蒸汽加熱換熱器的優(yōu)化控制

高麗梅

(中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030)

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蒸汽加熱換熱器的優(yōu)化控制

高麗梅

(中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030)

摘要：針對蒸汽加熱的立式管殼式換熱器，就調(diào)節(jié)閥位置在進(jìn)口蒸汽還是出口凝液管線上展開討論。蒸汽調(diào)節(jié)閥安裝在蒸汽入口管道上，凝結(jié)水將夾帶大量蒸汽排出，不能充分利用蒸汽潛熱，且調(diào)節(jié)閥口徑較大，成本高；調(diào)節(jié)閥安裝在出口凝液管線上，在換熱器上增加液位控制，可充分地利用蒸汽潛熱，節(jié)省能源，且出口凝液管道比蒸汽進(jìn)口管道小，可以節(jié)省調(diào)節(jié)閥購買費(fèi)用，通過控制冷凝液的排放量和排放速度，達(dá)到最大化的換熱效果；同時(shí)就改進(jìn)后的控制方案從理論上分析了其可行性。

關(guān)鍵詞：蒸汽凝液換熱器液位控制

換熱器是在具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設(shè)備，廣泛應(yīng)用于化工、能源、機(jī)械、交通、冶金、動力及航空航天等領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)中，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達(dá)到工藝流程規(guī)定的指標(biāo)，以滿足工藝條件的需要，是非常重要的換熱設(shè)備。

目前，在換熱器中，應(yīng)用最多的是管殼式換熱器。隨著傳熱強(qiáng)化技術(shù)和換熱器設(shè)計(jì)方法的飛速發(fā)展，關(guān)于蒸汽換熱的管殼式換熱器在控制方面的節(jié)能降耗也進(jìn)行了多方面的應(yīng)用研究，取得了良好的效果，有效解決了裝置穩(wěn)定運(yùn)行的問題。筆者對蒸汽加熱的立式管殼式換熱器原有及改進(jìn)后控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)、原理進(jìn)行了討論分析，對其他同類型裝置具有借鑒意義。

1蒸汽加熱換熱器原有控制方式

立式管殼式換熱器采用蒸汽作為加熱介質(zhì)，物料進(jìn)入列管式換熱器管程獲得熱量被加熱，蒸汽自殼程上管口進(jìn)入，下管口冷凝為飽和凝液通過疏水閥或泵抽出，主要利用蒸汽潛熱對管程物料進(jìn)行加熱。此類換熱器主要應(yīng)用于再沸器和蒸發(fā)器等。

采用蒸汽加熱換熱器的傳統(tǒng)調(diào)節(jié)方式為將調(diào)節(jié)閥安裝在蒸汽入口管道上，通過調(diào)節(jié)蒸汽入口流量控制被加熱物料的溫度或汽化率，被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與蒸汽流量形成串級控制。此種控制方式比較直接，換熱器不需要很大的余量，調(diào)節(jié)閥口徑較大，成本較高；但調(diào)節(jié)閥安裝在入口管道需將蒸汽節(jié)流，必然降低了蒸汽的能量，造成一部分熱量浪費(fèi)，對節(jié)能不利。同時(shí)換熱器出口需配備性能良好的疏水系統(tǒng)，如圖1所示。一旦疏水系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將影響換熱器的換熱效率，而且凝結(jié)水中夾帶大量蒸汽排出，造成嚴(yán)重浪費(fèi)，常規(guī)疏水閥的漏氣率在5%左右，其實(shí)此部分熱量已經(jīng)損失掉了；考慮到目前單個(gè)疏水閥的疏水量有限且疏水閥并聯(lián)放置時(shí)效果降低等原因，當(dāng)蒸汽用量過大時(shí)(熱負(fù)荷大，一般超過15t/h)，根據(jù)物料守恒定律可知，凝結(jié)水量相應(yīng)也較大，將選不到合適的疏水閥。所以當(dāng)換熱器蒸汽用量大時(shí)，傳統(tǒng)的做法是在換熱器后增加蒸汽凝液罐(如凝液需要回收利用需增加增壓泵)，再通過控制蒸汽凝液罐液位的方法來達(dá)到充分利用蒸汽潛熱的效果，如圖2所示。由于化工裝置一般布置緊湊，增加一個(gè)容器會使空間就顯得更加狹小，給操作造成不便，且需要增加凝液罐的一次投資費(fèi)用，既不美觀也不經(jīng)濟(jì)。

圖1　增加疏水系統(tǒng)的連接方式

換熱器換熱性能的優(yōu)劣將直接影響到裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性和生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。換熱器在剛投入使用時(shí)無結(jié)垢、傳熱系數(shù)大、換熱效果好，需要的蒸汽較少流量就能達(dá)到良好的換熱效果。隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，在生產(chǎn)過程中，換熱器蒸汽側(cè)(殼程)或物料側(cè)(管程)的結(jié)垢或污染都可能造成換熱熱阻的增加，進(jìn)而使換熱器的傳熱效率變差，最終導(dǎo)致工藝參數(shù)達(dá)不到換熱技術(shù)要求且蒸汽消耗大量增加。

圖2　增加凝液罐的連接方式

2蒸汽加熱換熱器現(xiàn)有控制方案

圖3　出口溫度與換熱器液位形成串級調(diào)節(jié)

圖4　出口溫度與蒸汽凝液流量形成串級調(diào)節(jié)

蒸汽加熱的立式管殼式換熱器的調(diào)節(jié)閥安裝在蒸汽凝液出口管道上，且在換熱器殼程上增加液位控制或液位顯示，被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與換熱器液位形成串級調(diào)節(jié)(如圖3所示)或者被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與蒸汽凝液流量形成串級調(diào)節(jié)(如圖4所示)，該方案可以充分地利用蒸汽潛熱，減少蒸汽熱量損失，達(dá)到節(jié)約能源的目的。由于出口蒸汽凝液管道比蒸汽進(jìn)口管道小的多，在達(dá)到控制效果的同時(shí)還可以節(jié)省調(diào)節(jié)閥的采購費(fèi)用。換熱器液位控制或換熱器凝液出口流量調(diào)節(jié)控制方案替換凝液出口疏水閥或蒸汽凝液罐的調(diào)節(jié)方式，可以通過控制蒸汽凝液的排放量或排放速度，調(diào)整換熱器換熱面積，達(dá)到蒸汽潛熱利用最大化的換熱效果。該控制方案可以減小蒸汽波動的影響，不需調(diào)節(jié)閥節(jié)流降壓降低蒸汽能量，可以提高蒸汽熱量利用效率，達(dá)到節(jié)能降耗目的。換熱器加裝液位測量的主要目的是使進(jìn)入再沸器的蒸汽完全冷凝下來，其一節(jié)約蒸汽；其二若蒸汽冷凝液回收利用，保證回收管道中全部是液體，不會因含有未冷凝的蒸汽進(jìn)入回收管道造成管道劇烈震動，同時(shí)可以省去疏水閥或蒸汽分離罐；其三通過液位測量時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱器液位，了解蒸汽和換熱器使用情況，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。

通過控制適當(dāng)?shù)膿Q熱器液位，保證一定的換熱面積，可以有效地避免蒸汽串氣的現(xiàn)象(疏水閥不太好使的時(shí)候)。根據(jù)能量守恒定律，調(diào)節(jié)閥設(shè)在換熱器出口，看似是調(diào)節(jié)再沸器出口蒸汽冷凝液的流量，實(shí)際上是通過調(diào)節(jié)蒸汽凝液流量來間接控制蒸汽用量，同時(shí)避免出口凝液中夾帶蒸汽。既避免了單個(gè)疏水閥疏水量不大的缺點(diǎn)，也解決了增加蒸汽凝液罐帶來的設(shè)備布置困難問題。

傳統(tǒng)換熱器控制方案中，在裝置定期檢修時(shí)，通常需對換熱設(shè)備進(jìn)行清洗，但需要裝置停車才能進(jìn)行，因而減少了裝置的有效工作時(shí)間，造成資源大量浪費(fèi)。如果能夠在設(shè)備運(yùn)行過程中判斷出換熱器的工作狀態(tài)，并據(jù)此制訂檢修計(jì)劃，就可以充分延長設(shè)備的檢修周期，降低檢修成本，更重要的是可以減少裝置的停運(yùn)時(shí)間，提高生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性。換熱器上加裝液位測量元件，就可以通過DCS畫面的液位實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，對換熱器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析和性能預(yù)報(bào)，可以間接提供換熱器的工作性能指標(biāo)，對其中長期的變化趨勢進(jìn)行預(yù)報(bào)，由此制訂科學(xué)合理的運(yùn)行和檢修方案，監(jiān)控?fù)Q熱器的運(yùn)行狀態(tài)，提高整個(gè)裝置的生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)和檢修成本。

3兩種控制方案原理分析

管殼式換熱器在熱交換過程中，主要通過間壁的熱傳導(dǎo)和間壁兩側(cè)的對流傳熱。在此忽略通過固體間壁的熱傳導(dǎo)，主要考慮間壁兩側(cè)的對流傳熱。對流傳熱速率(單位時(shí)間內(nèi)所傳遞的熱量)可以用下式表示：

Q=KAΔT

(1)

式中：Q——熱流通量；K——總傳熱系數(shù)；A——換熱面積；ΔT——傳熱溫差。

根據(jù)式(1)可知，無論是調(diào)節(jié)K，A還是ΔT，都能實(shí)現(xiàn)Q的調(diào)節(jié)。由于換熱器主要利用的是蒸汽潛熱，因而工藝參數(shù)確定，ΔT即為恒定的，只能通過改變K或A來達(dá)到換熱目的。調(diào)節(jié)閥安裝在蒸汽管線上時(shí)，是通過調(diào)整換熱器內(nèi)蒸汽凝液膜的厚度和導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到改變總傳熱系數(shù)K的目的；而將調(diào)節(jié)閥安裝在蒸汽凝液管道上，是通過調(diào)整換熱器液位高度來達(dá)到改變換熱面積A的目的。當(dāng)然，調(diào)節(jié)ΔT也是可以的，但不僅難度大，相比調(diào)節(jié)K和A要困難的多，且造成蒸汽能量的大量損失。

換熱器控制中要調(diào)節(jié)A，首先要通過調(diào)節(jié)液位，所以調(diào)節(jié)閥需要安裝在出口蒸汽凝液管道上，一種即為液位控制方案，另一種為流量控制方案，換熱器加裝液位測量DCS顯示。兩種方案都能對換熱器的液位進(jìn)行監(jiān)控，在DCS上顯示換熱器液位，操作簡單方便。通過調(diào)整冷凝液淹沒部分換熱管液位高低就能調(diào)節(jié)換熱面積A，達(dá)到調(diào)節(jié)所需換熱熱量的效果。

換熱器在剛投入使用時(shí)傳熱系數(shù)大，效果好，需要的蒸汽流量少，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，換熱管結(jié)垢嚴(yán)重，傳熱系數(shù)降低，效果變差，需要的蒸汽流量增加。通過調(diào)整換熱器液位的方法，改變換熱面積的大小，更加節(jié)約能源，且可以通過DCS監(jiān)控?fù)Q熱液位高度，觀察換熱器的運(yùn)行情況，如果發(fā)現(xiàn)液位很低，證明換熱器結(jié)垢嚴(yán)重已不能滿足換熱要求，需要停車清洗。

4結(jié)論

本文綜合考慮熱利用和穩(wěn)定工藝等因素，以實(shí)際控制方案為依據(jù)，通過兩種控制方案的比較，證明將調(diào)節(jié)閥安裝在換熱器出口蒸汽凝液管線上，改變加熱面積來達(dá)到最終控制目標(biāo)的方案，更具有調(diào)節(jié)方便、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，且可以通過液位測量元件監(jiān)控?fù)Q熱器的運(yùn)行狀態(tài)，提高整個(gè)裝置的生產(chǎn)效率；但對于蒸汽壓力波動大的工況，需要在進(jìn)口蒸汽管線上增加自力式調(diào)節(jié)閥以穩(wěn)定蒸汽壓力以達(dá)到最佳控制效果。具體方案為以工藝物料出口溫度(或其他控制變量)為主環(huán)，以蒸汽凝液流量或換熱器液位為副環(huán)組成串級調(diào)節(jié)，以主環(huán)給定副環(huán)，以達(dá)到控制物料溫度與節(jié)能降耗兼顧的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳德榮.化工工藝設(shè)計(jì)手冊[M].4版上.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]韓岳龍，孫強(qiáng)，楊曉一.乙烯精餾塔再沸器加熱控制方案的優(yōu)化[J].乙烯工業(yè)，2013，25(03)： 37-40.

[4]郭海霞.串級三沖量控制系統(tǒng)在汽包液位控制的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2014，34(03)： A01-A04.

[5]李蒙.低壓蒸汽凝液回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].節(jié)能，2008(07)： 41-43.

[6]李克景.淺談精餾塔的工藝控制方案設(shè)計(jì)[J].石油化工應(yīng)用，2013，32(03)： 119-124.

[7]SHNSKEY F G. Distillation Control [M]. New York： McGrawHill, 1984.

[8]俞金壽，孫自強(qiáng).過程自動化及儀表[M].2版.北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[9]畢士強(qiáng)，趙恒永，畢士勇.基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和NLJ優(yōu)化算法的精餾塔控制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2006(03)： 33-36.

[10]RAU M． Process Control Engineering [M]． Gordon and Breaxh Scince Publisher, 1993．

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)04-0074-03

作者簡介：高麗梅(1981—)，女，上海人，畢業(yè)于華東理工大學(xué)自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于中石化寧波工程公司上海分公司電控室，長期從事石油化工自動化及儀表設(shè)計(jì)工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-03-11。