專利名稱：一種化工換熱流程過程控制實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及化工換熱流程控制領域，具體涉及一種化工換熱流程過程控制實驗裝置。
背景技術：
化工流程控制及過程分析是化學工程與工藝專業的核心專業基礎課程之一，應用系統工程的觀點和方法來研究化工過程系統的開發、設計、控制與最優操作。針對化工流程控制的實驗，國內外通常以計算機仿真實驗或單元裝置對象過程控制裝置為主要手段，如德國某教儀公司研制的過程控制培訓系統，通過計算機仿真軟件模擬實際工業生產和加工過程，可以進行溫度、流量、壓力和液位的簡單控制實驗，以及對系·統進行閉環控制和總線控制；國內某教儀公司研制的高級過程控制系統，其實驗對象裝置選用單一鍋爐控制，開展儀器儀表檢測實驗及過程控制實驗；國內某高校研制的雙容水箱控制系統，可以進行單回路PID控制及模糊控制等實驗。申請號為200410053038. I的發明公開了一種化工多變量生產過程的解耦控制系統，由nXn維解耦控制器矩陣和多路信號混合器組成，其中n是被控多變量過程的輸出維數，利用系統設定點的n維給定值輸入信號與實際被控過程的n維輸出測量信號之間的偏差信號作為系統輸出響應的反饋調節信息，經解耦控制器矩陣運算處理后，將n維控制輸出信號發送給被控過程的n維輸入調節裝置，從而實現漸近跟蹤系統給定值輸入信號以及抑制負載干擾信號的目的。申請號為200310107956. 3的發明公開了一種化工開環不穩定串級過程的解耦控制系統，由給定值響應控制器、鎮定給定值響應的控制器、擾動觀測器、被控中間級穩定過程和末級不穩定過程的辨識模型以及信號混合器組成，給定值響應采用開環控制方式，通過在前向通道上設置比例或比例微分控制器來鎮定不穩定串級過程，利用中間級過程辨識模型的輸出與實際中間級過程的輸出之間的偏差量以及全局串級過程辨識模型經鎮定后的輸出與實際末級過程的輸出之間的偏差量，由內外環中的擾動觀測器調節處理，消除負載干擾信號的影響。申請號為200310107957. 8的發明公開了一種化工串級生產過程的解耦控制系統，由給定值響應控制器、擾動觀測器、中間級過程辨識模型、末級過程辨識模型以及信號混合器組成，通過設置在中間級過程輸入和輸出之間的負載干擾抑制閉環來快速消除混入中間級過程的負載干擾信號，從而平穩系統末級過程輸出，系統給定值響應采用開環控制方式，使控制系統的給定值響應和中間級過程負載干擾響應能夠分別獨立地調節。由于化工換熱流程控制的復雜性，制作相應的實驗裝置需要耗費較高成本，現在還沒有較完備的化工換熱流程過程控制實驗裝置。

發明內容
本發明提供了一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，可以模擬各種化工換熱流程過程，具有良好的快速跟蹤控制效果，誤差極小。一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器，每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連；每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連；每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與 鍋爐出水口相連；每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連；各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接；所述冷水槽及鍋爐設有液位檢測裝置；每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐設有溫度檢測裝置；所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設有流量檢測裝置；所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設有壓力檢測裝置；所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統。通過所述控制系統控制管路上各閥門的開啟及關閉，可以實現不同換熱器之間的串聯或并聯，通過所述控制系統控制管路上各閥門的開啟程度，可以控制不同換熱器管程或者殼程中水的流量。本發明所述帶閥門的管路泛指化工設備之間的連接方式，并非特指某段管路。所述冷水槽設有液位檢測裝置，液位低于系統設置的最低液位時，對冷水槽進行補水；所述鍋爐中設有液位檢測裝置，當鍋爐內液位低于系統設置的最低液位時，鍋爐加熱器關閉，防止鍋爐干燒，并向鍋爐補水，當鍋爐內液位高于系統設置的最高液位時，控制鍋爐不能注水。所述的每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口設有溫度檢測裝置，用于采集相應位置的溫度值，計算換熱流程中各種參數，監控換熱流程中的實時溫度，通過控制冷水循環管路或熱水循環管路中的水的流量，可以調節裝置中各處的溫度。所述鍋爐設有溫度檢測裝置，當鍋爐水溫超過系統設置的最高溫度時，向鍋爐內補水。所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設有流量檢測裝置，用于檢測相應位置的水的流量，計算換熱流程中各種參數。所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設有壓力檢測裝置，分別用于檢測熱水循環管路以及冷水循環管路中的壓力，當壓力不符合系統的預設值時，所述控制系統通過控制對應的閥門，調節相應循環管路中的水的流量。所述換熱器的管程為冷水通道，冷水溫度為5 50°C，所述換熱器的殼程為熱水通道，熱水水溫為60 80°C。所述冷水槽與鍋爐之間連接有帶閥門的補水管路。所述鍋爐的溫度檢測裝置檢測鍋爐水溫超過系統設置的最高溫度時，打開補水管路中的閥門，向鍋爐補水；所述鍋爐的液位檢測裝置檢測鍋爐液位低于系統設置的最低液位時，打開補水管路中的閥門，向鍋爐補水，防止鍋爐干燒，當鍋爐內液位高于系統設置的最高液位時，關閉補水管路的閥門，控制鍋爐不能注水。
所述補水管路中的閥門關閉時，冷水循環管路和熱水循環管路可單獨實現循環。優選地，所述鍋爐出口處管路并聯有兩端帶閥門的滯后盤管，滯后盤管出口處設有溫度檢測裝置。所述閥門及溫度檢測接入控制系統，通過閥門的開啟和關閉，該化工換熱流程過程控制實驗裝置可用于做溫度滯后實驗。作為優選，所述冷水槽出口處管路設有向換熱器以及鍋爐輸送冷水的冷水泵，所述鍋爐出口處管路設有向換熱器輸送熱水的熱水泵。作為優選，所述冷水槽與冷水泵之間設有中間槽，且中間槽設有液位檢測裝置，該液位檢測裝置接入所述控制系統。

所述中間槽設有不接入管路的入水口和排水口，所述中間槽的液位檢測裝置檢測到液位高于系統所設置的最高值時，通過排水口排水，中間槽的液位低于系統所設置的最低值時，可通過入水口注水。優選地，所述鍋爐功率為16kW，容積為0. 12m3 ;所述滯后盤管總長為32m，純滯后時間為3min，采用敷塑不銹鋼盤管；所述換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。本發明一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，通過控制系統調節閥門的開啟和關閉，可以靈活模擬各種化工換熱流程控制過程，典型的連接方式為各換熱器并聯或串聯，通過控制系統可以實現多種控制算法實驗，包括系統參數辨識、單回路控制、串級控制、前饋-反饋控制、滯后控制、比值控制、解耦控制和多變量預測控制等，既可作為高等院校控制課程的實驗裝置，也可為科研人員對復雜化工換熱流程控制系統的研究提供一個完善的物理模擬對象和實驗平臺。


圖I為本發明化工換熱流程過程控制實驗裝置示意圖；圖2為本發明化工換熱流程過程控制實驗裝置中各換熱器并聯時的示意圖(省略未連通管路)；圖3為本發明化工換熱流程過程控制實驗裝置中各換熱器串聯時的示意圖(省略未連通管路)。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明化工換熱流程過程控制實驗裝置做詳細描述。如圖I所示，一種化工換熱流程過程控制實驗裝置包括冷水槽I、中間槽2、鍋爐3、換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7、冷水泵8、熱水泵9、滯后盤管10以及連接這些部件的管路，管路的相應部位設有閥門11 閥門34，具體連接關系如下冷水槽I、中間槽2以及冷水泵8依次連接，鍋爐3的出水口與熱水泵9的入口依次連接，冷水泵8的出口通過帶閥門11的管路與鍋爐3的入口連接；換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7這四個換熱器的連接方式如下四個換熱器管程的進口分別與冷水泵8的出口連接，且在對應的管路上分別設有閥門27、閥門29、閥門31和閥門33 ；
四個換熱器管程的出口分別與冷水槽I的回水口連接，且在對應的管路上分別設有閥門13、閥門17、閥門21和閥門25 ；四個換熱器殼程的進口分別與熱水泵9的出口連接，且在對應的管路上分別設有閥門28、閥門30、閥門32和閥門34 ；四個換熱器殼程的出口分別與鍋爐3的回水口連接，且在對應的管路上分別設有閥門12、閥門16、閥門20和閥門24 ；四個換熱器的管程還通過管路依次連接，且在相連的換熱器間分別設有閥門14、閥門18和閥門22 ；四個換熱器的殼程還通過管路依次連接，且在相連的換熱器間分別設有閥門15、閥門19和閥門23 ；
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滯后盤管10并聯在熱水泵9的出水管路上，且滯后盤管10的入口通過帶閥門26的管路連接至熱水泵9的出口。冷水槽I及鍋爐3設有液位檢測裝置；換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐3設有溫度檢測裝置；冷水槽I的出水口，鍋爐3的出水口、換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7的管程進口以及殼程進口均設有流量檢測裝置；鍋爐3出水口以及冷水槽I出水口設有壓力檢測裝置。所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統。其中鍋爐3為不銹鋼電加熱鍋爐,鍋爐3的功率為16kW,容積為0. 12m3 ;滯后盤管10為敷塑不銹鋼盤管，總共38圈，總長為32m，純滯后時間為3min ;換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7這四個換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。根據與換熱器相關的閥門狀態，可以切換四個換熱器的連接關系，例如關閉閥門14、閥門18、閥門22、閥門15、閥門19、閥門23、閥門26，打開換熱器相關的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成并聯(如圖2所示)，此狀態下可做多換熱器解耦控制實驗等。又例如關閉閥門13、閥門16、閥門17、閥門20、閥門21、閥門24、閥門26、閥門28、閥門29、閥門30、閥門31、閥門32、閥門33，打開換熱器相關的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成串聯(如圖3所示)，此狀態下可做溫度滯后實驗等。本發明實驗裝置中冷水循環過程為冷水槽I供水，經過中間槽2后，由冷卻泵8輸出，經過對應換熱器的管程，進入冷水槽1，關閉自來水及閥門11時，可以實現冷水循環管路單獨循環。本發明實驗裝置中冷水循環過程為鍋爐3供水，由熱水泵9輸出，經過對應換熱器的殼程，再次回到鍋爐3中，關閉閥門11時，可以實現熱水循環管路單獨循環。控制系統采用DCS控制系統，通過DCS機柜將實驗裝置與上位機連接，實現上位機對各個數據的實時監控。本發明實驗裝置在控制系統中應用多變量控制技術，從生產過程的全局出發，直接進行多變量系統的設計，不僅可以避免或減弱各個被控變量間的耦合，而且還能達到一定的優化指標，使系統達到更高的控制水平。對于單回路控制系統進行分析或參數整定，首先要計算其開環增益，同樣在多變量系統中也是如此，但是更復雜些，對于具有兩個被控變量和兩個操作變量的過程，需要考慮四個開環增益，盡管從外表上看只有兩個增益閉合在回路中，但是必須就如何匹配做出選擇。下面以四個換熱器的并聯耦合流程為例，利用本發明提供的實驗裝置實現多變量解耦預測控制。以換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7的冷水進口流量分別作為操作變量MV1、MV2、MV3、MV4，將換熱器4、換熱器5、換熱器6、換熱器7的熱水出口溫度分別作為被控變量CV1、CV2、CV3、CV4，通過計算其相對增益來確定變量間的耦合關系。I、關閉閥門14、閥門18、閥門22、閥門15、閥門19、閥門23、閥門26，打開換熱器相關的其余閥門，換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7之間形成并聯。2、利用控制系統設置各調節閥初始開度如下(I)冷水槽液位控制設自動，設定值50%，
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(2)中間槽液位控制設自動，設定值50%，(3)冷水泵出水口調節閥開度設為50%，(4)熱水泵變頻器功率設為80 %，(5)熱水泵出水口調節閥開度設為50%，(6)換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7冷水進水調節閥開度均設為40%，(7)換熱器4、換熱器5、換熱器6以及換熱器7熱水進水調節閥開度均設為40%。3、將鍋爐加熱器的功率設為80%，待鍋爐溫度到達60°C時，切換至自動狀態，溫度設定值為65 °C。4、打開冷水泵，熱水泵和變頻器。5、待系統達到平衡后，分別完成下列配對實驗(I)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設計單回路實驗確定其靜態增益Kll ；(2)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設計單回路實驗確定其靜態增益K12 ；(3)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設計單回路實驗確定其靜態增益K13 ；(4)以換熱器4冷水進口流量作為操作變量MV1，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設計單回路實驗確定其靜態增益K14 ；(5)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設計單回路實驗確定其靜態增益K21。(6)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設計單回路實驗確定其靜態增益K22。(7)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設計單回路實驗確定其靜態增益K23。(8)以換熱器5冷水進口流量作為操作變量MV2，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設計單回路實驗確定其靜態增益K24。(9)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設計單回路實驗確定其靜態增益K31。(10)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設計單回路實驗確定其靜態增益K32。(11)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設計單回路實驗確定其靜態增益K33。(12)以換熱器6冷水進口流量作為操作變量MV3，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設計單回路實驗確定其靜態增益K34。(13)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4,換熱器4熱水出口溫度作為被控變量CVl，設計單回路實驗確定其靜態增益K41。(14)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器5熱水出口溫度作為被控變量CV2，設計單回路實驗確定其靜態增益K42。(15)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器6熱水出口溫度作為被控變量CV3，設計單回路實驗確定其靜態增益K43。(16)以換熱器7冷水進口流量作為操作變量MV4，換熱器7熱水出口溫度作為被控變量CV4，設計單回路實驗確定其靜態增益K44。6、計算控制系統的相對增益矩陣X，完成變量配對和模型辨識。配對方法有對角線型(表I)、半角型(表2)和全角型(表3)，分別代表無耦合、部分耦合以及全耦合。表I
權利要求
1.一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器， 每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連； 每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連； 每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與鍋爐出水口相連； 每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連； 各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接； 所述冷水槽及鍋爐設有液位檢測裝置；每個換熱器的管程進口和出口、殼程進口和出口以及鍋爐設有溫度檢測裝置；所述冷水槽出水口，鍋爐出水口、每個換熱器管程進口以及殼程進口均設有流量檢測裝置；所述鍋爐出水口以及冷水槽出水口設有壓力檢測裝置； 所有閥門、液位檢測裝置、溫度檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置均接入控制系統。
2.如權利要求I所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽與鍋爐之間連接有帶閥門的補水管路。
3.如權利要求2所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述鍋爐出口處管路并聯有兩端帶閥門的滯后盤管，滯后盤管出口處設有溫度檢測裝置。
4.如權利要求3所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽出口處管路設有向換熱器以及鍋爐輸送冷水的冷水泵，所述鍋爐出口處管路設有向換熱器輸送熱水的熱水泵。
5.如權利要求4所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述冷水槽與冷水泵之間設有中間槽，且中間槽設有液位檢測裝置，該液位檢測裝置接入所述控制系統。
6.如權利要求5所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述鍋爐功率為16kW，容積為O. 12m3。
7.如權利要求6所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述滯后盤管總長為32m,純滯后時間為3min。
8.如權利要求7所述的化工換熱流程過程控制實驗裝置，其特征在于，所述換熱器的最大冷水流量為3m3/h，最大熱水流量為2. 5m3/h。
全文摘要
本發明公開了一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，包括冷水槽、鍋爐以及四個換熱器，每個換熱器的管程進口通過帶閥門的管路分別與冷水槽出水口相連；每個換熱器的管程出口通過帶閥門的管路分別與冷水槽回水口相連；每個換熱器的殼程進口通過帶閥門的管路分別與鍋爐出水口相連；每個換熱器的殼程出口通過帶閥門的管路分別與鍋爐回水口相連；各個換熱器的管程通過帶閥門的管路依次連接；各個換熱器的殼程通過帶閥門的管路依次連接。本發明一種化工換熱流程過程控制實驗裝置，通過控制系統調節閥門的開啟和關閉，可以靈活模擬各種化工換熱流程控制過程，通過控制系統可以實現多種控制算法實驗。
文檔編號G09B23/24GK102789731SQ20121023307
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者馮毅萍, 劉蘇, 曹崢, 榮岡, 金曉明 申請人:浙江大學