余热利用的自动控制系统设计(编辑修改稿)

余热利用的自动控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

也可以用温度与蒸汽流量组成串级控制。 由于串级控制系统不但克服了进入副回路的干扰，也能进入主回路的干扰，因此能大大改善对象特 性，控制系统品质指标也提高。 综上所述，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，过度过程时间短，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，不能均匀的传热。 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，所以对一些过程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小一点。 由于本次设计方案，就是一种废物利用，就是为了节约设计成本，而且能起到迅速控制简单易行的意图，因此选用控制蒸汽流量的方法。 传热设备的控制目标 在工业生产中，传热设备应用很广，其传热目的有四种： （ 1）使工艺介质达到给定的温度，以使化学反应或其它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。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 热交换工艺及控制要求 8 （ 3）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，把其实视为两侧无相变化。 多数情况下被控变量为温度，控制变量可视为不同应用选择热量、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，热量装置具有重要的地位，这与传热设备的效果直 接相关，而热能的回收利用也在工业生产中担当重要的角色。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制方案设计 9 3 控制方案设计 在工业生产 中，为了使工艺介质达到给定的温度，可以采用三种控制方案。 其中控制热水（工业冷却水）流量及控制蒸汽流量的简单控制系统。 还有采用热水和蒸汽共同供热的分程控制系统。 我们是以工业冷却水的余热利用为指导思想。 目前，我国普遍存在能源利用率低，浪费严重等现象。 尤其在北方冬季取暖期，由于控制系统落后，空房取暖现象十分严重，造成大量不必要的浪费。 因此，工业冷却水的余热应用于居民小区热水供应收到了良好的成效，既节约了能源，又给使用者带来了显著的经济效益，具有广阔的 应用前景。 变量的选择 变量的选择十分重要，变量选 择的好坏，直接关系的控制系统的优劣。 以上所述的三种控制方案，参数的选择基本一致，只是在一些参数的具体选择上有些不同。 被控变量 生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量 称为被控变量。 在构成一个自动控制系统时，被控变量的选择十分重要。 它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。 如果被控变量选择不当，不管组成什么形式的控制系统，也不管配上多么精密先进的工业自动化装置，都不能达到预期的控制效果。 在热水蒸汽共同供热的热 交换器的控制系统中，就是要使冷流体口温度达到给定值。 从整个控制过程来看，冷流体出口温度 T 是可以测量出来的，能够及时的与给定值进行比较，做出偏差值，及时的控制生产工艺。 温度 T 是整个控制对象的输出信号，是可以独立控制的。 综上所述，物料的出口温度 T在这个控制中起着关键作用，它与给定值的比较影响着整个控制回路的 运转，因此，选出口温度 T 为是被控变量。 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制方案设计 10 操纵变量 在自动控制系统中，把 用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为操纵变量。 当被控变量选定以后，接下去应对工艺进行分析，找出有那 些因素会影响被控变量发生变化的。 一般来说，影响被控变量的外部输入有若干个而不是一个，在这些输入中有些是可控的，有些是不可控的。 原则上，是在诸多影响下被控变量的输入中，选择一个对被控变量影响显著而可控性良好的输入，作为操纵变量，而其他未被选中的所有输入量则视为系统的干扰。 从本次设计工艺分析可知，影响冷流体温度 2T 的主要因素有：进料的流量（ Q ），进料热流体温度（ 1T ），蒸汽压力的变 化（ P），加热器内部传热系数（ K）或 环境温度的变化（ 1T ），蒸汽流量（ 蒸Q ），热水流量（ 热Q ）等等。 这些因素都会影响被控变量（ 2T ）的变化。 如图 3 所示。 Q 1T P K 2T T 被控变量 蒸Q 热Q 图 3 影响冷物料出口温度的各种因素示意图 现在的问题是选择那一个变量作为操纵变量。 为此，可先将这些影响因素分为两大类，即可控的和不可 控的。 从工艺角度看，本系统中只有热水和蒸汽流量为可控因素，其他一般为不可控因素。 当然，在不可控因素中，有些也是可以调节的。 如 Q 、蒸汽压力 P 等，只是工艺上一般不允许这些变量去控制物料的出口温度 2T （因为 Q 的波动意味着生产负荷的波动；蒸汽压力的波动意味着该交换器的工况不稳定，并会破坏温度与成分的单值对应关系，这些是不允许的。 因此，将这些影响因素也看成是不可控的因素）。 在两个可控因 素中，蒸汽流量或热水流量对物料出口温度来说是及时、显著的。 因此将两者分别作为操纵变量。 我们主要就是利用攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制方案设计 11 工业冷却水供热来达到节能。 首先控制工业冷却水流量达到工艺要求再控制蒸汽流量。 由此来看，两者都很重要，都可以作为操纵变量，只是有先后关系。 前面已经说过，在诸多影响被控变量的因素中，一旦选择了其中一个作为操纵变量，那其余的影响因素都成了干扰变量。 操纵变量与干扰变量作用在对象上，都会引起被控变量变化的。 图 4 是其示意图。 干扰通道 干扰 操纵变量 被控变量 控制通道 图 4 干扰通道与控制通道的关系 干扰变量由于干扰通道施加在对象上，起着破坏作用，使被控变量偏离给定值；操纵变量由控制通道施加到对象上，使被控变量回复到给定值，起着校正作用。 这是对相互矛盾的变量，它们对被控变量的影响都与对象特性有密切的关系。 因此在选择操纵变量时，要认真分析对象特性，以提高控制 系统的控制质量。 简单控制方案 简单控制系统是由一个调节器、一个变送器（测量仪表）、一个执行器 （调节阀）和被控制物理对象所组成的控制系统。 图 5 是该系统的方框图 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制方案设计 12 干扰 f 偏差 E P Q 给定值 R 温度（ T） 测量值 Z 图 5 换热器温度控制方框图 由于控制系统只有一个回路，因此也称单回路控制系统。 从图 5还可以看出，在该系统中有着一条从系统的输出端引向输入端的反馈路线，也就是说该系统中的控制器是根据被控变量的测量值与给定值的偏差来进行控制的，这是简单反馈系统的又一特点。 简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少投资低操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。 因此，这种 控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用。 据某大型化肥厂统计，简单控制系统约占控制系统总数的 85%左右。 简单控制系统是最基本的，应用最广泛的系统。 下面简要介绍控制系统的各个组成部分。 1. 被控对象 从图 5 看到，该控制系统由一个被控变量，即换热器被加热的出口温度 T，一个被控对象，即换热器；一个调节变量，即载热体（热水或蒸汽）的流量。 调节变量是被控对象的输入信号，被控变量是被控对象的输出信号。 从控制方框图的角度看，被控对象换热器只有一个输入信号和一个输出信号。 换热中其他对被控变量 T具有影响作用的因素都看作为干扰， 干扰有时在方框图上不标出。 2. 调节器 实际的调节器包括方框图中的比较部分和调节器方块两部分，即用虚线框起来的部分。 调节器可以是电动Ⅱ型、Ⅲ型或 S 型调节器，甚至是工控计算机。 它们的输出信号都是电信号，可通过一只电／气转换器。 将信号送至气动调节阀，也可以直接将电信号送至带电气阀门定位器的气动调 调节器 执行器 （气动调节阀冷却水阀） 对 象 （ 换热器 ） 温度测量元件及变送器 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 控制方案设计 13 节阀。 调节器的输入信号是由测量及变送单元送来的被控变量温度 T的测量值的信号，给定值与测量值的偏差送给调节器方块作为输入信号。 调节器方块实现各种调节规律，调节规律是调节器输入信号与输出信号之间的数学关系。 常规的非数字式调节器包括比例（ P），比例积分（ PI），比例微分（ PD）和比例积分微分（ PID）四种调节规律。 设置偏差 E 上升， P也上升。 E 下降， P 也下降。 3. 测量变送单元 由于要面对各种被测量信号及其环境，所以构成该单元的仪表，比较复杂多样。 但从控制系统功能分析角度看，这一部分又最简单，就是把被控变量测量出来并转换为调节器可以接受的信号。 方框图中所标的被控温度 T 是真实值，但这个真实值是无法确知的。 我们所看到的仅仅是被控变量 T 的测量值 Z。 设置为 T 上升， Z 也上升。 T 下降， Z 也下降。 4. 执行器 过程控制中，执行器以气动执行器居多，电动执行器的用量在增加，但总量较少。 气动执行器接受调节器发出的控制信号，使阀门处于一个相应的开度，调节变量也就有一个相应的流量作用于被控对象上，执行器还可以根据控制系统的要求改变特性和作用方向。 设置为 P 上升， Q也上升。 P 下降， Q也下降。 控制热水（工业冷却水）的流量 工业冷却水长期排放，浪费大。 这些冷却水都有一定的余热，可以利用这些余热通过热交换器对（工艺介质进行预热）或对水加热，达到一定的温 度，用于小区热水供应进行洗澡和清洗过程。 在北方地 区应用将更为普遍，冬季气温较低。 工业上许多地方都可以利用冷却水的余热。 现在就设计了直接利用冷却水余热的控制方案，控制冷却水的流量对其加热。 如图。