CN104898728A - 一种基于双换热器的cstr温度容错控制系统及方法 - Google Patents
一种基于双换热器的cstr温度容错控制系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104898728A CN104898728A CN201510260628.XA CN201510260628A CN104898728A CN 104898728 A CN104898728 A CN 104898728A CN 201510260628 A CN201510260628 A CN 201510260628A CN 104898728 A CN104898728 A CN 104898728A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heating agent
- temperature
- fault
- controller
- cstr
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，包括温度控制器和盘管流量控制器，温度控制器的输入端接有温度检测装置，盘管流量调节阀与温度控制器的输出端连接，夹套流量调节阀与盘管流量控制器的输出端连接；CSTR温度容错控制系统还包括容错控制器以及故障报警器和故障信息显示器，容错控制器的输入端接有盘管流量检测装置和夹套流量检测装置，温度控制器和盘管流量控制器均与容错控制器相接，温度检测装置与容错控制器的输入端连接；本发明还公开了一种基于双换热器的CSTR温度容错控制方法。本发明控制精度高，换热效率高，载热介质消耗量小，提高了CSTR工作的安全性与可靠性以及CSTR反应生产的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于连续搅拌反应釜的温度控制与生产安全技术领域，具体涉及一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统及方法。
背景技术
连续搅拌反应釜(Continuous Stirred-Tank Reactor，简称CSTR)是化工生产中实现各种物理变化和化学反应的过程设备，在反应装置中占有重要地位。在塑料、化纤、合成橡胶三大合成材料生产中，CSTR的数量约占反应器总量的90％以上。此外，在制药、油漆、染料、农药等行业中也大量使用CSTR。CSTR反应温度是聚合反应过程最重要的控制参数，其控制品质与生产安全、生产效率和经济效益密切相关。由于聚合反应绝大部分是放热反应，一旦热交换系统出现故障，将可能导致CSTR温度控制失效，温度失控而引起非正常紧急停车，停产事故，严重时甚至导致火灾、爆炸事故，造成人员和设备财产损失。由于在生产过程中的重要地位和广泛应用，CSTR温度的自动控制一直受到控制领域专业技术人员的关注，并提出了多种可行的控制方法。但现有针对配有盘管与夹套双换热器CSTR温度的控制方法，并没有充分发挥CSTR本身以及新型控制装置和控制技术的潜力，在系统安全性方面存在很大改善的空间可能。
对于配有盘管与夹套双换热器的CSTR，在生产过程中的温度控制可采用夹套换热器单独实现，也可采用盘管换热器单独实现。
①夹套换热系统的特点是换热效率高(夹套容积大，载热介质在夹套中停留时间长，热交换充分)，但响应速度慢(时间常数大)。采用夹套换热器进行日常生产反应温度控制，其优点是能耗低，缺点是动态性能不好，控制精度低，动态偏差大，容易出现温度失控而不得不强制停车的事故。
②盘管热交换系统的特点是响应速度快(盘管容积小，时间常数小)，但换热效率低(盘管容积小，载热介质在盘管中停留时间短，换热不充分)。采用盘管换热器行日常生产反应温度控制，优点是反应器温度动态性能好，控制精度高，但载热介质一次换热量小、载热介质循环能耗高，经济性差。
显然，这两种控制方案都没有完全发挥盘管换热器和夹套换热器本身在温度控制方面的潜力，不能兼顾控制品质高和节能降耗两个方面。
为了解决以上问题，有人提出了双重控制系统的方案，例如，申请号为201210165045.5的中国专利公开了一种基于盘管与夹套双换热器的CSTR温度控制系统及方法，采用了双重控制系统方案，将盘管热交换器动态特性好，夹套热交换器换热效率高的优点相结合，使CSTR温度控制速度快，控制精度高，换热效率高，载热介质消耗量小，有利于节能降耗，兼顾了CSTR的温度控制精度和节能降耗两方面。但是，并没有发挥出双重控制系统中，盘管与夹套双热交换器同时工作时所形成的操作功能冗余的优势，显然，当盘管热交换器或夹套热交换器其中一个出现断流故障时，控制系统的操作功能并没有完全丧失，仍具备实现CSTR温度控制、继续运行和生产的潜力，现有技术中还缺乏基于双重控制的盘管与夹套双换热器的CSTR温度容错控制系统及方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种设计新颖合理，实现方便，使用操作便捷的基于双换热器的CSTR温度容错控制系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，所述CSTR内部设置有盘管换热器，所述CSTR外部设置有夹套换热器，所述盘管换热器的载热介质入口处连接有盘管载热介质输入管，所述盘管载热介质输入管上设置有用于对流入盘管换热器中的载热介质流量进行调节的盘管流量调节阀，所述夹套换热器的载热介质入口处连接有夹套载热介质输入管，所述夹套载热介质输入管上设置有用于对流入夹套换热器中的载热介质流量进行调节的夹套流量调节阀，所述CSTR温度容错控制系统包括温度控制器和与温度控制器的输出端连接的盘管流量控制器，所述温度控制器的输入端接有用于对CSTR的实际反应温度进行实时检测的温度检测装置，所述盘管流量调节阀与温度控制器的输出端连接，所述夹套流量调节阀与盘管流量控制器的输出端连接；其特征在于：所述CSTR温度容错控制系统还包括容错控制器以及与容错控制器输出端连接的故障报警器和故障信息显示器，所述容错控制器的输入端接有用于对流入盘管换热器中的载热介质流量进行实时检测的盘管流量检测装置和用于对流入夹套换热器中的载热介质流量进行实时检测的夹套流量检测装置，所述盘管流量检测装置设置在盘管载热介质输入管上，所述夹套流量检测装置设置在夹套载热介质输入管上，所述温度控制器和盘管流量控制器均与容错控制器相接，所述温度检测装置与容错控制器的输入端连接。
上述的一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，其特征在于：所述故障报警器为声光报警器。
上述的一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，其特征在于：所述故障信息显示器为液晶显示屏。
本发明还提供了一种控制精度高、换热效率高、载热介质消耗量小、有利于节能降耗、提高了CSTR工作的安全性与可靠性、提高了CSTR反应生产的经济效益的基于双换热器的CSTR温度容错控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、温度检测装置对CSTR的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信号TP(t)实时传输给温度控制器和容错控制器；
步骤二、温度控制器对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀、盘管流量控制器和容错控制器；
步骤三、所述盘管流量调节阀根据温度控制器发送给其的对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器中的载热介质流量的控制，由盘管换热器对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；同时，盘管流量检测装置对盘管换热器中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器；夹套流量检测装置对夹套换热器中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器；
步骤四、通过盘管流量控制器和夹套流量调节阀对流入夹套换热器中的载热介质流量进行控制，进而实现对流入盘管换热器中的载热介质流量进行相应调整的目的，具体过程如下：
步骤401、盘管流量控制器接收温度控制器发送给其的控制信号uT(t)并通过差值比较器对控制信号uT(t)与盘管换热器载热介质流量设定值QCS进行差值比较得出盘管换热器载热介质流量偏差信号eCQ(t)；然后，盘管流量控制器对盘管换热器载热介质流量偏差信号eCQ(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)，并发送给夹套流量调节阀和容错控制器；
步骤402、所述夹套流量调节阀根据盘管流量控制器发送给其的对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)调节开度，实现对流入夹套换热器中的载热介质流量的控制，由夹套换热器逐渐替代盘管换热器的换热负荷变化，使得盘管换热器载热介质流量偏差信号eCQ(t)逐渐趋于0，即使得对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)逐渐等于盘管换热器载热介质流量设定值QCS，进而实现对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的目的；同时，盘管流量检测装置对盘管换热器中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器；夹套流量检测装置对夹套换热器中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器；
步骤五、容错控制器将其接收到的CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行比对，当TP(t)＝TS时，返回步骤一，否则，当TP(t)≠TS时，执行步骤六；
步骤六、容错控制器将其接收到的盘管换热器载热介质流量QC(t)与对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)和盘管换热器载热介质最大流量QCMax进行比对，并将其接收到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)与对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)和夹套换热器载热介质最大流量QJMax进行比对；得出比对结果并分以下两种情况进行控制操作：
情况一、当uCQ(t)≠QJ(t)、uT(t)＝QC(t)且QJ(t)≤3％QJMax时，说明夹套换热器出现了断流故障，此时，容错控制器控制故障报警器输出夹套换热器故障的报警信号，并控制故障信息显示器显示夹套换热器出现了断流故障的信息，同时，温度控制器对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀，所述盘管流量调节阀根据温度控制器发送给其的对流入盘管换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器中的载热介质流量的控制，由盘管换热器对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；
情况二、当uCQ(t)＝QJ(t)、uT(t)≠QC(t)且QC(t)≤3％QCMax时，说明盘管换热器出现了断流故障，此时，容错控制器控制故障报警器输出盘管换热器故障的报警信号，并控制故障信息显示器显示盘管换热器出现了断流故障的信息，同时，容错控制器输出控制温度控制器停止控制盘管流量调节阀的控制信号给温度控制器，并输出将盘管流量控制器调整为系数为1的比例环节的控制信号给盘管流量控制器，温度控制器接收到停止控制盘管流量调节阀的控制信号后，对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入夹套换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)，并通过盘管流量控制器发送给夹套流量调节阀，所述夹套流量调节阀根据盘管流量控制器发送给其的对流入夹套换热器中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)调节开度，实现对流入夹套换热器中的载热介质流量的控制，由夹套换热器单独承担全部换热负荷，进而实现对CSTR温度TP(t)进行控制，并保持在CSTR温度设定值TS的目的。
上述的方法，其特征在于：步骤401和步骤402中，盘管换热器载热介质流量设定值QCS不大于盘管流量调节阀全开时盘管换热器载热介质流量的15％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明CSTR温度容错控制系统的结构简单，设计新颖合理，实现方便。
2、本发明在盘管换热器和夹套换热器均无断流故障发生时，能够自动进行盘管和夹套载热介质流量的协调控制，完成CSTR温度的调节；且在盘管换热器或夹套换热器发生断流故障时，能够自动完成容错控制，保证CSTR温度的恒定，无需进行人工操作，使用操作便捷。
3、本发明在盘管换热器和夹套换热器均无断流故障发生时，在CSTR温度动态控制过程，利用盘管换热器快速响应的特点，能够使CSTR的实际反应温度及时跟踪设定值，并迅速抑制、消除扰动所引起的温度偏差，确保CSTR反应温度具有良好的动态控制特性；在CSTR平稳生产过程中，利用夹套换热器换热效率高的特点，由价套换热器逐步替代盘管换热器的换热负荷变化，最终由夹套换热器承担大部分换热负荷，换热效率高，载热介质消耗量小，有利于节能降耗，提高CSTR反应生产的经济效益。
4、本发明利用盘管换热器或夹套换热器发生断流故障时，控制系统的操作功能并没有完全丧失，仍具备实现CSTR温度控制、继续运行和生产的潜力，利用控制系统自身实现对夹套换热器断流故障的容错控制，以及通过调整控制策略实现对盘管换热器断流故障的容错控制，在盘管换热器或夹套换热器发生断流故障时，能够维持对CSTR温度的平衡控制，保证了CSTR反应和生产过程的正常，保护了CSTR的安全，减少了非正常停车，提高了生产安全和经济效益。
5、本发明能够充分发挥盘管换热器动态性能好和夹套换热器热交换效率高的不同优势，保证了反应生产过程中CSTR温度控制精度，同时实现了节能降耗，提高了CSTR反应生产的经济效益目标，使CSTR温度在动态性能与静态性能两方面都达到了理想水平；同时，本发明充分发挥出了双重控制系统中，盘管与夹套双热交换器同时工作时所形成的操作功能冗余的优势，提高了CSTR工作的安全性与可靠性。
6、本发明的实用性强，推广应用价值高。
综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便，控制精度高，换热效率高，载热介质消耗量小，有利于节能降耗，提高了CSTR工作的安全性与可靠性，提高了CSTR反应生产的经济效益，实用性强，推广应用价值高。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明控制系统的原理框图。
图2为本发明控制系统的使用状态示意图。
图3为本发明控制方法的方法流程图。
图4a为夹套换热器发生断流故障时本发明CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线图。
图4b为夹套换热器发生断流故障时本发明CSTR温度容错控制系统的盘管和夹套载热介质流量曲线。
图5a为盘管换热器发生断流故障时本发明CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线图。
图5b为盘管换热器发生断流故障时本发明CSTR温度容错控制系统的盘管和夹套载热介质流量曲线。
附图标记说明:
1—温度控制器； 2—温度检测装置； 3—盘管流量调节阀；
4—盘管流量控制器； 5—夹套流量调节阀； 6—盘管换热器；
7—夹套换热器； 8—容错控制器； 9—CSTR；
10—夹套载热介质输入管； 11—盘管载热介质输入管；
12—故障报警器； 13—故障信息显示器； 14—盘管流量检测装置；
15—夹套流量检测装置； 16—载热介质总输入管；
17—载热介质总输出管； 18—CSTR进料管； 19—CSTR出料管；
20—夹套载热介质输出管； 21—盘管载热介质输出管。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，所述CSTR9内部设置有盘管换热器6，所述CSTR9外部设置有夹套换热器7，所述盘管换热器6的载热介质入口处连接有盘管载热介质输入管11，所述盘管载热介质输入管11上设置有用于对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行调节的盘管流量调节阀3，所述夹套换热器7的载热介质入口处连接有夹套载热介质输入管10，所述夹套载热介质输入管10上设置有用于对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行调节的夹套流量调节阀5，所述CSTR温度容错控制系统包括温度控制器1和与温度控制器1的输出端连接的盘管流量控制器4，所述温度控制器1的输入端接有用于对CSTR9的实际反应温度进行实时检测的温度检测装置2，所述盘管流量调节阀3与温度控制器1的输出端连接，所述夹套流量调节阀5与盘管流量控制器4的输出端连接；所述CSTR温度容错控制系统还包括容错控制器8以及与容错控制器8输出端连接的故障报警器12和故障信息显示器13，所述容错控制器8的输入端接有用于对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行实时检测的盘管流量检测装置14和用于对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行实时检测的夹套流量检测装置15，所述盘管流量检测装置14设置在盘管载热介质输入管11上，所述夹套流量检测装置15设置在夹套载热介质输入管10上，所述温度控制器1和盘管流量控制器4均与容错控制器8相接，所述温度检测装置2与容错控制器8的输入端连接。
例如，某有机材料生产中，采用配有盘管与夹套双换热器的CSTR9进行有机材料的聚合生产。生产过程中，在反应温度为72±1.0℃的条件下，参加反应的物料A与物料B在催化剂C作用下发生聚合反应，生成反应产物聚合材料D。反应过程要释放大量的反应热，为了防止CSTR9内热量聚集，确保反应过程平稳进行和安全生产，通过盘管换热器6或/和夹套换热器7内的载热介质与反应物料进行热交换，带走反应热，使CSTR9内物料温度保持在设定值。具体地，载热介质为冷却水。
聚合反应过程放热量大，属于非自衡的危险反应过程，当反应温度升高时，导致反应速度加快，反应放热量进一步增大，如果反应热量不能及时移走，则反应温度会进一步升高，反应速度进一步加快。这种“正反馈”作用将导致反应器温度急剧上升，反应器压力也迅速上升。如果反应器内压力超过反应器所能耐受的极限，将可能发生爆炸并引发火灾事故。
CSTR9的搅拌器对反应物料进行强烈搅拌，起到了很好的分散与稀释作用，使反应器中的物料流动状态满足全混流假定。因此，可假设CSTR9内各点的物料成分和温度都是均匀的，CSTR9出口浆液的成分、温度与CSTR9内相等。
依照本发明的控制系统，设计出具体如图2所示的CSTR温度容错控制系统。其中，盘管换热器6设置在CSTR9内部，夹套换热器7设置在CSTR9外部，盘管流量调节阀3安装在盘管载热介质输入管11上且用于在温度控制器1的控制下对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制，夹套流量调节阀5安装在夹套载热介质输入管10上且用于在盘管流量控制器4的控制下对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行控制，盘管载热介质输入管11和夹套载热介质输入管10连接到同一根载热介质总输入管8上，盘管载热介质输出管16和夹套载热介质输出管15连接到同一根载热介质总输出管12上，CSTR进料管13安装在CSTR9上部，CSTR出料管14安装在CSTR9下部，温度测量装置2安装在CSTR9内部且用于对CSTR9的实际反应温度进行实时检测，盘管流量检测装置14安装在盘管载热介质输入管11上且用于对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行实时检测，夹套流量检测装置15安装在夹套载热介质输入管10上且用于对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行实时检测，容错控制器8用于在盘管换热器6或夹套换热器7发生断流故障时输出相应的控制信号给温度控制器1和盘管流量控制器4，调整控制系统结构和控制策略。
本实施例中，所述故障报警器12为声光报警器。所述故障信息显示器13为液晶显示屏。
如图3所示，本发明的基于双换热器的CSTR温度容错控制方法，包括以下步骤：
步骤一、温度检测装置2对CSTR9的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信号TP(t)实时传输给温度控制器1和容错控制器8；
步骤二、温度控制器1对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)，即e(t)＝TP(t)-TS；然后，温度控制器1对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀3、盘管流量控制器4和容错控制器8；
本实施例中，CSTR温度设定值TS＝72℃；
步骤三、所述盘管流量调节阀3根据温度控制器1发送给其的对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器6中的载热介质流量的控制，由盘管换热器6对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；即迅速使CSTR实际反应温度信号TP(t)恢复到CSTR温度设定值TS，使|e(t)|＝|TP(t)-TS|≈0；同时，盘管流量检测装置14对盘管换热器6中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器8；夹套流量检测装置15对夹套换热器7中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器8；由于盘管换热器6具有响应速度快的优势，因此，在CSTR温度动态控制过程，利用盘管换热器6快速响应的特点，能够使CSTR的实际反应温度及时跟踪设定值，并迅速抑制、消除扰动所引起的温度偏差，确保CSTR反应温度具有良好的动态控制特性；
步骤四、通过盘管流量控制器4和夹套流量调节阀5对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行控制，进而实现对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行相应调整的目的，具体过程如下：
步骤401、盘管流量控制器4接收温度控制器1发送给其的控制信号uT(t)并通过差值比较器对控制信号uT(t)与盘管换热器6载热介质流量设定值QCS进行差值比较得出盘管换热器6载热介质流量偏差信号eCQ(t)，即eCQ(t)＝uT(t)-QCS；然后，盘管流量控制器4对盘管换热器6载热介质流量偏差信号eCQ(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)，并发送给夹套流量调节阀5和容错控制器8；
步骤402、所述夹套流量调节阀5根据盘管流量控制器4发送给其的对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)调节开度，实现对流入夹套换热器7中的载热介质流量的控制，由夹套换热器7逐渐替代盘管换热器6的换热负荷变化，使得盘管换热器6载热介质流量偏差信号eCQ(t)逐渐趋于0，即|eCQ(t)|＝|uT(t)-QCS|逐渐趋于0，即使得对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)逐渐等于盘管换热器6载热介质流量设定值QCS，进而实现对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的目的；同时，盘管流量检测装置14对盘管换热器6中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器8；夹套流量检测装置15对夹套换热器7中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器8；
本实施例中，步骤401和步骤402中，盘管换热器6载热介质流量设定值QCS不大于盘管流量调节阀3全开时盘管换热器6载热介质流量的15％，优选地，盘管换热器6载热介质流量设定值QCS等于盘管流量调节阀3全开时盘管换热器6载热介质流量的12％。具体实施时，为了保证温度控制系统具有良好的控制特性，同时节能降耗，盘管换热器6载热介质流量设定值QCS应在保证控制性能的前提下，尽可能小，进而实现稳态时反应器的主要换热负荷由高效率的夹套换热器承担的目的。由于夹套换热器7具有换热效率高与节能降耗的优势，因此，在CSTR平稳生产过程中，使流入盘管换热器6中的载热介质流量保持在设定值QCS，由夹套换热器7承担大部分换热负荷，冷却效率高，耗水量小，以利于节能降耗，提高CSTR9反应生产的经济效益。
步骤五、容错控制器8将其接收到的CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行比对，当TP(t)＝TS时，返回步骤一，否则，当TP(t)≠TS时，执行步骤六；
步骤六、容错控制器8将其接收到的盘管换热器载热介质流量QC(t)与对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)和盘管换热器载热介质最大流量QCMax进行比对，并将其接收到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)与对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)和夹套换热器载热介质最大流量QJMax进行比对；得出比对结果并分以下两种情况进行控制操作：
情况一、当uCQ(t)≠QJ(t)、uT(t)＝QC(t)且QJ(t)≤3％QJMax时，说明夹套换热器7出现了断流故障，此时，容错控制器8控制故障报警器12输出夹套换热器7故障的报警信号，并控制故障信息显示器13显示夹套换热器7出现了断流故障的信息，同时，温度控制器1对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)，即e(t)＝TP(t)-TS；然后，温度控制器1对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀3，所述盘管流量调节阀3根据温度控制器1发送给其的对流入盘管换热器6中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器6中的载热介质流量的控制，由盘管换热器6对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；即迅速使CSTR实际反应温度信号TP(t)恢复到CSTR温度设定值TS，使|e(t)|＝|TP(t)-TS|≈0；即所述CSTR温度容错控制系统自动将夹套换热器7热交换负荷转移到了盘管换热器6，将CSTR温度的盘管换热器6流量与夹套换热器7流量双重控制转换为了以盘管换热器6流量为单一操纵变量的单回路温度控制，实现了对夹套换热器7出现了断流故障的CSTR温度容错控制，维持了CSTR温度的平衡控制，以及CSTR反应和生产过程正常；
为了验证本发明控制方法在夹套换热器7出现了断流故障时的控制效果，通过实验得到时间t＝1000s时，夹套换热器7发生断流故障，采用本发明所述控制系统和控制方法的CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线图如图4a所示，采用本发明所述控制系统和控制方法的CSTR温度容错控制系统的盘管和夹套载热介质流量曲线图如图4b所示。
图4a中，TP(t)为CSTR实际反应温度信号，单位为℃；t为时间，单位为s；实线SGJTT为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线；图4b中，Q(t)为载热介质流量，单位为m3/h；t为时间，单位为s；实线SGJTSGQ为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统中盘管换热器6的载热介质流量曲线，虚线SGJTJTQ为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统中夹套换热器7的载热介质流量曲线；从图4a和图4b可以明显看出，采用本发明所述CSTR温度容错控制系统和CSTR温度容错控制方法，在时间t＝1000s时，夹套换热器7发生断流故障时，所述CSTR温度容错控制系统自动将夹套换热器7热交换负荷转移到了盘管换热器6，维持了CSTR温度的平衡控制，反应温度保持在72℃，保证了CSTR反应和生产过程正常。
情况二、当uCQ(t)＝QJ(t)、uT(t)≠QC(t)且QC(t)≤3％QCMax时，说明盘管换热器6出现了断流故障，此时，容错控制器8控制故障报警器12输出盘管换热器6故障的报警信号，并控制故障信息显示器13显示盘管换热器6出现了断流故障的信息，同时，容错控制器8输出控制温度控制器1停止控制盘管流量调节阀3的控制信号给温度控制器1，并输出将盘管流量控制器4调整为系数为1的比例环节的控制信号给盘管流量控制器4，即盘管流量控制器4只传输温度控制器1传输给其的信号，不对其接收到的信号做运算处理，温度控制器1接收到停止控制盘管流量调节阀3的控制信号后，对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器1对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)，并通过盘管流量控制器4发送给夹套流量调节阀5，所述夹套流量调节阀5根据盘管流量控制器4发送给其的对流入夹套换热器7中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)调节开度，实现对流入夹套换热器7中的载热介质流量的控制，由夹套换热器7单独承担全部换热负荷，进而实现对CSTR温度TP(t)进行控制，并保持在CSTR温度设定值TS的目的。即所述CSTR温度容错控制系统自动将盘管换热器6热交换负荷转移到了夹套换热器7，将CSTR温度的盘管换热器6流量与夹套换热器7流量双重控制转换为了以夹套换热器7流量为单一操纵变量的单回路温度控制，实现了对盘管换热器6出现了断流故障的CSTR温度容错控制，维持了CSTR温度的平衡控制，以及CSTR反应和生产过程正常。
为了验证本发明控制方法在盘管换热器6出现了断流故障时的控制效果，通过实验得到时间t＝1000s时，盘管换热器6发生断流故障，采用本发明所述控制系统和控制方法的CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线图如图5a所示，采用本发明所述控制系统和控制方法的CSTR温度容错控制系统的盘管和夹套载热介质流量曲线图如图5b所示。
图5a中，TP(t)为CSTR实际反应温度信号，单位为℃；t为时间，单位为s；实线SGJTT为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统的温度动态响应曲线；图5b中，Q(t)为载热介质流量，单位为m3/h；t为时间，单位为s；实线SGJTSGQ为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统中盘管换热器6的载热介质流量曲线，虚线SGJTJTQ为基于双换热器的CSTR温度容错控制系统中夹套换热器7的载热介质流量曲线；从图5a和图5b可以明显看出，采用本发明所述CSTR温度容错控制系统和CSTR温度容错控制方法，在时间t＝1000s时，盘管换热器6发生断流故障时，所述CSTR温度容错控制系统自动将盘管换热器6热交换负荷转移到了夹套换热器7，由于夹套换热器7的换热效率高，因此能消耗较少的载热介质就消除温度偏差，维持了CSTR温度的平衡控制，反应温度保持在72℃，保证了CSTR反应和生产过程正常。
需要说明的是，由于uCQ(t)＝QJ(t)且uT(t)＝QC(t)的情况下，说明盘管换热器6和夹套换热器7均未出现断流故障，此时TP(t)＝TS，CSTR温度容错控制系统对CSTR温度的控制方法还是按照步骤一～步骤四进行；在实际生产中，同一时刻出现uCQ(t)≠QJ(t)且uT(t)≠QC(t)的情况，即盘管换热器和夹套换热器同一时出现断流的情况，在CSTR正常反应和生产过程出现的概率极小，因此步骤六只分当uCQ(t)≠QJ(t)、uT(t)＝QC(t)且QJ(t)≤3％QJMax时以及当uCQ(t)＝QJ(t)、uT(t)≠QC(t)且QC(t)≤3％QCMax时两种情况实现对CSTR温度的容错控制。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，所述CSTR(9)内部设置有盘管换热器(6)，所述CSTR(9)外部设置有夹套换热器(7)，所述盘管换热器(6)的载热介质入口处连接有盘管载热介质输入管(11)，所述盘管载热介质输入管(11)上设置有用于对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行调节的盘管流量调节阀(3)，所述夹套换热器(7)的载热介质入口处连接有夹套载热介质输入管(10)，所述夹套载热介质输入管(10)上设置有用于对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量进行调节的夹套流量调节阀(5)，所述CSTR温度容错控制系统包括温度控制器(1)和与温度控制器(1)的输出端连接的盘管流量控制器(4)，所述温度控制器(1)的输入端接有用于对CSTR(9)的实际反应温度进行实时检测的温度检测装置(2)，所述盘管流量调节阀(3)与温度控制器(1)的输出端连接，所述夹套流量调节阀(5)与盘管流量控制器(4)的输出端连接；其特征在于：所述CSTR温度容错控制系统还包括容错控制器(8)以及与容错控制器(8)输出端连接的故障报警器(12)和故障信息显示器(13)，所述容错控制器(8)的输入端接有用于对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行实时检测的盘管流量检测装置(14)和用于对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量进行实时检测的夹套流量检测装置(15)，所述盘管流量检测装置(14)设置在盘管载热介质输入管(11)上，所述夹套流量检测装置(15)设置在夹套载热介质输入管(10)上，所述温度控制器(1)和盘管流量控制器(4)均与容错控制器(8)相接，所述温度检测装置(2)与容错控制器(8)的输入端连接。
2.按照权利要求1所述的一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，其特征在于：所述故障报警器(12)为声光报警器。
3.按照权利要求1所述的一种基于双换热器的CSTR温度容错控制系统，其特征在于：所述故障信息显示器(13)为液晶显示屏。
4.一种利用如权利要求1所述的控制系统对CSTR温度进行容错控制的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一、温度检测装置(2)对CSTR(9)的实际反应温度进行实时检测，并将所检测到的CSTR实际反应温度信号TP(t)实时传输给温度控制器(1)和容错控制器(8)；
步骤二、温度控制器(1)对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器(1)对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀(3)、盘管流量控制器(4)和容错控制器(8)；
步骤三、所述盘管流量调节阀(3)根据温度控制器(1)发送给其的对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量的控制，由盘管换热器(6)对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；同时，盘管流量检测装置(14)对盘管换热器(6)中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器(8)；夹套流量检测装置(15)对夹套换热器(7)中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器(8)；
步骤四、通过盘管流量控制器(4)和夹套流量调节阀(5)对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量进行控制，进而实现对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行相应调整的目的，具体过程如下：
步骤401、盘管流量控制器(4)接收温度控制器(1)发送给其的控制信号uT(t)并通过差值比较器对控制信号uT(t)与盘管换热器(6)载热介质流量设定值QCS进行差值比较得出盘管换热器(6)载热介质流量偏差信号eCQ(t)；然后，盘管流量控制器(4)对盘管换热器(6)载热介质流量偏差信号eCQ(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)，并发送给夹套流量调节阀(5)和容错控制器(8)；
步骤402、所述夹套流量调节阀(5)根据盘管流量控制器(4)发送给其的对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)调节开度，实现对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量的控制，由夹套换热器(7)逐渐替代盘管换热器(6)的换热负荷变化，使得盘管换热器(6)载热介质流量偏差信号eCQ(t)逐渐趋于0，即使得对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)逐渐等于盘管换热器(6)载热介质流量设定值QCS，进而实现对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的目的；同时，盘管流量检测装置(14)对盘管换热器(6)中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的盘管换热器载热介质流量QC(t)实时传输给容错控制器(8)；夹套流量检测装置(15)对夹套换热器(7)中的载热介质流量进行实时检测，并将所检测到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)实时传输给容错控制器(8)；
步骤五、容错控制器(8)将其接收到的CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行比对，当TP(t)＝TS时，返回步骤一，否则，当TP(t)≠TS时，执行步骤六；
步骤六、容错控制器(8)将其接收到的盘管换热器载热介质流量QC(t)与对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)和盘管换热器载热介质最大流量QCMax进行比对，并将其接收到的夹套换热器载热介质流量QJ(t)与对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uCQ(t)和夹套换热器载热介质最大流量QJMax进行比对；得出比对结果并分以下两种情况进行控制操作：
情况一、当uCQ(t)≠QJ(t)、uT(t)＝QC(t)且QJ(t)≤3％QJMax时，说明夹套换热器(7)出现了断流故障，此时，容错控制器(8)控制故障报警器(12)输出夹套换热器(7)故障的报警信号，并控制故障信息显示器(13)显示夹套换热器(7)出现了断流故障的信息，同时，温度控制器(1)对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器(1)对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)，并发送给盘管流量调节阀(3)，所述盘管流量调节阀(3)根据温度控制器(1)发送给其的对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT(t)调节开度，实现对流入盘管换热器(6)中的载热介质流量的控制，由盘管换热器(6)对CSTR的温度进行快速控制，使得温度偏差信号e(t)迅速减小并趋于0；
情况二、当uCQ(t)＝QJ(t)、uT(t)≠QC(t)且QC(t)≤3％QCMax时，说明盘管换热器(6)出现了断流故障，此时，容错控制器(8)控制故障报警器(12)输出盘管换热器(6)故障的报警信号，并控制故障信息显示器(13)显示盘管换热器(6)出现了断流故障的信息，同时，容错控制器(8)输出控制温度控制器(1)停止控制盘管流量调节阀(3)的控制信号给温度控制器(1)，并输出将盘管流量控制器(4)调整为系数为1的比例环节的控制信号给盘管流量控制器(4)，温度控制器(1)接收到停止控制盘管流量调节阀(3)的控制信号后，对CSTR实际反应温度信号TP(t)进行实时采集，并通过差值比较器对CSTR实际反应温度信号TP(t)与CSTR温度设定值TS进行差值比较得出温度偏差信号e(t)；然后，温度控制器(1)对温度偏差信号e(t)进行分析处理，得出对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)，并通过盘管流量控制器(4)发送给夹套流量调节阀(5)，所述夹套流量调节阀(5)根据盘管流量控制器(4)发送给其的对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量进行控制的控制信号uT’(t)调节开度，实现对流入夹套换热器(7)中的载热介质流量的控制，由夹套换热器(7)单独承担全部换热负荷，进而实现对CSTR温度TP(t)进行控制，并保持在CSTR温度设定值TS的目的。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤401和步骤402中，盘管换热器(6)载热介质流量设定值QCS不大于盘管流量调节阀(3)全开时盘管换热器(6)载热介质流量的15％。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510260628.XA CN104898728B (zh) | 2015-05-20 | 2015-05-20 | 一种基于双换热器的cstr温度容错控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510260628.XA CN104898728B (zh) | 2015-05-20 | 2015-05-20 | 一种基于双换热器的cstr温度容错控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104898728A true CN104898728A (zh) | 2015-09-09 |
| CN104898728B CN104898728B (zh) | 2017-02-22 |
Family
ID=54031438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510260628.XA Expired - Fee Related CN104898728B (zh) | 2015-05-20 | 2015-05-20 | 一种基于双换热器的cstr温度容错控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104898728B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112556483A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-03-26 | 沈阳化工大学 | 带故障容错功能的间壁式换热器温度自适应跟踪控制系统 |
| CN113494489A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-12 | 洛阳中重自动化工程有限责任公司 | 一种减速器润滑油流量自适应调整的润滑系统及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1713096A (zh) * | 2004-06-15 | 2005-12-28 | 袁璞 | 连续生产化学反应器的控制方法及系统 |
| US20120173002A1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-07-05 | Basf Se | Two-degree-of-freedom control having an explicit switching for controlling chemical engineering processes |
| CN102681565A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 西安科技大学 | 基于蛇管与夹套双换热器的cstr温度控制系统及方法 |
| WO2012156393A1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-11-22 | Fastech S.R.L. | Solution process for the production of ep(d)m elastomers and polymerisation reactor for use in said process. |
| CN104035336A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-09-10 | 河海大学 | Mimo非最小相位cstr反应器的非线性控制器设计方法 |
-
2015
- 2015-05-20 CN CN201510260628.XA patent/CN104898728B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1713096A (zh) * | 2004-06-15 | 2005-12-28 | 袁璞 | 连续生产化学反应器的控制方法及系统 |
| US20120173002A1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-07-05 | Basf Se | Two-degree-of-freedom control having an explicit switching for controlling chemical engineering processes |
| WO2012156393A1 (en) * | 2011-05-16 | 2012-11-22 | Fastech S.R.L. | Solution process for the production of ep(d)m elastomers and polymerisation reactor for use in said process. |
| CN102681565A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 西安科技大学 | 基于蛇管与夹套双换热器的cstr温度控制系统及方法 |
| CN104035336A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-09-10 | 河海大学 | Mimo非最小相位cstr反应器的非线性控制器设计方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 尚启英: "间歇式反应釜的故障诊断及容错控制设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112556483A (zh) * | 2020-11-16 | 2021-03-26 | 沈阳化工大学 | 带故障容错功能的间壁式换热器温度自适应跟踪控制系统 |
| CN113494489A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-12 | 洛阳中重自动化工程有限责任公司 | 一种减速器润滑油流量自适应调整的润滑系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104898728B (zh) | 2017-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104014293B (zh) | 用于苯丙乳液聚合的自动化生产方法 | |
| CN107166733A (zh) | 电磁加热装置及其负荷自适应方法 | |
| CN105605955A (zh) | 一种熔盐换热实验装置及其控制方法 | |
| CN109164895A (zh) | 一种服务器液冷系统及水泵一用一备无扰切换控制方法 | |
| CN102681565B (zh) | 基于蛇管与夹套双换热器的cstr温度控制系统及方法 | |
| CN104898728A (zh) | 一种基于双换热器的cstr温度容错控制系统及方法 | |
| CN104199479A (zh) | 无级温度控制系统 | |
| CN101952026A (zh) | 反应器冷却系统 | |
| CN103294086B (zh) | 一种恒温液循环装置及温控方法 | |
| CN102135782A (zh) | 电力控制系统及包含其的立式炉加热设备 | |
| CN107158731A (zh) | 一种冷凝回流系统 | |
| CN102466220A (zh) | 一种工业用恒温控制系统 | |
| CN209495483U (zh) | 塔式太阳能光热电站吸热系统 | |
| CN107188995B (zh) | 一种用于调节聚四氟乙烯反应温度的装置及其应用 | |
| CN103193937A (zh) | 一种丁苯胶乳的生产工艺 | |
| CN213611308U (zh) | 一种反应釜自动化温控系统 | |
| CN212227781U (zh) | 一种凝汽器循环冷却水温升自动控制系统 | |
| CN206910835U (zh) | 一种冷凝回流系统 | |
| CN105713113B (zh) | 一种凝聚釜气相物料热量回收的方法 | |
| CN213300797U (zh) | 干燥系统中的冷凝水回收利用系统 | |
| CN216871093U (zh) | 一种黄化反应过程调温系统 | |
| CN103539875A (zh) | 一种反应物外循环换热器冷却介质温度的控制方法 | |
| CN208204981U (zh) | 一种消除闭式冷凝水回收系统背压的节能装置 | |
| CN106831274A (zh) | 油相加热系统及其控制系统 | |
| CN206772124U (zh) | 一种多重热管换热器保护装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170222 Termination date: 20190520 |