АСУ

Регулирование тепловых процессов (Тема)

 

Температура – показатель термодинамического состояния системы – выбирается как выходная координата при регулировании тепловых процессов. Динамические характеристики объектов в системах регулирования температуры в значительной степени зависят от физико-химических параметров процесса и конструкции аппарата. Поэтому общие рекомендации по выбору систем регулирования температуры сформулировать весьма сложно, и для каждого конкретного технологического процесса требуется свой детальный анализ.

Но общие особенности системы управления температурой можно выделить. К ним, в первую очередь, необходимо отнести значительную инерционность тепловых процессов, а также некоторую инерционность промышленных датчиков температуры. Итак, одной из основных задач проектирования САР температуры является уменьшение инерционности промышленных датчиков температуры, и в этом направлении достигнуты определенные успехи.

Теплообменные аппараты классифицируются по виду теплообменной поверхности (с поверхностью из трубок, с плоской поверхностью, с поверхностью непосредственного контакта теплоносителей); по физическому процессу, происходящему с основным технологическим веществом (нагреватели, холодильники, испарители, конденсаторы); по характеру работы во времени (рекуперативные, регенеративные и т.д.) и другим признакам. Поверхностные теплообменники довольно широко используются в химической технологии, поскольку теплоносители в таких аппаратах разделены тепло-передающей поверхностью: в трубчатых теплообменниках – стенки трубок, в пластинчатых теплообменниках – плоские или рифленые листы. Распространенной конструкцией теплообменной аппаратуры трубчатого типа является кожухотрубный теплообменник. Кожухотрубные теплообменники делят на теплообменники с неизменяемым агрегатным состоянием веществ, например, теплообменники типа газ–газ, газ–жидкость, жидкость–жидкость, а также теплообменники с изменяющимся агрегатным состоянием веществ (например, паро-газовые, паро-жидкостные теплообменники, испарители, конденсаторы).

Особенностью теплообменников с изменяющимся агрегатным состоянием веществ, рассматриваемых как объекты регулирования, является равенство температур жидкой и паровой фаз при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (перегрева образующегося пара). Поскольку температура жидкой и паровой фаз одинакова, она не может служить показателем процесса испарения или конденсации. Тогда в качестве основного показателя процесса теплообмена выбирают уровень жидкой фазы.

В испарителях или конденсаторах, предназначенных для испарения или конденсации жидкости, задача регулирования сводится к поддержанию материального баланса по технологическому потоку (газу или жидкости).

В кожухотрубных паро-жидкостных теплообменниках, предназначенных для нагревания жидкости до заданной температуры за счет теплоты конденсации греющего пара, основной задачей регулирования является стабилизация температуры жидкости на выходе из теплообменника.

Теперь с учетом выявленных основных возмущающих и управляющих воздействий можно предложить несколько вариантов систем регулирования температуры жидкости на выходе из промышленных кожухотрубных паро-жидкостных теплообменников.

Первый вариант. Для регулирования выходной температуры жидкости без статической ошибки можно применить одноконтурную замкнутую САР с использованием ПИ-регулятора или ПИД-регулятора, изменяющего расход греющего пара. Недостатки такого регулирования: при сильных возмущающих воздействиях по каналам расхода или температуры жидкости на входе в теплообменник качество переходного процесса оказывается неудовлетворительным.

Рис. Одноконтурная замкнутая САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике

 

Второй вариант. Если имеют место возмущающие воздействия по каналам расхода F_ж или температуре жидкости на входе t_вх, то ограничиваются их статической компенсацией. Реализовать такой подход возможно применением каскадной САР соотношения расходов пара и жидкости F_п/F_ж с коррекцией по третьему параметру – температуре жидкости на выходе t_вых теплообменника.

Рис. Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором соотношения расходов во внутреннем контуре)

 

Третий вариант. При сильных возмущающих воздействиях по каналам изменения давления или температуры греющего пара возможно применить каскадную систему регулирования температуры (или давления) в межтрубном пространстве теплообменника с коррекцией задания по t_вых. Температура (или давление) в межтрубном пространстве теплообменника – промежуточная координата, значительно быстрее реагирующая на указанные возмущающие воздействия, чем температура жидкости на выходе теплообменника t_вых.

 

Рис. Каскадная САР температуры жидкости в кожухотрубном паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором температуры конденсата во внутреннем контуре)

 

Четвертый вариант. Чтобы обеспечить высокое качество регулирования температуры, желательно иметь дополнительное управляющее воздействие. Для этого жидкость, поступающую на нагревание, перед теплообменником делят на два потока F₁ и F₂. Часть жидкости (поток F₁) направляют в теплообменник и нагревают до температуры несколько выше заданной. Другая часть жидкости (поток F₂) минует теплообменник, оставаясь холодной. За теплообменником нагретый и холодный потоки смешиваются для получения жидкости заданной температуры. Таким образом, реализуется схема с байпасированием. В этом случае регулятор температуры / стабилизирует температуру после теплообменника (вспомогательная функция). Регулятор температуры 2 регулирует температуру жидкости после смешения t_вых (основная задача). При этом качество регулирования t_вых определяется динамикой основного контура, в котором объект представляет собой безынерционное звено, поскольку постоянная времени процесса смешения нагретой и холодной жидкостей практически равна нулю.

 

Рис. Регулирование жидкости в схеме кожухотрубного паро-жидкостного теплообменника

с байпасированием холодного потока