Нагревание жидкостей. Регулирование работы трубчатых печей

 

   В своей работе хочу проанализировать основные параметры регулирования нагревания жидкостей в трубчатых печах, и отразить основные аспекты и принципы этой работы. Автоматизация технологического процесса — это совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление самим технологическим процессом без участия человека, либо за оставления за человеком права принятия наиболее ответственных решений.  

     Автоматизация приводит к улучшению  основных показателей эффективности производства: увеличению количества, улучшению качества и снижению себестоимости выпускаемой продукции, повышению производительности труда. Внедрение автоматических устройств обеспечивает высокое качество продукции, сокращение брака и отходов, уменьшение затрат сырья и энергии, уменьшение численности основных рабочих, снижение капитальных затрат на строительство зданий (производство организуется под открытым небом), удлинение сроков межремонтного пробега оборудования.

  Проведение некоторых современных технологических процессов возможно только при условии их полной автоматизации (например, процессы, осуществляемые на атомных установках и в паровых котлах высокого давления, процессы дегидрирования и др.). При ручном управлении такими процессами малейшее замешательство человека и несвоевременное воздействие его на процесс могут привести к серьезным последствиям.

    Внедрение специальных автоматических устройств способствует безаварийной работе об орудования, исключает случаи травматизма, предупреждает загрязнение атмосферного воздуха и водоемов промышленными отходами. 

 

                      1.Автоматизация  процесса нагревания на примере  теплообменника 

 

   Типовое решение автоматизации процесса нагревания. Рассмотрим принципы управления процессом управления нагревания на примере поверхностного кожухотрубчатого теплообменника, в который подают нагреваемый продукт и теплоноситель. Показателем эффективности данного процесса является температура продукта на выходе из теплообменника, а целью управления — поддержание этой температуры на определенном уровне. Зависимость температуры от параметров процесса может быть найдена из уравнения теплового баланса:

где расходы соответственно продукта и горячего теплоносителя; 

— удельные теплоемкости продукта и  горячего теплоносителя; 

—температуры продукта и горячего теплоносителя на входе в теплообменник;

— температура горячего теплоносителя  на выходе из теплообменника.  

 

    Расход теплоносителя  можно легко стабилизировать или использовать для внесения эффективных регулирующих воздействий. Расход продукта определяется другими технологическими процессами, а не процессом нагревания, поэтому он не может быть ни стабилизирован, ни использован для внесения регулирующих воздействий; при изменении в теплообменник будут поступать сильные возмущения. Температуры , а также удельные теплоемкостиопределяются технологическими режимами других процессов, поэтому стабилизировать их при ведении процесса нагревания невозможно. К неликвидируемым возмущениям относятся также изменение температуры окружающей среды и свойств теплопередающей стенки вследствие отложения солей, а также коррозии.

Анализ объекта управления показал, что большую часть возмущающих воздействий невозможно устранить. B связи с этим следует в качестве регулируемой величины брать температуру , а регулирующее воздействие осуществлять путем изменения расхода .

Теплообменники как объекты  регулирования температуры обладают большими запаздываниями, поэтому следует уделять особое внимание выбору места установки датчика и закону регулирования. Для уменьшения транспортных запаздываний датчик температуры необходимо помещать как можно ближе к теплообменнику. Для устранения запаздывания значительный эффект может дать применение регуляторов с предварением и исполнительных механизмов с позиционерами.

    В качестве контролируемых величин следует принимать расходы теплоносителей, их конечные и начальные температуры, давления. Знание текущих значений этих параметров необходимо для нормального пуска, наладки и эксплуатации процесса. Расход требуется знать также для подсчета технико-экономических показателей процесса, а расход и температуру — для оперативного управления процессом.

Сигнализации подлежат температура  и расход продукта. В связи с тем что резкое падение расхода может послужить причиной выхода из строя теплообменника, устройство защиты в этом случае должно перекрывать линию горячего теплоносителя.

Все рассуждения в отношении процесса нагревания справедливы и для процесса охлаждения. Объектом управления в этом случае будет являться кожухотрубный теплообменник, в который подается холодоноситель и охлаждаемый продукт; показателем эффективности — конечная температура продукта, а целью управления — поддержание этой температуры на заданном значении. Основным узлом управления будет регулятор конечной температуры охлаждаемого продукта, регулирование же будет осуществляться путем изменения расхода холодоносителя.

 

 

 

                              2. Каскадно-связанное регулирование

 

    Использование двухконтурных САР значительно улучшает качество регулирования конечной температуры продукта (основная регулируемая величина), если вспомогательной величиной выбрать параметр, изменение которого будет сильным возмущением для процесса теплообмена. Часто в качестве вспомогательного параметра выбирают расход теплоносителя, как изображено на рисунке 2,а; если теплоносителем служит пар с переменным давлением, то предпочтительнее брать давление теплоносителя – рисунок 2,б или давление в межтрубном пространстве - рисунок 2, в. Последний вариант схемы следует использовать при переменных расходе и температуре нагреваемого продукта, так как давление в межтрубном пространстве является гораздо менее инерционным параметром, чем конечная температура продукта. 

 

 

                  3. Регулирование процесса байпасированием продукта 

 

   Для регулирования систем, в которых изменение расхода теплоносителя недопустимо, используют метод байпасирования. Регулирующее воздействие в этих случаях осуществляется изменением расхода байпасируемого продукта. Схема регулирования в таких системах представлена на рисунке 3.

Поскольку перемещение регулирующего  органа на байпасной линии все же приводит к некоторому изменению расхода продукта, при высоких требованиях к постоянству этого расхода устанавливают два мембранных исполнительных механизма разных типов (НО и НЗ, рисунок 3,б). Аналогичный эффект достигается при установке трехходового смесительного клапана.

   Регулирование методом байпасирования улучшает динамическую характеристику системы, так как при этом из цепи регулирования исключается теплообменник.

 

4. Регулирование процесса изменением  расхода конденсата греющего  пара 

 

Если теплообменник работает при частичном заливе конденсата, регулирующие воздействия можно вносить изменением расхода конденсата. Это влечет за собой изменение уровня конденсата в теплообменнике. При этом перераспределяются поверхности теплообмена между конденсирующимся паром и продуктом, с одной стороны, и конденсатом и продуктом — с другой. Интенсивность теплообмена, а затем и температура продукта на выходе теплообменника меняются. Такая система позволяет повысить эффективность работы теплообменника на 6—7% благодаря полному использованию тепла пара и конденсата. Однако вследствие больших запаздываний эта система может быть рекомендована лишь при условии отсутствии резких возмущающих воздействий. 

 

5. Регулирование процесса изменением  температуры горячего теплоносителя  

 

Если насос теплоносителя установлен после теплообменника, то стабилизировать конечную температуру продукта можно путем изменения начальной температуры горячего теплоносителя за счет рециркуляции части отработанного теплоносителя. Достоинством данного метода является постоянство расхода и скорости теплоносителя в теплообменнике, что обеспечивает высокие и стабильные значения коэффициента теплоотдачи. 

 

              6. Регулирование процесса изменением расхода продукта 

 

Если для качественного управления процессом теплообмена допустимо  изменение или стабилизация расхода  продукта, то в зависимости от возможных  возмущающих воздействий может  быть принят один из вариантов схем регулирования, показанных на рисунке 4. Стабилизирующие регуляторы расхода  теплоносителя и расхода продукта ликвидируют возмущения до поступления  их в систему.

 

                7. Регулирование процесса в теплообменниках смешения 

 

   Малейшие изменения параметров теплоносителя при непосредственном смешении двух и более жидкостей приводят к значительным и быстрым изменениям конечной температуры продукта, поэтому при управлении теплообменников смешения часто применяют связанное регулирование и регулирование соотношения расхода теплоносителя и продукта с коррекцией по температуре продукта. 

 

 

                                 8. Регулирование процесса в топках 

 

     При сушке, выпаривании, обжиге и других процессах в качестве теплоносителя часто используют топочные газы, получаемые в топках в результате сжигания топлива. В зависимости от требований, предъявляемых к топочному газу, в промышленности используют топки разных конструкций. Наиболее простой является топка с инжекционными горелками, изображена на рисунке 5,а. Расход топлива в этом случае изменяется в зависимости от температуры (или какого-либо другого параметра) того процесса, в котором используют полученные топочные газы. Соотношение расходов топлива и воздуха, подсасываемого из атмосферы, поддерживается постоянным за счет изменения инжекционной способности горелки при изменении расхода топлива. Температуру топочных газов сразу после топки регулируют изменением расхода вторичного воздуха.

      В отдельных  случаях разбавляющий воздух подается одновременно в охлаждающую рубашку топки и в смесительную камеру. Расход вторичного воздуха при такой технологии изменяется в зависимости от температуры во внутренней футеровке топки или температуры в топке вблизи футеровки, а расход третичного воздуха — от температуры после смесительной камеры. 

 

 

                           9. Регулирование работы трубчатых печей  

 

 

    В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности широкое применение находят трубчатые печи, в которых продукт, непрерывно прокачиваемый через змеевик, нагревается за счет тепла, выделяющегося при сжигании топлива. Трубчатая печь является сложным объектом регулирования; стабилизацию конечной температуры продукта в ней необходимо обеспечить при значительно изменяющихся температуре и расходе продукта. Постоянно изменяется также состояние змеевика и тепловой изоляции. Компенсация всех воздействий осуществляется изменением количества подаваемого печь топлива.                              Всвязи с тем что для трубчатой-печи характерны большие  запаздывания (20—30 мин по каналу «расход топлива — конечная температура продукта»), целесообразно использовать связанное регулирование. Качество регулирования заметно улучшается при введении вспомогательного контура регулирования температуры топочных газов над перевальной стенкой. Это улучшение сильно влияет на температуру продукта на выходе из печи. Качество регулирования можно улучшить также, введя дополнительно регулятор расхода нагреваемого продукта.

 

 

 

 

 

 

 

 

Технологическая карта параметров

Аппарат	Параметр	Номинальное значение	Допустимое отклонение	Функциональные признаки ТСА
				Показание	Регистрация	Блокировка	Сигнализация	Регулирование
Трубчатая печь	Температура топочных газов	900°С	+10 %	+	+		+	+
Трубопровод нагретого продукта	Температура нагретого продукта	100°С	+5 %	+	+			+
Трубопровод подачи продукта	Расход продукта	500 кг/с	+10 %	+	+	+	+	+
Дымовая труба	Концентрация кислорода  в дымовых газах	2%	+20%	+	+
Трубчатая печь	Наличие пламени в топке	+/-				+	+
Трубопровод подачи топлива	Давление в трубопроводе  подачи топлива	0,2 МПа	+20%	+	+	+	+