基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计论学士学位论文.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）

辽 宁 工 业 大 学

过程控制系统 课程设计（论文）

题目：基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 测控111班
学 号： 110301013
学生姓名： 金兆鑫
指导教师： 王铁超
起止时间： 2014年12月15-26日

本科生课程设计（论文）

摘 要
本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为140±2℃。当用热水加热不能满足出口温度要求时，则在同时使用蒸气加热。要求测量范围在0-180℃、控制温度140±2℃、最大偏差5℃，本次课程设计采用分程控制系统通过一个控制器控制两个阀门进而控制两个参数实现废水和蒸汽的换热过程，选择合适的温度变送器、温度控制器、电气阀门定位器、气动阀组成相应的控制系统实现题目要求，确定算法。进行仿真分析。本次设计特点是节省资源，不浪费热量。采用分程控制系统可以实现节能，通过MATLAB仿真进行分析总结。

关键词：换热器；分程控制；节能；算法

目 录
第1章 绪论 1
第2章 课程设计的方案论证 2
2.1 概述 2
2.1.1 系统对象特性分析 2
2.1.2 系统方案论证 2
2.1.3 确定设计方案 3
2.2 系统组成总体结构 4
第3章 各种仪表的设计选择 5
3.1 温度变送器的选择设计 5
3.2 阀门定位器的选择 6
3.3 执行器的选择设计 7
3.4 控制器的选择设计 8
3.5 PID控制算法 9
第4章 系统仿真或模拟调试 10
第5章 课程设计总结 12
参考文献 13

II
第1章 绪论
换热技术的发展，换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一。据统计, 在现代化学工业中换热器的投资大约占设备总投资的30% , 在炼油厂中占全部工艺设备的40% 左右, 海水淡化工艺装置则几乎全部是由换热器组成的。对国外换热器市场的调查表明, 虽然各种板式换热器的竞争力在上升,但管壳式换热器仍占主导地位约64% 。新型换热元件与高效换热器开发研究的结果表明, 列管式换热器已进入一个新的研究时期, 无论是换热器传热管件, 还是壳程的折流结构都比传统的管壳式换热器有了较大的改变, 其流体力学性能、换热效率、抗振与防垢效果从理论研究到结构设计等方面也均有了新的进步。目前各国为改善该换热器的传热性能开展了大量的研究, 主要包括管程结构和壳程结构强化传热的发展。
换热技术的应用前景，近几年来, 随着高温热管技术研究的不断成熟和深入, 高温热管换热器的应用领域逐渐扩大, 目前已广泛应用于工业、民用和国防等各个领域。在冶金、化学、陶瓷、建材及轻工等工业生产中, 常需要500℃以上的清洁空气以满足助燃、干燥和供氧等需要, 采用高温热管空气加热器可以轻易地达到这一要求, 并且从根本上解决常规空气加热器所无法解决的传热难题。 
高温热管技术在喷雾干燥中的应用取得成功, 并已收到了令人满意的实际效果。根据现场测试的参数表明, 高温热管换热器达到的某些性能指标, 是其他类型热风发生器所达不到的, 因而在某些特定工况条件下的应用也是无法取代的

换热器的国内现状，照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为：管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器（包括板片式换热器和板翅式换热器）。对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面。节能减排已成为我国“十二五”期间重要战略的举措，高效节能换热器的研究也成为当今地下换热领域研究的热点。所以现在的换热器越来越向高精尖的技术水品发展

14

第2章 课程设计的方案论证
2.1 概述
本次课设为基于废水和蒸汽的换热器温度控制系统设计，任务是冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热，工艺要求出口温度为140±2℃。当用热水加热不能满足出口温度要求时，则在同时使用蒸气加热。要求测量范围在0-180℃、控制温度140±2℃、最大偏差5℃。运用MATLAB仿真观察出口温度是否满足设计要求。
2.1.1 系统对象特性分析
本次设计主要是在某生产过程中，冷物料通过热交换器用热水（工业废水）和蒸汽对其进行加热。被控对象是换热器出口温度。控制对象是蒸汽阀和热水（工业废水）阀。通过PID运算对被控对象进行温度控制。
应用场合: 换热器是化工、石油、能源等各工业中应用相当广泛的单元设备之一，在多种化工厂应用非常广泛是目前节省热能的主要工业手段。
系统功能介绍: 本系统的功能是利用蒸汽和工业废水对换热器进行温度转换，使热能应用到其他地方，以节省热能。本系统采用两种变量来控制换热器出口温度，使系统更加节能，更加经济。
2.1.2 系统方案论证
方案一：利用两个单回路控制系统分别控制蒸汽和工业废水，对换热器进行换热，保证出口温度始终保持在140±2℃，即满足设计要求。该方案优点是控制简单，有良好的经济性，执行起来方便。缺点是两个变量之间没有联系，而且相对来讲浪费能源，不能保证最节约的形式。该方案总体框图如图2.1所示。

图21单回路控制系统

方案二：利用分程控制系统控制废水和蒸汽的换热器控制，通过一个控制器来控制两个阀门，一个阀门控制蒸汽流量，另一个阀门控制热水（工业废水）流量，通过协调作用来保证换热器出口温度保持在140±2℃，该方案的优点是，通过一个控制器完成两个控制变量的相互协调可以再利用PID算法减小偏差，更加节省物料。该设计方案的缺点是分程控制的实现相对单回路而言比较复杂，执行起来不容易。分程控制总体结构框图如下图2.2所示。

图2.2分程控制系统
2.1.3 确定设计方案
分程控制系统是由单回路控制系统演变过来的，具有一个控制器可以控制多个阀门的控制系统，在实际生产中有一只控制器的输出信号分段分别去带动两个或两个以上的控制阀作用，每一个控制阀仅在控制器输出信号整个范围的某段信号内工作的控制方式称为分程控制。根据两个方案的比较以及设计要求，本次设计采用方案二。方案二可以对两个变量进行协调控制，效果会比两个互相没有联系的单回路控制要好。
在本设计系统中，温度控制器采用反作用方式，即当换热器出口温度低于要

求温度时控制器对两个阀的开度加大，因此蒸汽阀和热水阀都选用气开的形式，工作信号范围在A阀为19.6—58.9Kpa，B阀为58.9—98.1Kpa范围内，A阀开，B阀关，节省蒸汽。当换热器出口温度下降时温度控制器输出气压信号增强，当气压信号到58.9Kpa时，A阀全开B阀打开来保持出口温度。
2.2 系统组成总体结构
系统的组成总体结构图如下图2.3所示。

图2.3 总体结构图

第3章 各种仪表的设计选择
3.1 温度变送器的选择设计
在过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器，测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能控制的重要条件。测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视，因此，传感器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。 传感器与变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响传感器、变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。
本次课设采用SBWZ-2460温度变送器，此传感器采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等温度测量与控制。
量程：-50-200℃.
输出信号：4-20mA直流信号，与热电偶或热电阻的输入信号成线性。同时叠加符合HART标准协议通信信号.
基本误差：0.2%FS、0.5%FS；
接线方式：二线制、三线制；
显示方式：四位LCD显示温度；
工作电压：12-35V DC；
工作环境：环境温度-25-80℃；
相对温度5%-95%；
无腐蚀气体或类似环境；
如下图3.1所示为SBWZ-2460温度变送器实物图。

图3.1 SBWZ-2460温度变送器

3.2 阀门定位器的选择
本次设计由于采用气动阀门，所以需要用电气阀门定位器来实现温度控制器的输出电信号转换为气信号作用到阀门上，阀门定位器在生产生活中应用广泛。
本次设计采用HEP-17电气阀门定位器，其参数如下所示。
精度：小于全行程的1%；
回差：小于全行程的1%；
死区：小于全行程的0.4%；
特性：线性；
气源压力：0.14—0.16Mpa、0.17—0.5 Mpa；
电气连接：G1/2螺纹；
气管连接：卡套式气管接头；
外形尺寸：392.5*141.5*231（长宽高）；
HEP-17电气阀门定位器实物图如下图3.2所示

图3.2HEP-17电气阀门定位器
3.3 执行器的选择设计
执行器（final controlling element）是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。执行器也是控制系统正向通路中直接改变操纵变量的仪表，由执行机构和调节机构组成。
在过程控制系统中，执行器由执行机构和调节机构两部分组成。调节机构通过执行元件直接改变生产过程的参数，使生产过程满足预定的要求。执行机构则接受来自控制器的控制信息把它转换为驱动调节机构的输出（如角位移或直线位移输出）。它也采用适当的执行元件，但要求与调节机构不同。执行器直接安装在生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调节系统的安全性和可靠性。
自动调节阀是能够按照所输入的控制信号自动改变开度的阀门。自动调节阀按其工作能源形势可分为气动、电动、液动三大类。
本次课设执行器采用MA系列气动调节阀，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈S流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。参数如下所示。
公称通径：1—24；
阀体内型：直通式，角式；
执行机构：气动执行机构；
阀作用形式：气开式、气关式；
流量特性：快开、线性、等百分百；
类型：III型表；
MA系列气动调节阀实物图如下图3.3所示。

图3.3MA系列气动调节阀
3.4 控制器的选择设计
本次设计采用通用型PID温度控制器，型号为ZWS-42-1WS1L温度控制器，该表采用标准Modbus协议（RTU模式），无须制作驱动程序，通用性极好。该表具有多类型输入功能，一台仪表可以配接不同的输入信号(热电偶/热电阻/线性电压/线性电流/线性电阻), 大大减少了备表的数量。可与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、流量等物理量的测量和显示，并配合各种执行机构，对电加热设备和电磁、电动阀门进行PID调节和控制。技术参数如下所示
供电电压：AC220V  50HZ；
测量控制范围：温度50℃～99℃ 精度=±1℃；
                 湿度0～100%RH    精度 ±3%RH （10％RH～99%RH）；
参数设置：上限值：温度=-49～99％  湿度=2～99％RH；
                 下限值：温度=-50～99℃  湿度=1～98％RH；
传感器误差修正：温度-50℃～99℃   湿度0～100％RH；
显示方式：  各三位LED数码管显示，1位小数；
响应速度：  典型值 ≤ 5S；
负载继电器输出容量：AC220V / 5A（阻性负载时）二路 有源输出；
体积： 72x72x80mm；

ZWS-42-1WS1L实物图如下图3.4所示。

图3.4ZWS-42-1WS1L
3.5 PID控制算法
比例控制规律(P)是一种最基本的控制规律，其适用范围很广。在一般情况下控制质量较高，但有余差。此外，当过程惯性时延较大时，由于纯比例作用在起始段动作不够灵敏，因而超调量较大，同时加长了过渡过程时间，于是纯比例作用的应用受到了限制。对于过程控制通道容量较大，纯时延较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的场合，可选用比例控制作用。
比例积分(PI)控制规律，由于引入积分作用能消除余差，所以当过程容量较小，负荷变化较大，工艺要求无余差时，采用比例积分控制规律可以获得较好的控制质量。但是当过程控制通道的纯时延和容量时延都较大时，由于积分作用容易引起较大的超调，可能出现持续振荡，所以要尽可能避免用比例积分控制规律，不然会降低控制质量。通常对管道内的流量或压力控制，采用比例积分作用其效果甚好，所以应用较多。

第4章 系统仿真或模拟调试
经过MATLAB仿真，本设计的分程系统结构图如下图4.1所示。

图4.1 分程结构仿真图
相应的PI设定值如下图4.2所示。

图4.2 PI参数设定

仿真波形图如下图4.3所示。

图4.3无扰动仿真图

当加入干扰时分程结构如下图4.4所示

图4.4 分程结构仿真图
带有干扰的仿真图如下图4.5所示。

图4.5 加干扰后的仿真图
第5章 课程设计总结
本次课程设计是基于工业废水和蒸汽的换热器控制系统，采用分程控制系统来通过一个控制器实现控制工业废水和蒸汽两个变量，经过温度变送器对换热器出口温度进行测量监视，利用温度控制器进行PID调节之后把信号给阀门定位器在作用到阀门上，来保证出口温度时刻满足设计要求，阀门采用气开的形式可以满足当换热器出口温度低于140℃时，热水阀门逐渐开大，使其温度上升，当热水阀门开到最大时仍然不能满换热器出口温度达到140℃时，此时蒸汽阀开始打开，并以线性的形式来控制换热器的出口温度，因此控制器控制的两个阀门都是气开式，并且控制器起到反作用调节，最后本设计通过MATLAB进行仿真，经过PI计算，得到出口温度的稳定控制，换热器在现实生产生活中应用非常广泛，那么怎样以最经济、最节能的形式进行换热就成为当今换热技术的重要课题，本次采用分程控制的最大优点就是废水和蒸汽之间相互协调共同控制换热器出口温度，这样就能节省蒸汽流量，从而能节省能源。

参考文献
[1] 张智星. MATLAB程序设计与应用 [M ].北京:清华大学出版社，2009:47-48.
[2] 陶永华.新型PID控制及其应用(第二版)[M].机械工业出版社，2008:137-139.
[3] 王再英.过程控制系统与仪表.机械工业出版社，2006.1
[4] 孙洪程，魏杰.过程控制系统及工程.化学工业出版社，2010
[5] 金以慧.过程控制.清华大学出版社，1993
[6] 王俊杰.检测技术与仪表.武汉理工大学出版社，2008