CN102789731B

CN102789731B - 一种化工换热流程过程控制实验装置

Info

Publication number: CN102789731B
Application number: CN201210233074.0A
Authority: CN
Inventors: 冯毅萍; 金晓明; 曹峥; 荣冈; 刘苏
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: CN102789731A

Abstract

本发明公开了一种化工换热流程过程控制实验装置，包括冷水槽、锅炉以及四个换热器，每个换热器的管程进口通过带阀门的管路分别与冷水槽出水口相连；每个换热器的管程出口通过带阀门的管路分别与冷水槽回水口相连；每个换热器的壳程进口通过带阀门的管路分别与锅炉出水口相连；每个换热器的壳程出口通过带阀门的管路分别与锅炉回水口相连；各个换热器的管程通过带阀门的管路依次连接；各个换热器的壳程通过带阀门的管路依次连接。本发明一种化工换热流程过程控制实验装置，通过控制系统调节阀门的开启和关闭，可以灵活模拟各种化工换热流程控制过程，通过控制系统可以实现多种控制算法实验。

Description

一种化工换热流程过程控制实验装置

技术领域

本发明涉及化工换热流程控制领域，具体涉及一种化工换热流程过程控制实验装置。

背景技术

化工流程控制及过程分析是化学工程与工艺专业的核心专业基础课程之一，应用系统工程的观点和方法来研究化工过程系统的开发、设计、控制与最优操作。

针对化工流程控制的实验，国内外通常以计算机仿真实验或单元装置对象过程控制装置为主要手段，如德国某教仪公司研制的过程控制培训系统，通过计算机仿真软件模拟实际工业生产和加工过程，可以进行温度、流量、压力和液位的简单控制实验，以及对系统进行闭环控制和总线控制；国内某教仪公司研制的高级过程控制系统，其实验对象装置选用单一锅炉控制，开展仪器仪表检测实验及过程控制实验；国内某高校研制的双容水箱控制系统，可以进行单回路PID控制及模糊控制等实验。

申请号为200410053038.1的发明公开了一种化工多变量生产过程的解耦控制系统，由n×n维解耦控制器矩阵和多路信号混合器组成，其中n是被控多变量过程的输出维数，利用系统设定点的n维给定值输入信号与实际被控过程的n维输出测量信号之间的偏差信号作为系统输出响应的反馈调节信息，经解耦控制器矩阵运算处理后，将n维控制输出信号发送给被控过程的n维输入调节装置，从而实现渐近跟踪系统给定值输入信号以及抑制负载干扰信号的目的。

申请号为200310107956.3的发明公开了一种化工开环不稳定串级过程的解耦控制系统，由给定值响应控制器、镇定给定值响应的控制器、扰动观测器、被控中间级稳定过程和末级不稳定过程的辨识模型以及信号混合器组成，给定值响应采用开环控制方式，通过在前向通道上设置比例或比例微分控制器来镇定不稳定串级过程，利用中间级过程辨识模型的输出与实际中间级过程的输出之间的偏差量以及全局串级过程辨识模型经镇定后的输出与实际末级过程的输出之间的偏差量，由内外环中的扰动观测器调节处理，消除负载干扰信号的影响。

申请号为200310107957.8的发明公开了一种化工串级生产过程的解耦控制系统，由给定值响应控制器、扰动观测器、中间级过程辨识模型、末级过程辨识模型以及信号混合器组成，通过设置在中间级过程输入和输出之间的负载干扰抑制闭环来快速消除混入中间级过程的负载干扰信号，从而平稳系统末级过程输出，系统给定值响应采用开环控制方式，使控制系统的给定值响应和中间级过程负载干扰响应能够分别独立地调节。

由于化工换热流程控制的复杂性，制作相应的实验装置需要耗费较高成本，现在还没有较完备的化工换热流程过程控制实验装置。

发明内容

本发明提供了一种化工换热流程过程控制实验装置，可以模拟各种化工换热流程过程，具有良好的快速跟踪控制效果，误差极小。

一种化工换热流程过程控制实验装置，包括冷水槽、锅炉以及四个换热器，

每个换热器的管程进口通过带阀门的管路分别与冷水槽出水口相连；

每个换热器的管程出口通过带阀门的管路分别与冷水槽回水口相连；

每个换热器的壳程进口通过带阀门的管路分别与锅炉出水口相连；

每个换热器的壳程出口通过带阀门的管路分别与锅炉回水口相连；

各个换热器的管程通过带阀门的管路依次连接；各个换热器的壳程通过带阀门的管路依次连接；

所述冷水槽及锅炉设有液位检测装置；每个换热器的管程进口和出口、壳程进口和出口以及锅炉设有温度检测装置；所述冷水槽出水口，锅炉出水口、每个换热器管程进口以及壳程进口均设有流量检测装置；所述锅炉出水口以及冷水槽出水口设有压力检测装置；

所有阀门、液位检测装置、温度检测装置、流量检测装置和压力检测装置均接入控制系统。

通过所述控制系统控制管路上各阀门的开启及关闭，可以实现不同换热器之间的串联或并联，通过所述控制系统控制管路上各阀门的开启程度，可以控制不同换热器管程或者壳程中水的流量。

本发明所述带阀门的管路泛指化工设备之间的连接方式，并非特指某段管路。

所述冷水槽设有液位检测装置，液位低于系统设置的最低液位时，对冷水槽进行补水；所述锅炉中设有液位检测装置，当锅炉内液位低于系统设置的最低液位时，锅炉加热器关闭，防止锅炉干烧，并向锅炉补水，当锅炉内液位高于系统设置的最高液位时，控制锅炉不能注水。

所述的每个换热器的管程进口和出口、壳程进口和出口设有温度检测装置，用于采集相应位置的温度值，计算换热流程中各种参数，监控换热流程中的实时温度，通过控制冷水循环管路或热水循环管路中的水的流量，可以调节装置中各处的温度。

所述锅炉设有温度检测装置，当锅炉水温超过系统设置的最高温度时，向锅炉内补水。

所述冷水槽出水口，锅炉出水口、每个换热器管程进口以及壳程进口均设有流量检测装置，用于检测相应位置的水的流量，计算换热流程中各种参数。

所述锅炉出水口以及冷水槽出水口设有压力检测装置，分别用于检测热水循环管路以及冷水循环管路中的压力，当压力不符合系统的预设值时，所述控制系统通过控制对应的阀门，调节相应循环管路中的水的流量。

所述换热器的管程为冷水通道，冷水温度为5～50℃，所述换热器的壳程为热水通道，热水水温为60～80℃。

所述冷水槽与锅炉之间连接有带阀门的补水管路。

所述锅炉的温度检测装置检测锅炉水温超过系统设置的最高温度时，打开补水管路中的阀门，向锅炉补水；所述锅炉的液位检测装置检测锅炉液位低于系统设置的最低液位时，打开补水管路中的阀门，向锅炉补水，防止锅炉干烧，当锅炉内液位高于系统设置的最高液位时，关闭补水管路的阀门，控制锅炉不能注水。

所述补水管路中的阀门关闭时，冷水循环管路和热水循环管路可单独实现循环。

优选地，所述锅炉出口处管路并联有两端带阀门的滞后盘管，滞后盘管出口处设有温度检测装置。

所述阀门及温度检测接入控制系统，通过阀门的开启和关闭，该化工换热流程过程控制实验装置可用于做温度滞后实验。

作为优选，所述冷水槽出口处管路设有向换热器以及锅炉输送冷水的冷水泵，所述锅炉出口处管路设有向换热器输送热水的热水泵。

作为优选，所述冷水槽与冷水泵之间设有中间槽，且中间槽设有液位检测装置，该液位检测装置接入所述控制系统。

所述中间槽设有不接入管路的入水口和排水口，所述中间槽的液位检测装置检测到液位高于系统所设置的最高值时，通过排水口排水，中间槽的液位低于系统所设置的最低值时，可通过入水口注水。

优选地，所述锅炉功率为16kW，容积为0.12m³；所述滞后盘管总长为32m，纯滞后时间为3min，采用敷塑不锈钢盘管；所述换热器的最大冷水流量为3m³/h，最大热水流量为2.5m³/h。

本发明一种化工换热流程过程控制实验装置，通过控制系统调节阀门的开启和关闭，可以灵活模拟各种化工换热流程控制过程，典型的连接方式为各换热器并联或串联，通过控制系统可以实现多种控制算法实验，包括系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈-反馈控制、滞后控制、比值控制、解耦控制和多变量预测控制等，既可作为高等院校控制课程的实验装置，也可为科研人员对复杂化工换热流程控制系统的研究提供一个完善的物理模拟对象和实验平台。

附图说明

图1为本发明化工换热流程过程控制实验装置示意图；

图2为本发明化工换热流程过程控制实验装置中各换热器并联时的示意图(省略未连通管路)；

图3为本发明化工换热流程过程控制实验装置中各换热器串联时的示意图(省略未连通管路)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明化工换热流程过程控制实验装置做详细描述。

如图1所示，一种化工换热流程过程控制实验装置包括冷水槽1、中间槽2、锅炉3、换热器4、换热器5、换热器6、换热器7、冷水泵8、热水泵9、滞后盘管10以及连接这些部件的管路，管路的相应部位设有阀门11～阀门34，具体连接关系如下：

冷水槽1、中间槽2以及冷水泵8依次连接，锅炉3的出水口与热水泵9的入口依次连接，冷水泵8的出口通过带阀门11的管路与锅炉3的入口连接；

换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7这四个换热器的连接方式如下：

四个换热器管程的进口分别与冷水泵8的出口连接，且在对应的管路上分别设有阀门27、阀门29、阀门31和阀门33；

四个换热器管程的出口分别与冷水槽1的回水口连接，且在对应的管路上分别设有阀门13、阀门17、阀门21和阀门25；

四个换热器壳程的进口分别与热水泵9的出口连接，且在对应的管路上分别设有阀门28、阀门30、阀门32和阀门34；

四个换热器壳程的出口分别与锅炉3的回水口连接，且在对应的管路上分别设有阀门12、阀门16、阀门20和阀门24；

四个换热器的管程还通过管路依次连接，且在相连的换热器间分别设有阀门14、阀门18和阀门22；

四个换热器的壳程还通过管路依次连接，且在相连的换热器间分别设有阀门15、阀门19和阀门23；

滞后盘管10并联在热水泵9的出水管路上，且滞后盘管10的入口通过带阀门26的管路连接至热水泵9的出口。

冷水槽1及锅炉3设有液位检测装置；换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7的管程进口和出口、壳程进口和出口以及锅炉3设有温度检测装置；冷水槽1的出水口，锅炉3的出水口、换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7的管程进口以及壳程进口均设有流量检测装置；锅炉3出水口以及冷水槽1出水口设有压力检测装置。

其中锅炉3为不锈钢电加热锅炉，锅炉3的功率为16kW，容积为0.12m³；滞后盘管10为敷塑不锈钢盘管，总共38圈，总长为32m，纯滞后时间为3min；换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7这四个换热器的最大冷水流量为3m³/h，最大热水流量为2.5m³/h。

根据与换热器相关的阀门状态，可以切换四个换热器的连接关系，例如关闭阀门14、阀门18、阀门22、阀门15、阀门19、阀门23、阀门26，打开换热器相关的其余阀门，换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7之间形成并联(如图2所示)，此状态下可做多换热器解耦控制实验等。

又例如关闭阀门13、阀门16、阀门17、阀门20、阀门21、阀门24、阀门26、阀门28、阀门29、阀门30、阀门31、阀门32、阀门33，打开换热器相关的其余阀门，换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7之间形成串联(如图3所示)，此状态下可做温度滞后实验等。

本发明实验装置中冷水循环过程为：冷水槽1供水，经过中间槽2后，由冷却泵8输出，经过对应换热器的管程，进入冷水槽1，关闭自来水及阀门11时，可以实现冷水循环管路单独循环。

本发明实验装置中冷水循环过程为：锅炉3供水，由热水泵9输出，经过对应换热器的壳程，再次回到锅炉3中，关闭阀门11时，可以实现热水循环管路单独循环。

控制系统采用DCS控制系统，通过DCS机柜将实验装置与上位机连接，实现上位机对各个数据的实时监控。本发明实验装置在控制系统中应用多变量控制技术，从生产过程的全局出发，直接进行多变量系统的设计，不仅可以避免或减弱各个被控变量间的耦合，而且还能达到一定的优化指标，使系统达到更高的控制水平。对于单回路控制系统进行分析或参数整定，首先要计算其开环增益，同样在多变量系统中也是如此，但是更复杂些，对于具有两个被控变量和两个操作变量的过程，需要考虑四个开环增益，尽管从外表上看只有两个增益闭合在回路中，但是必须就如何匹配做出选择。

下面以四个换热器的并联耦合流程为例，利用本发明提供的实验装置实现多变量解耦预测控制。

以换热器4、换热器5、换热器6、换热器7的冷水进口流量分别作为操作变量MV1、MV2、MV3、MV4，将换热器4、换热器5、换热器6、换热器7的热水出口温度分别作为被控变量CV1、CV2、CV3、CV4，通过计算其相对增益来确定变量间的耦合关系。

1、关闭阀门14、阀门18、阀门22、阀门15、阀门19、阀门23、阀门26，打开换热器相关的其余阀门，换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7之间形成并联。

2、利用控制系统设置各调节阀初始开度如下：

(1)冷水槽液位控制设自动，设定值50％，

(2)中间槽液位控制设自动，设定值50％，

(3)冷水泵出水口调节阀开度设为50％，

(4)热水泵变频器功率设为80％，

(5)热水泵出水口调节阀开度设为50％，

(6)换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7冷水进水调节阀开度均设为40％，

(7)换热器4、换热器5、换热器6以及换热器7热水进水调节阀开度均设为40％。

3、将锅炉加热器的功率设为80％，待锅炉温度到达60℃时，切换至自动状态，温度设定值为65℃。

4、打开冷水泵，热水泵和变频器。

5、待系统达到平衡后，分别完成下列配对实验：

(1)以换热器4冷水进口流量作为操作变量MV1，换热器4热水出口温度作为被控变量CV1，设计单回路实验确定其静态增益K11；

(2)以换热器4冷水进口流量作为操作变量MV1，换热器5热水出口温度作为被控变量CV2，设计单回路实验确定其静态增益K12；

(3)以换热器4冷水进口流量作为操作变量MV1，换热器6热水出口温度作为被控变量CV3，设计单回路实验确定其静态增益K13；

(4)以换热器4冷水进口流量作为操作变量MV1，换热器7热水出口温度作为被控变量CV4，设计单回路实验确定其静态增益K14；

(5)以换热器5冷水进口流量作为操作变量MV2，换热器4热水出口温度作为被控变量CV1，设计单回路实验确定其静态增益K21。

(6)以换热器5冷水进口流量作为操作变量MV2，换热器5热水出口温度作为被控变量CV2，设计单回路实验确定其静态增益K22。

(7)以换热器5冷水进口流量作为操作变量MV2，换热器6热水出口温度作为被控变量CV3，设计单回路实验确定其静态增益K23。

(8)以换热器5冷水进口流量作为操作变量MV2，换热器7热水出口温度作为被控变量CV4，设计单回路实验确定其静态增益K24。

(9)以换热器6冷水进口流量作为操作变量MV3，换热器4热水出口温度作为被控变量CV1，设计单回路实验确定其静态增益K31。

(10)以换热器6冷水进口流量作为操作变量MV3，换热器5热水出口温度作为被控变量CV2，设计单回路实验确定其静态增益K32。

(11)以换热器6冷水进口流量作为操作变量MV3，换热器6热水出口温度作为被控变量CV3，设计单回路实验确定其静态增益K33。

(12)以换热器6冷水进口流量作为操作变量MV3，换热器7热水出口温度作为被控变量CV4，设计单回路实验确定其静态增益K34。

(13)以换热器7冷水进口流量作为操作变量MV4，换热器4热水出口温度作为被控变量CV1，设计单回路实验确定其静态增益K41。

(14)以换热器7冷水进口流量作为操作变量MV4，换热器5热水出口温度作为被控变量CV2，设计单回路实验确定其静态增益K42。

(15)以换热器7冷水进口流量作为操作变量MV4，换热器6热水出口温度作为被控变量CV3，设计单回路实验确定其静态增益K43。

(16)以换热器7冷水进口流量作为操作变量MV4，换热器7热水出口温度作为被控变量CV4，设计单回路实验确定其静态增益K44。

6、计算控制系统的相对增益矩阵λ，完成变量配对和模型辨识。配对方法有对角线型(表1)、半角型(表2)和全角型(表3)，分别代表无耦合、部分耦合以及全耦合。

表1

对角线型	CV1	CV2	CV3	CV4
					MV1	λ11
MV2		λ22
					MV3		λ33
MV4				λ44

表2

半角型	CV1	CV2	CV3	CV4
					MV1	λ11
MV2	λ21	λ22
					MV3	λ31	λ32	λ33
MV4	λ41	λ42	λ43	λ44

表3

全角型	CV1	CV2	CV3	CV4
					MV1	λ11	λ12	λ13	λ14
MV2	λ21	λ22	λ23	λ24
					MV3	λ31	λ32	λ33	λ34
MV4	λ41	λ42	λ43	λ44

7、根据三种配对方法辨识得到的模型分别设计控制器并进行运算，观察和比较其控制效果。

8、实验结束，关闭装置。

Claims

1.一种化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，包括冷水槽、锅炉以及四个换热器，

所有阀门、液位检测装置、温度检测装置、流量检测装置和压力检测装置均接入控制系统；所述冷水槽与锅炉之间连接有带阀门的补水管路；

所述锅炉出口处管路并联有两端带阀门的滞后盘管，滞后盘管出口处设有温度检测装置。

2.如权利要求1所述的化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，所述冷水槽出口处管路设有向换热器以及锅炉输送冷水的冷水泵，所述锅炉出口处管路设有向换热器输送热水的热水泵。

3.如权利要求2所述的化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，所述冷水槽与冷水泵之间设有中间槽，且中间槽设有液位检测装置，该液位检测装置接入所述控制系统。

4.如权利要求3所述的化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，所述锅炉功率为16kW，容积为0.12m³。

5.如权利要求4所述的化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，所述滞后盘管总长为32m，纯滞后时间为3min。

6.如权利要求5所述的化工换热流程过程控制实验装置，其特征在于，所述换热器的最大冷水流量为3m³/h，最大热水流量为2.5m³/h。