Актуальность
Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью большинства технологических процессов, поэтому задача автоматизации противоточных теплообменных аппаратов является весьма важной вследствие существенной энергоемкости теплообменников и их широкой распространенности в промышленной практике.
Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.
Цель
Повышение качества процесса управления системой автоматического управления теплообменным аппаратом за счет обзора известных решений управления теплообменниками, а также его анализа как объекта управления.
Постановка задачи
Провести анализ существующих систем автоматического управления противоточным теплообменным аппаратом на примере кожухотрубного теплообменника.
Теплообменный аппарат как объект управления
С учетом реальных условий работы, все существенные факторы, влияющие на процесс теплообмена, разбиваются на следующие группы [2]:
- Контролируемые возмущения – это те возмущения, которые можно измерить, но невозможно или недопустимо стабилизировать (расход питания, подаваемого непосредственно из предыдущего аппарата; температура окружающей среды и т.п.). Для исследуемого процесса такими возмущениями являются: температура теплоносителя Твхгор, а также температура и расход нагреваемого потока Твххол, Gхол на входе в аппарат.
- Неконтролируемые возмущения – возмущения, которые невозможно или нецелесообразно измерять непосредственно. Первые – это падение активности катализатора изменение коэффициентов тепло- и массопередачи и т.п. В качестве неконтролируемых возмущений в данном объекте может выступать накипь, образовавшаяся на поверхности трубок внутри теплообменника, а также давление пара, участвующего в теплообмене.
- Выходные переменные. Из их числа выбирают регулируемые координаты. При построении замкнутых систем регулирования в качестве регулируемых координат выбирают технологические параметры, изменение которых свидетельствует о нарушении материального или теплового баланса в аппарате. К ним относятся: температуры теплоносителей Твыхгор и Твыххол.
- Управляющие переменные – входные сигналы объекта управления, с помощью которых можно влиять на режим работы объекта: величина расхода теплоносителя Gгор.
На рисунке 1 показана структурная схема поверхностного теплообменника.
Рисунок 1 – Схема взаимосвязей между переменными в теплообменном аппарате
Система автоматического управления теплообменником.
Особенностью теплообменников с изменяющимся агрегатным состоянием веществ, как объектов регулирования, состоит в том, что при постоянном давлении и отсутствии переохлаждения образующегося конденсата (или перегрева образующегося пара), температура жидкой и паровой фаз одинакова и по ней нельзя судить об интенсивности процесса испарения или конденсации. В этом случае основным показателем процесса теплообмена является уровень жидкой фазы [1].
Рисунок 2 - Каскадная АСР температуры жидкости в паро-жидкостном теплообменнике (с регулятором соотношения расходов во внутреннем контуре))
Введение динамической компенсации возмущений по Gж или θвх оказывается нецелесообразным, так как теоретические компенсаторы физически нереализуемы, а использование приближенных компенсаторов может оказаться неэффективным. Поэтому на практике ограничиваются статической компенсацией этих возмущений. Примером таких систем является каскадная АСР соотношения расходов Gп/Gж с коррекцией по θвых.
Регулирование поверхностных противоточных теплообменников заключается в поддержании постоянства температуры одного из теплоносителей на выходе из теплообменника, например, Tx2.
Рисунок 3 – Схема взаимосвязей между переменными в теплообменном аппарате
Температура Tx2 зависит от скорости передачи тепла или теплового потока q через стенку.
Выводы
- Выделены существенные факторы, влияющие на процесс автоматизации.
- Анализ теплообменного аппарата как объекта управления показал, что исследуемый объект автоматизации является сложным, многомерным и многосвязным объектом управления, что не учтено существующими системами автоматического управления.
- Установлено, что температура Tx2 более чувствительна к изменению расхода холодного теплоносителя, чем горячего. Для эффективного регулирования процесса теплообмена требуются регуляторы с дифференцирующей составляющей.
Список использованной литературы
1. Дудников Е.Г. Автоматическое управление в химической промышленности/ Е.Г. Дудников, А.В. Казаков, Ю.Н. Софиева, А.Э. Софиев, А.М. Цирлин – Москва: Химия, 1987. – 368 с.
2. Лапшенков Г.И. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности/ Г.И. Лапшенков, Л.М. Полоцкий – Москва: Химия, 1982. – 377 с.
3. Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии/ И.Л. Иоффе – Л.: Химия, 1991. – 352 с.