【正文】 年 月 日 目 錄 第 1 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 ................................................................................ V 第 2 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證 .......................................................................... V 第 3 章 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計(jì) ................................................................................................................ X 溫度傳感器的選擇 ................................................... X 流量變送器的選擇 .................................................. XI 調(diào)節(jié)器的選擇 ..................................................... XII IV 執(zhí)行器的選擇 ..................................................... XIV 變送器的選擇 ..................................................... XVI 調(diào)節(jié)閥的選擇 ..................................................... XIX 第 4 章 系統(tǒng)性能分析 ............................................................................................................ XIX 參數(shù)整定 .......................................................... XIX .................................................. XXII 第 5 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) ..........................................................................................................XXIV 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................XXVI V 第 1 章 換熱器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述 換熱器的應(yīng)用廣泛，比如中央空調(diào)系統(tǒng)，機(jī)械潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)，制藥消毒系統(tǒng)，飲料行業(yè)消毒系統(tǒng)，船用冷卻，化工行業(yè)特殊介質(zhì)冷卻系統(tǒng)日常生活中取暖用的暖氣散熱片、汽輪機(jī)裝置中的凝汽器和航 天火箭上的油冷卻器等，都是換熱器。它的主要功能是保證工藝過(guò)程對(duì)介質(zhì)所要求的特定溫度，同時(shí)也是提高能源利用率的主要設(shè)備之一。我國(guó)的能源利用率很低，只有 28%左右。 換熱器在節(jié)能技術(shù)改造中具有很重要的作用，表現(xiàn)在兩個(gè)方面 :一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗，同時(shí)，提高換熱器的控制效果，也可以充分滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于溫度的需求，顯著提高產(chǎn)品的質(zhì)量 。因此，換熱器的正確使用、合理設(shè)計(jì)、控制性能改善等對(duì)能源有效利用及開(kāi)發(fā)有著十分重要意義。分程控制系統(tǒng) VI 是根據(jù)工藝要求，需將調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)分段，去控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的調(diào)節(jié)閥，以便使每個(gè)調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)器輸出的某段信號(hào)范圍內(nèi)做全行程動(dòng)作。系統(tǒng)的流程圖和框圖如下所示： 圖 分程控制流程圖 換熱器 TT TC 冷凝水 熱物料 冷物料 蒸汽 A B 熱水 氣關(guān)閥 氣開(kāi)閥 VII 圖 分程控制系統(tǒng)框圖 但當(dāng)選擇分程系統(tǒng)的類(lèi)型的時(shí)候發(fā)現(xiàn)有兩種系統(tǒng)可以選擇。其中被加熱物料出口溫度為被控參數(shù)、蒸汽 入量和熱水入量為控制參數(shù)， A 閥控制熱水流量， B 閥控制蒸汽流量， A、 B 都使用氣關(guān)閥，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)從 增大時(shí)，閥門(mén) B 完全打開(kāi)，閥門(mén) A 由全開(kāi)狀態(tài)開(kāi)始關(guān)閉；當(dāng)信號(hào)達(dá)到 時(shí)，閥門(mén) A 完全關(guān)閉，而閥門(mén) B 則由全開(kāi)狀態(tài)開(kāi)始關(guān)閉；當(dāng)信號(hào)達(dá)到 時(shí)，閥門(mén) B 也完全關(guān)閉。其中被加熱物料出口溫度為被控參數(shù)、蒸汽入量和熱水入量為控制參數(shù)， A 閥控制 熱水流量， B 閥控制蒸汽流量，其中調(diào)節(jié)閥 A 為氣開(kāi)式、調(diào)節(jié)閥 B 為氣關(guān)式。分程曲線(xiàn)如下所示： 0 100 A 閥 B 閥 A 閥 B 閥 閥門(mén)開(kāi)度（％） 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào) /MPa IX 圖 調(diào)節(jié)閥異向動(dòng)作分程關(guān)系曲線(xiàn) 以上兩個(gè)方案都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱器的控制，方案一使用的分程控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用很廣泛，應(yīng)用形式也比較多，一般用于擴(kuò)大調(diào)節(jié)閥的可調(diào)范圍，改善調(diào)節(jié)閥的工作特性；用于同一被控參數(shù)兩 個(gè)不同介質(zhì)的生產(chǎn)過(guò)程。選擇方案二時(shí)，當(dāng)物料出口溫度過(guò)低時(shí)，蒸汽閥門(mén) B 全開(kāi)，閥門(mén) A 全閉，使物料溫度升高，當(dāng)出口溫度過(guò)高時(shí)，閥門(mén) B 關(guān)閉，閥門(mén) A 全開(kāi)。 綜上所述，調(diào)節(jié)閥異向動(dòng)作系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠應(yīng)對(duì)頻繁而劇烈的0 100 A 閥 B 閥 A 閥 B 閥 閥門(mén)開(kāi)度（％） 調(diào)節(jié)器輸出信號(hào) /MPa X 干擾，適用于對(duì)被控參數(shù)的精度要求較高的場(chǎng)合，所以本設(shè)計(jì)采用調(diào)節(jié)閥異向動(dòng)作系統(tǒng)。 100Pt 、熱電偶一體化溫度變送器測(cè)溫探頭采 100Pt 鉑電阻 J 、 K 、E 、熱電偶，精度高 ,穩(wěn)定性好 、 集傳感變送于一體，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便 ,精度高、功耗低 電流輸出型適合長(zhǎng)距離傳送 ,抗電磁干擾電路設(shè)計(jì)，保證變送器在受到各種干擾下能夠安全可靠的工作，適于現(xiàn)代電磁污染嚴(yán)重的環(huán)境使用，整體密封性能良好 ， 溫度量程和外形尺寸可以按戶(hù)要求訂貨 ,靈活方便 、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，過(guò)程連接接口靈活方便，體積小，重量輕，安裝位置任意、殼體保護(hù)材料多樣化，適應(yīng)多種介質(zhì)測(cè)量 。 LWC 插入式渦輪流量計(jì)的特點(diǎn)： 壓力損失小，葉輪具有防腐功能 ，采用先進(jìn)的超低功耗單片微機(jī)技術(shù)，整機(jī)功能強(qiáng)、功耗低、性能優(yōu)越。修正公式精度優(yōu)于 177。采用 EEPROM 對(duì)累積流量、儀表系數(shù)掉電保護(hù)，保護(hù)時(shí)間大于 10 年 。采用全硬質(zhì)合金（碳化鎢）屏蔽式懸臂梁結(jié)構(gòu)軸承，集轉(zhuǎn)動(dòng)軸承與壓力軸承于一體，大大提高了軸承壽命，并可在有少量泥沙與污物的介質(zhì)中工作。 容易維修，有自整流的結(jié)構(gòu)，小型輕巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在短時(shí)間內(nèi)將其組合拆開(kāi)，內(nèi)部清洗簡(jiǎn)單。 下限流速低 ,測(cè)量范圍寬，現(xiàn)場(chǎng)顯示型液晶屏顯示清晰直觀，功耗低， 3V 鋰電池供電可連續(xù)運(yùn)行 5 年以上，耐腐蝕，適用于酸堿溶液 。 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇應(yīng)滿(mǎn)足負(fù)反饋的控制要求。一般選擇邏輯推理法。具體定義為：若測(cè)量信號(hào)增加（隱含的假定是：設(shè)定值不變）調(diào)節(jié)器的比例作用的輸出也增加的稱(chēng)正作用，否則為反作用。 對(duì)于圖 所示的 串級(jí)控制系統(tǒng) ，其控制器正反作用的選擇步驟如下。 ② 設(shè)干擾使氨氣流量增加，即調(diào)節(jié)器測(cè)量值大于給定值，為保證系統(tǒng)的副反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)器輸出必須減小，才能使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。 ③ 根據(jù)以上分析可知為滿(mǎn)足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?，調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增大，而輸出值減小與測(cè)量值成反比，因此調(diào)節(jié)器定為反作用。 設(shè)主回路測(cè)量值氧化爐 溫度增加，即主調(diào)節(jié)器測(cè)量值大于給定值，先假 設(shè)主調(diào)節(jié)器為正作用，調(diào)節(jié)器輸出必然增大，也就是副調(diào)節(jié)器的給定值也增大。最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量增大，從而使氧化爐的溫度更高，整個(gè)系統(tǒng)成為正反饋，主參數(shù)不恢復(fù)到給定值。 、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律選擇 凡是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的場(chǎng)合，對(duì)象特性總有較大的滯后，主調(diào)節(jié)器采用三作用 PID 控制規(guī)律是必要的。從這個(gè)角度來(lái)講 ，副調(diào)節(jié)器不需要積分作用，一般只采用 P 作用。這樣可以將副回路的開(kāi)環(huán)靜態(tài)增益調(diào)整的較大，以提高克服干擾的能力；如果要加入微分作用，一定要采用“微分先行”，因?yàn)楦被芈肥莻€(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值是經(jīng)常變化的，調(diào)節(jié)器的微分作用，會(huì)引 XIV 起調(diào)節(jié)閥的大幅跳動(dòng)，并引起很大的超調(diào)。因此在實(shí)際生產(chǎn)上，流量（或液體壓力）副調(diào)節(jié)器常采用PI 作用，以減少系統(tǒng)的波動(dòng)。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩部分組成。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換為流通面積的變化，改變操縱變量的數(shù)值。 它們各有特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)合?；钊叫谐涕L(zhǎng)，適用于要求有較大推力的場(chǎng)合；而薄膜式行程較小，只能直接帶動(dòng)閥桿。 液動(dòng)執(zhí)行器的推力很大，現(xiàn)在一般都是機(jī)電一體化的，但比較笨重，所以現(xiàn)在很少有人使用。盡管電動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)幾年來(lái)不斷擴(kuò)大且有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)，但不如氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)在應(yīng)用上 XV 普遍。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇類(lèi)型主要考慮的因素性是： （ 1）可靠性 （ 2）經(jīng)濟(jì)性 （ 3）動(dòng)作平穩(wěn)，足夠的輸出力 （ 4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。氣開(kāi)控制閥指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過(guò)控制閥的流量增加；反之，氣關(guān)控制閥指當(dāng)輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號(hào)增加時(shí)，流過(guò)控制閥的流量減小。 分程控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，或者說(shuō)，只取決于主對(duì)象的特性，而與執(zhí)行器的氣開(kāi)、氣關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無(wú)關(guān)。由于副回路的作用總是使副變量跟隨主控制器的輸出變化而變化，不管副回路中副對(duì)象的特性及執(zhí)行器的特性如何，當(dāng)主控制器輸出增加時(shí)，副變量總是增加的，所以在主回路中，副回路這個(gè)環(huán)節(jié)的特性總是“正”作用方向的。主對(duì)象具有“正”作用特性 (即副變量增加時(shí)，主變量亦增加 )時(shí)，主控制器應(yīng)選“反”作用方向，反之，當(dāng)主對(duì)象具有“反”作用特性時(shí)，主控制器應(yīng)選“正”作用方向。 該產(chǎn)品具有良好的保溫保冷特性，且閥門(mén)的通徑與管徑一致，同時(shí)又能有效降低管路中介質(zhì)熱量損失。由于采用整體式結(jié)構(gòu)，因而保溫球閥比一般球閥何種更小，重量更輕，且無(wú)外漏，密封性能良好，夾套采用碳素鋼管焊接比鑄造的更加耐壓牢固。檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的工作原理圖如圖 所示。準(zhǔn)確指檢測(cè)元件和變送器能正確反映加熱爐的溫度，誤差應(yīng)?。谎杆僦笐?yīng)能及時(shí)反映加熱爐溫度的變化；可靠是檢測(cè)元件和變送器的基本要求，它能在環(huán)境檢測(cè)元件 變送器 過(guò)程變量 溫度 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) XVII 工況下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。 檢測(cè)變送儀表的量程應(yīng)滿(mǎn)足讀數(shù)誤差的精確度要求，即 1C?? 。 （ 1）溫度變送器的選擇 在換熱器溫度串級(jí) 控制系統(tǒng)中可以選用 SBWR 、 SBWZ 系列熱電偶溫度變送器，該變送器是 DDZ 系列儀表中的現(xiàn)場(chǎng)安裝式溫度變送器單元，與工業(yè)熱電偶配套使用，它采用二線(xiàn)制傳輸方式。 該溫度變送器可直接安裝在熱電偶的接線(xiàn)盒內(nèi)與 之形成一體化結(jié)構(gòu)。 ① 主要特點(diǎn) ，因此耐震、耐濕、適合在惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安裝使用。這樣既節(jié)約了昂貴的補(bǔ)償導(dǎo) 線(xiàn)費(fèi)用，又提高了信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。 、功耗低，使用環(huán)境溫度范圍寬，工作穩(wěn)定可靠。經(jīng)調(diào)零后的信號(hào)輸入到運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大的信號(hào)一路經(jīng) VI轉(zhuǎn)換器計(jì)算 處理以后以 4 20mA 直流電流輸出；另一路經(jīng) AD轉(zhuǎn)換器處理后到表頭顯示。 ③ 技術(shù)參數(shù) ：熱電偶： K 、 E 、 J 、 B 、 S 、 T 、 N 。 ：在量程范圍內(nèi)輸出 4 20mA 直流信號(hào)，與熱電偶輸入信號(hào)成線(xiàn)性。 ：采用鎳鉻 — 康銅材質(zhì)的熱電偶溫度變送器，其測(cè)溫范圍為： 0 1000C? 。 EJA 智能采用 XIX 數(shù)字化傳感器 — 單晶硅諧振式傳感器，傳感器輸出一對(duì)差值數(shù)字信號(hào)，在傳感器部分直接消除外界干 擾。 調(diào)節(jié)閥的選擇 1．氣開(kāi)、氣關(guān)的選擇： 本系統(tǒng)為換熱器溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)的工作原理分析，閥門(mén) A（熱水）為氣開(kāi)閥，閥門(mén) B（蒸汽）為氣關(guān)。因?yàn)榈劝俜直刃烷y門(mén)在小開(kāi)度時(shí)控制作用和在大開(kāi)度時(shí)控制能力相等，這對(duì)于蒸汽的控制是有利的。 （ 1）逐步逼近法 逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。