定值的控制要求。 G1G2圖9．26 換熱器的傳熱情況這個方案主要特點是簡易，在換熱器溫度控制方案中最為常用的。但這種方案當G2已經(jīng)很大，T2i一T20較小時，進入飽和區(qū)控制就很遲鈍，此時不宜采用本方案。另外需注意的是，如載熱體流量不允許節(jié)流時，例如為廢熱回收，載熱體本身也是一種工藝物料。為此可對載熱體采用分流或合流形式，圖9．28所示即為對載熱體采用合流形式的控制方案。載熱體 G2G1工藝介質(zhì)TC圖9．28合流形式載熱體流量控制②工藝介質(zhì)的旁路控制工藝介質(zhì)的旁路同樣可分為分流與合流形式，圖9．29為分流形式的工藝介質(zhì)旁路控制。其中一部分工藝介質(zhì)經(jīng)換熱器，另一部分走旁路。這種方案從控制機理來看，實際上是一個混合過程，所以反應(yīng)迅速及時，適用于停留時間長的換熱器。但需注意的是換熱器必須有富裕的傳熱面，而且載熱體流量一直處于高負荷下，這在采用專門的熱劑或冷劑時是不經(jīng)濟的。然而對于某些熱量回收系統(tǒng)，載熱體是某種工藝介質(zhì)，總量本來不好調(diào)節(jié)，這時便不成為缺點了。T1iTCTCFCG1＋G2G1G2圖9．29 將工藝介質(zhì)分路的方案圖9．210換熱器前饋－串級控制前饋控制模型上述兩種是換熱器的基本控制方案，在實際生產(chǎn)過程中，可以應(yīng)用一些復(fù)雜控制系統(tǒng)。圖9．210即為換熱器的前饋—串級控制系統(tǒng)，用于及時克服工藝介質(zhì)的入口溫度和流量兩個擾動因素。2．蒸汽加熱器的控制蒸汽加熱器的載熱劑是蒸汽，通過蒸汽冷凝釋放熱量來加熱工藝介質(zhì)。水蒸氣是最常用的載熱劑。根據(jù)加熱溫度不同，也可采用其他介質(zhì)的蒸汽作為載熱劑。(1)控制載熱劑蒸汽的流量圖9．211所示為調(diào)節(jié)蒸汽流量的溫度控制方案。蒸汽在傳熱過程中起相變化，其傳熱機理是同時改變傳熱速率方程中的ΔT和傳熱面積F。當加熱器的傳熱面沒有富裕時，以改變ΔT為主；而在傳熱面有富裕時，以改變傳熱面F為主。這種控制方案控制靈敏，但是當采用低壓蒸汽作為熱源時，進入加熱器內(nèi)的蒸汽一側(cè)會產(chǎn)生負壓。此時，冷凝液將不能連續(xù)排出，采用此方案就需謹慎。(2)控制冷凝液排量圖9．212所示為調(diào)節(jié)冷凝液流量的控制方案。該方案的機理是通過冷凝液排放量的控制，改變了加熱器內(nèi)凝液的液位，導(dǎo)致傳熱面F的變化，從而改變傳熱量，以達到對出口溫度的控制。這種方案利于凝液的排放，傳熱變化較平緩，可防止局部過熱，有利于熱敏介質(zhì)的控制。此外，排放閥的口徑也小于蒸汽閥。但這種改變傳熱面的方案控制比較遲鈍。蒸汽 G2 TC凝液G1圖9．211 控制蒸汽流量的方案蒸汽 凝液TCG1圖9．212 控制冷凝管排放的方案為了改善控制冷凝液排量方案的遲鈍性，可以組成圖9．213所示的串級控制方案。在這個串級控制系統(tǒng)中，以工藝介質(zhì)出口溫度Tli作為主參數(shù)，以冷凝液液位作為副參數(shù)。有時也可采用圖9．214所示的控制方案。這個方案看起來好似一個串級控制系統(tǒng)，實質(zhì)上是一個前饋—反饋控制系統(tǒng)，使用中需按照前饋控制系統(tǒng)有關(guān)說明加以實施。蒸汽 G2G1TC凝液LC圖9．213 蒸汽加熱器T—L串級控制蒸汽 G2G1TC凝液FC圖9．214 蒸汽加熱器前饋控制3．冷凝冷卻器的控制冷凝冷卻器的載熱劑即冷劑，常采用液氨等制冷劑，利用它們在冷凝冷卻器內(nèi)蒸發(fā)，吸收工藝物料的大量熱量。它的控制方案常有以下幾類。氣氨液氨TCLC圖9．216 冷凝冷卻器T—L串級控制方案氣氨液氨TC圖9．215 控制載熱劑流量方案(1)控制載熱劑流量圖9．215所示為冷凝冷卻器調(diào)節(jié)載熱劑流量的控制方案。這種方案的機理也是通過改變傳熱速率方程中的傳熱面F來實現(xiàn)。該方案調(diào)節(jié)平穩(wěn)，冷量利用充分，且對壓縮機入口壓力無影響。但這種方案控制不夠靈活，另外蒸發(fā)空間不能得到保證，易引起氣氨帶液，損壞壓縮機，為此可采用圖9．216所示的出口溫度與液位的串級控制系統(tǒng)?；驁D9．217所示的選擇性控制系統(tǒng)。 (2)控制氣氨排量圖9．218 控制氣氨排量方案液氨LCTC氣氨冷凝冷卻器(氨冷器)控制氣氨排量的方案如圖9．218所示。該方案的機理是調(diào)節(jié)傳熱速率方程中的平均溫差△T。采用這種方案，控制靈敏迅速。但制冷系統(tǒng)必須許可壓縮機入口壓力的波動，另外冷量的利用不充分。為確保系統(tǒng)正常運行，還需設(shè)置一個液位控制系統(tǒng)。圖9．217 冷凝冷卻器選擇性控制TCLS液氨LC氣氨 四、鍋爐及加熱爐控制鍋爐是工業(yè)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的鍋爐，也向著大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。熱空氣送往爐膛265DSD過熱蒸汽送負荷設(shè)備Pm378給水（由水泵來）1燃料熱空氣圖9．219 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖 1一燃燒嘴；2一爐膛；3一汽包；4一減溫器；5一爐墻； 6一過熱器；7一省煤器；8一空氣預(yù)熱器冷空氣（由送風(fēng)機來）4圖9．219所示為鍋爐的主要設(shè)備和工藝流程，其蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。煙氣（經(jīng)引風(fēng)機送往煙囪）由圖9．219可知，燃料與熱空氣按一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽DS，然后經(jīng)過熱器，形成一定汽溫的過熱蒸汽D，再匯集到蒸汽母管。壓力為pm的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設(shè)備控制，供給負荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機送往煙囪，排入大氣。 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)。 ①鍋爐汽包水位控制。被控變量是汽包水位，操縱變量是給水流量。它主要是保持汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。這是保證了鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的重要指標。 ②鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制。有三個被控變量：蒸汽壓力(或負荷)、煙氣成分(經(jīng)濟燃燒指標)和爐膛負壓?？蛇x用的操縱變量也有三個：燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。組成的燃燒系統(tǒng)的控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負荷的需要；使燃料與空氣量之間保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐的安全運行；使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)。 ③過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。被控變量為過熱蒸汽溫度，操縱變量為減溫器的噴水量。使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超出工藝允許的溫度。 ④鍋爐水處理過程的控制。主要使鍋爐給水的水性能指標達到工藝要求。一般采用離子交換樹脂對水進行軟化處理。通常應(yīng)用程序控制，確保水處理和樹脂再生正常交替運行。 1．鍋爐汽包水位的控制 汽包水位是鍋爐運行的重要指標。保持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件。水位的過高、過低都會給鍋爐及蒸汽用戶的安全操作帶來不利的影響。首先水位過高會影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴重下降。如以此過熱蒸汽被用戶用來帶動汽輪機，則將因蒸汽帶液損壞汽輪機的葉片，造成運行的安全事故。然而，水位過低，則因汽包內(nèi)的水量較少，而負荷很大，加塊水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時加以控制，將有可能汽包內(nèi)的水全部汽化，尤其對大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。 (1)汽包水位的動態(tài)特性 由圖9．219可以看出，鍋爐的汽水系統(tǒng)能以圖9．220來表示其結(jié)構(gòu)。決定汽包水位的除了汽包中(包括循環(huán)水管)儲水量的多少外，也與水位下汽泡容積有關(guān)。而水位下汽泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關(guān)。在影響汽包水位的諸多因素中，以鍋爐蒸發(fā)量(蒸汽流量D)和給水流量W為主。下面?zhèn)戎赜懻摻o水流量與蒸汽流量作用下的水位變化的動態(tài)特性。τττWHH1tHt圖9．221 給水流量作用下水位 階躍響應(yīng)曲線7432816圖9．220 鍋爐汽水系統(tǒng) l—給水母管；2—給水控制閥；3—省煤器；4—汽包； 5—下降管；6—上升管；7—過熱器；8—蒸汽母管5①汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，即控制通道的特性。圖9．221是在給水流量作用下水位變化的階躍響應(yīng)曲線。如果把汽包和給水看作單容量無自衡對象，水位階躍響應(yīng)曲線將如圖中的Hl線。 由于給水溫度要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需從原有飽和水中吸取部分熱量，使水位下汽泡容積減少。當水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位將因汽包中儲水量的增加而上升。最后當水位下汽泡容積不再變化時，水位變化就完全反映了因儲水量的增加而直線上升。所以圖中H線是水位的實際變化曲線。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它近似于一個積分環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： （9—31）式中 Ko——飛升速度，即給水流量變化單位流量時水位的變化速度，； τ——純滯后時間。給水溫度越低，純滯后時間τ越大。通常τ在15—100秒之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，將使τ增加到100～200秒之間。DHH2tHH1t圖9．222蒸汽流量擾動作 用下的水位相應(yīng)曲線②汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。在蒸汽流量干擾作用下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖9．222所示。當蒸汽流量D突然增加，在燃料量不變的情況下，從鍋 爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽量D大于給水量W，水位變化應(yīng)如圖9．222中的曲線Hl。但實際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生閃蒸，水中汽泡迅速增加，因汽泡容積增加，而使水位變化的曲線如圖9．222中的H2。而實際顯示的水位響應(yīng)曲線H為Hl與H2的疊加，即H＝Hl+H2。從圖中可看出，當蒸汽量加大時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但