【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。也可以用溫度與蒸汽流量組成串級(jí)控制。由于串級(jí)控制系統(tǒng)不但克服了進(jìn)入副回路的干擾，也能進(jìn)入主回路的干擾，因此能大大改善對(duì)象特 性，控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)也提高。 綜上所述，上面介紹的控制蒸汽流量和控制換熱器有效換熱面積。這兩種方案及其它們各自改進(jìn)的串級(jí)控制系統(tǒng)，各有優(yōu)缺點(diǎn)?？刂普羝髁康姆桨竷?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，過(guò)度過(guò)程時(shí)間短，控制迅速，而缺點(diǎn)是需用較大口徑的蒸汽閥門、傳熱量變化比較劇烈，當(dāng)凝液冷卻到 100℃以下時(shí)，即常壓時(shí)的沸點(diǎn)以下，蒸汽的冷凝溫度降低，加熱器一側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓造成冷凝液的排放不暢，不能均勻的傳熱。在控制凝液排出量的方案中，控制閥裝在凝液排出管線上，蒸汽壓力有保證，不會(huì)形成上一種方案中出現(xiàn)的負(fù)壓，但它控制通道長(zhǎng)，變化遲緩，且需要 有較大的傳熱面積富裕量。由于傳熱過(guò)程變化緩慢，因此可以防止局部過(guò)熱，所以對(duì)一些過(guò)程后會(huì)引起化學(xué)變化的介質(zhì)比較適用。另外，蒸汽冷凝后變成凝液，它的體積比蒸汽體積小很多，那么控制系統(tǒng)中的閥門尺寸可以小一點(diǎn)。 由于本次設(shè)計(jì)方案，就是一種廢物利用，就是為了節(jié)約設(shè)計(jì)成本，而且能起到迅速控制簡(jiǎn)單易行的意圖，因此選用控制蒸汽流量的方法。 傳熱設(shè)備的控制目標(biāo) 在工業(yè)生產(chǎn)中，傳熱設(shè)備應(yīng)用很廣，其傳熱目的有四種： （ 1）使工藝介質(zhì)達(dá)到給定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其它工藝過(guò)程能很好進(jìn)行。 （ 2）在過(guò)程中加入所需吸收的熱 量或除去放出的熱量，使工藝過(guò)程能在規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 熱交換工藝及控制要求 8 （ 3）工藝介質(zhì)改變相態(tài)。 （ 4）回收熱能。 在傳熱設(shè)備中，大部分為第一和第二目的服務(wù)，把其實(shí)視為兩側(cè)無(wú)相變化。多數(shù)情況下被控變量為溫度，控制變量可視為不同應(yīng)用選擇熱量、載體流量等。而對(duì)于具有介質(zhì)相態(tài)變化，加熱器來(lái)講，介質(zhì)在工藝流程中伴隨相態(tài)。改變其控制具有一定選擇性，應(yīng)區(qū)別情況對(duì)待。在提高經(jīng)濟(jì)效益方面，傳熱設(shè)備作為熱量傳送，熱量裝置具有重要的地位，這與傳熱設(shè)備的效果直 接相關(guān)，而熱能的回收利用也在工業(yè)生產(chǎn)中擔(dān)當(dāng)重要的角色。攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制方案設(shè)計(jì) 9 3 控制方案設(shè)計(jì) 在工業(yè)生產(chǎn) 中，為了使工藝介質(zhì)達(dá)到給定的溫度，可以采用三種控制方案。 其中控制熱水（工業(yè)冷卻水）流量及控制蒸汽流量的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。還有采用熱水和蒸汽共同供熱的分程控制系統(tǒng)。我們是以工業(yè)冷卻水的余熱利用為指導(dǎo)思想。目前，我國(guó)普遍存在能源利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象。尤其在北方冬季取暖期，由于控制系統(tǒng)落后，空房取暖現(xiàn)象十分嚴(yán)重，造成大量不必要的浪費(fèi)。因此，工業(yè)冷卻水的余熱應(yīng)用于居民小區(qū)熱水供應(yīng)收到了良好的成效，既節(jié)約了能源，又給使用者帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的 應(yīng)用前景。 變量的選擇 變量的選擇十分重要，變量選 擇的好壞，直接關(guān)系的控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。以上所述的三種控制方案，參數(shù)的選擇基本一致，只是在一些參數(shù)的具體選擇上有些不同。 被控變量 生產(chǎn)過(guò)程中希望借助自動(dòng)控制保持恒定值（或按一定規(guī)律變化）的變量 稱為被控變量。在構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，被控變量的選擇十分重要。它關(guān)系到系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定操作、增加產(chǎn)量、提高質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、保證安全等目的，關(guān)系到控制方案的成敗。如果被控變量選擇不當(dāng)，不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管配上多么精密先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化裝置，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。 在熱水蒸汽共同供熱的熱 交換器的控制系統(tǒng)中，就是要使冷流體口溫度達(dá)到給定值。從整個(gè)控制過(guò)程來(lái)看，冷流體出口溫度 T 是可以測(cè)量出來(lái)的，能夠及時(shí)的與給定值進(jìn)行比較，做出偏差值，及時(shí)的控制生產(chǎn)工藝。溫度 T 是整個(gè)控制對(duì)象的輸出信號(hào)，是可以獨(dú)立控制的。綜上所述，物料的出口溫度 T在這個(gè)控制中起著關(guān)鍵作用，它與給定值的比較影響著整個(gè)控制回路的 運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，選出口溫度 T 為是被控變量。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制方案設(shè)計(jì) 10 操縱變量 在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，把 用來(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量稱為操縱變量。當(dāng)被控變量選定以后，接下去應(yīng)對(duì)工藝進(jìn)行分析，找出有那 些因素會(huì)影響被控變量發(fā)生變化的。一般來(lái)說(shuō)，影響被控變量的外部輸入有若干個(gè)而不是一個(gè)，在這些輸入中有些是可控的，有些是不可控的。原則上，是在諸多影響下被控變量的輸入中，選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而可控性良好的輸入，作為操縱變量，而其他未被選中的所有輸入量則視為系統(tǒng)的干擾。 從本次設(shè)計(jì)工藝分析可知，影響冷流體溫度 2T 的主要因素有：進(jìn)料的流量（ ?Q ），進(jìn)料熱流體溫度（ 1T ），蒸汽壓力的變 化（ P），加熱器內(nèi)部傳熱系數(shù)（ K）或 環(huán)境溫度的變化（ 1T ），蒸汽流量（ 蒸Q ），熱水流量（ 熱Q ）等等。這些因素都會(huì)影響被控變量（ 2T ）的變化。如圖 3 所示。 ?Q 1T P K 2T T 被控變量 蒸Q 熱Q 圖 3 影響冷物料出口溫度的各種因素示意圖 現(xiàn)在的問(wèn)題是選擇那一個(gè)變量作為操縱變量。為此，可先將這些影響因素分為兩大類，即可控的和不可 控的。從工藝角度看，本系統(tǒng)中只有熱水和蒸汽流量為可控因素，其他一般為不可控因素。當(dāng)然，在不可控因素中，有些也是可以調(diào)節(jié)的。如 ?Q 、蒸汽壓力 P 等，只是工藝上一般不允許這些變量去控制物料的出口溫度 2T （因?yàn)??Q 的波動(dòng)意味著生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)；蒸汽壓力的波動(dòng)意味著該交換器的工況不穩(wěn)定，并會(huì)破壞溫度與成分的單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，這些是不允許的。因此，將這些影響因素也看成是不可控的因素）。在兩個(gè)可控因 素中，蒸汽流量或熱水流量對(duì)物料出口溫度來(lái)說(shuō)是及時(shí)、顯著的。因此將兩者分別作為操縱變量。我們主要就是利用攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制方案設(shè)計(jì) 11 工業(yè)冷卻水供熱來(lái)達(dá)到節(jié)能。首先控制工業(yè)冷卻水流量達(dá)到工藝要求再控制蒸汽流量。由此來(lái)看，兩者都很重要，都可以作為操縱變量，只是有先后關(guān)系。 前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，在諸多影響被控變量的因素中，一旦選擇了其中一個(gè)作為操縱變量，那其余的影響因素都成了干擾變量。操縱變量與干擾變量作用在對(duì)象上，都會(huì)引起被控變量變化的。圖 4 是其示意圖。 干擾通道 干擾 操縱變量 被控變量 控制通道 圖 4 干擾通道與控制通道的關(guān)系 干擾變量由于干擾通道施加在對(duì)象上，起著破壞作用，使被控變量偏離給定值；操縱變量由控制通道施加到對(duì)象上，使被控變量回復(fù)到給定值，起著校正作用 。這是對(duì)相互矛盾的變量，它們對(duì)被控變量的影響都與對(duì)象特性有密切的關(guān)系。因此在選擇操縱變量時(shí)，要認(rèn)真分析對(duì)象特性，以提高控制 系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 簡(jiǎn)單控制方案 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是由一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)變送器（測(cè)量?jī)x表）、一個(gè)執(zhí)行器 （調(diào)節(jié)閥）和被控制物理對(duì)象所組成的控制系統(tǒng)。圖 5 是該系統(tǒng)的方框圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制方案設(shè)計(jì) 12 干擾 f 偏差 E P Q 給定值 R 溫度（ T） 測(cè)量值 Z 圖 5 換熱器溫度控制方框圖 由于控制系統(tǒng)只有一個(gè)回路，因此也稱單回路控制系統(tǒng)。從圖 5還可以看出，在該系統(tǒng)中有著一條從系統(tǒng)的輸出端引向輸入端的反饋路線，也就是說(shuō)該系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測(cè)量值與給定值的偏差來(lái)進(jìn)行控制的，這是簡(jiǎn)單反饋系統(tǒng)的又一特點(diǎn)。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所需的自動(dòng)化裝置數(shù)量少投資低操作維護(hù)也比較方便，而且在一般情況下，都能滿足控制質(zhì)量的要求。因此，這種 控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)某大型化肥廠統(tǒng)計(jì)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)約占控制系統(tǒng)總數(shù)的 85%左右。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是最基本的，應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。 下面簡(jiǎn)要介紹控制系統(tǒng)的各個(gè)組成部分。 1. 被控對(duì)象 從圖 5 看到，該控制系統(tǒng)由一個(gè)被控變量，即換熱器被加熱的出口溫度 T，一個(gè)被控對(duì)象，即換熱器；一個(gè)調(diào)節(jié)變量，即載熱體（熱水或蒸汽）的流量。調(diào)節(jié)變量是被控對(duì)象的輸入信號(hào)，被控變量是被控對(duì)象的輸出信號(hào)。從控制方框圖的角度看，被控對(duì)象換熱器只有一個(gè)輸入信號(hào)和一個(gè)輸出信號(hào)。換熱中其他對(duì)被控變量 T具有影響作用的因素都看作為干擾， 干擾有時(shí)在方框圖上不標(biāo)出。 2. 調(diào)節(jié)器 實(shí)際的調(diào)節(jié)器包括方框圖中的比較部分和調(diào)節(jié)器方塊兩部分，即用虛線框起來(lái)的部分。調(diào)節(jié)器可以是電動(dòng)Ⅱ型、Ⅲ型或 S 型調(diào)節(jié)器，甚至是工控計(jì)算機(jī)。它們的輸出信號(hào)都是電信號(hào)，可通過(guò)一只電／氣轉(zhuǎn)換器。將信號(hào)送至氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，也可以直接將電信號(hào)送至帶電氣閥門定位器的氣動(dòng)調(diào) 調(diào)節(jié)器 執(zhí)行器 （氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥冷卻水閥） 對(duì) 象 （ 換熱器 ） 溫度測(cè)量元件及變送器 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制方案設(shè)計(jì) 13 節(jié)閥。調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)是由測(cè)量及變送單元送來(lái)的被控變量溫度 T的測(cè)量值的信號(hào)，給定值與測(cè)量值的偏差送給調(diào)節(jié)器方塊作為輸入信號(hào)。調(diào)節(jié)器方塊實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。 常規(guī)的非數(shù)字式調(diào)節(jié)器包括比例（ P），比例積分（ PI），比例微分（ PD）和比例積分微分（ PID）四種調(diào)節(jié)規(guī)律。設(shè)置偏差 E 上升， P也上升。 E 下降， P 也下降。 3. 測(cè)量變送單元 由于要面對(duì)各種被測(cè)量信號(hào)及其環(huán)境，所以構(gòu)成該單元的儀表，比較復(fù)雜多樣。但從控制系統(tǒng)功能分析角度看，這一部分又最簡(jiǎn)單，就是把被控變量測(cè)量出來(lái)并轉(zhuǎn)換為調(diào)節(jié)器可以接受的信號(hào)。方框圖中所標(biāo)的被控溫度 T 是真實(shí)值，但這個(gè)真實(shí)值是無(wú)法確知的。我們所看到的僅僅是被控變量 T 的測(cè)量值 Z。設(shè)置為 T 上升， Z 也上升。 T 下降， Z 也下降。 4. 執(zhí)行器 過(guò)程控制中，執(zhí)行器以氣動(dòng)執(zhí)行器居多，電動(dòng)執(zhí)行器的用量在增加，但總量較少。氣動(dòng)執(zhí)行器接受調(diào)節(jié)器發(fā)出的控制信號(hào)，使閥門處于一個(gè)相應(yīng)的開(kāi)度，調(diào)節(jié)變量也就有一個(gè)相應(yīng)的流量作用于被控對(duì)象上，執(zhí)行器還可以根據(jù)控制系統(tǒng)的要求改變特性和作用方向。設(shè)置為 P 上升， Q也上升。P 下降， Q也下降。 控制熱水（工業(yè)冷卻水）的流量 工業(yè)冷卻水長(zhǎng)期排放，浪費(fèi)大。這些冷卻水都有一定的余熱，可以利用這些余熱通過(guò)熱交換器對(duì)（工藝介質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱）或?qū)λ訜幔_(dá)到一定的溫 度，用于小區(qū)熱水供應(yīng)進(jìn)行洗澡和清洗過(guò)程。在北方地 區(qū)應(yīng)用將更為普遍，冬季氣溫較低。工業(yè)上許多地方都可以利用冷卻水的余熱?，F(xiàn)在就設(shè)計(jì)了直接利用冷卻水余熱的控制方案，控制冷卻水的流量對(duì)其加熱。如圖