基于分程控制的換熱器溫度調(diào)節(jié)方案及仿真驗(yàn)證

鄭軍林 石 帥 蔡 林

（[1]海裝駐武漢地區(qū)第二軍事代表室 湖北·武漢 430064；[2]中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 湖北·武漢 430064；[3]湖北師范大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 湖北·黃石 435002）

1 概述

換熱器也被稱為熱交換器，它能使熱流體的熱量傳遞給冷流體，使流體溫度控制在工藝要求范圍內(nèi)的一種熱交換設(shè)備。表面式換熱器包括管殼式、板式等類型，在船舶動(dòng)力領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如滑油冷卻器、空冷器、凝汽器、抽氣冷卻器等，均屬于表面式換熱器。換熱器在實(shí)際使用過(guò)程中，需要根據(jù)工藝生產(chǎn)的要求，實(shí)時(shí)對(duì)換熱器的工質(zhì)進(jìn)行加熱或冷卻來(lái)維持一定的出口溫度，由于換熱系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各種不穩(wěn)定因素的存在，導(dǎo)致在換熱器的運(yùn)行過(guò)程中，流量和溫度擾動(dòng)經(jīng)常發(fā)生，這對(duì)換熱器的溫度控制帶來(lái)了難度。

管殼式換熱器的溫度控制是一個(gè)典型的大慣性環(huán)節(jié)。由于系統(tǒng)本身有一定的熱容量，系統(tǒng)傳熱介質(zhì)具有一定的導(dǎo)熱能力，所以當(dāng)系統(tǒng)被加熱或冷卻時(shí)，系統(tǒng)溫度上升或下降往往需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，這種性質(zhì)稱為系統(tǒng)的熱慣量(Thermal inertia)，也稱為熱慣性。換熱器的熱慣性對(duì)換熱系統(tǒng)溫度的調(diào)節(jié)帶來(lái)了較大的難度，對(duì)于一些對(duì)被換熱工質(zhì)溫度、流量要求比較苛刻的場(chǎng)合，必須采用一些特殊的控制方案。由于大延遲控制系統(tǒng)具有超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，工程中可采用Simth預(yù)估計(jì)控制方案，但其必須精確的知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。此外，串級(jí)控制、變PID參數(shù)控制、模糊控制等方法在換熱器溫度控制方面均有所報(bào)道。本文以某水水管殼式換熱器為研究對(duì)象，對(duì)比了冷卻水溫度調(diào)節(jié)、旁通支路反饋調(diào)節(jié)以及管側(cè)分程調(diào)節(jié)三種控制方案，結(jié)果表明，換熱器管側(cè)采用分程調(diào)節(jié)控制時(shí)，可獲得較好的調(diào)節(jié)目標(biāo)。

2 對(duì)象系統(tǒng)描述

本文以典型的雙流程、U型管式管殼式液體換熱器為研究對(duì)象。如圖1所示，給出了管殼式換熱器的主要參數(shù)和示意圖。假定某一工業(yè)流程，要求管側(cè)工質(zhì)在一定的流量變化范圍內(nèi)，流過(guò)換熱器后，溫度保持為一恒定值，則該過(guò)程為典型的變流量恒溫過(guò)程。

圖1：換熱器主要參數(shù)

本文采用流體網(wǎng)絡(luò)法對(duì)換熱器的換熱及控制問(wèn)題進(jìn)行建模分析，如圖2所示，所建立的模型包括進(jìn)出口邊界，換熱器管側(cè)、殼側(cè)；相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥、截止閥以及管道附件。

圖2：換熱器系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

3 控制策略設(shè)計(jì)

本文所研究的換熱器系統(tǒng)控制目標(biāo)為換熱器管側(cè)出口溫度，系統(tǒng)的擾動(dòng)包括管熱進(jìn)出口流量、進(jìn)口溫度、殼側(cè)流量等。對(duì)換熱器目標(biāo)溫度的控制分別考慮如下控制策略：

（1）殼側(cè)冷卻水閥門(mén)反饋控制。如圖3所示，通過(guò)調(diào)整殼側(cè)冷卻水流量的大小，改變殼側(cè)換熱系數(shù)和換熱量，進(jìn)而達(dá)到對(duì)換熱器管側(cè)出口工質(zhì)溫度控制的目的。對(duì)殼側(cè)水流量的調(diào)整可采用調(diào)節(jié)閥或變頻水泵等方式，本文采用在殼側(cè)進(jìn)口設(shè)置調(diào)節(jié)閥（電動(dòng)蝶閥）的方案。采用PI反饋調(diào)節(jié)，將管側(cè)出口溫度傳感器的信號(hào)與目標(biāo)值進(jìn)行比較，并輸入PI控制器，控制器實(shí)時(shí)輸出信號(hào)至執(zhí)行器，完成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。

（2）旁通支路反饋控制。如圖3b所示，將傳熱器管側(cè)進(jìn)口增加一路管道及調(diào)節(jié)閥，形成旁通支路，使得進(jìn)口工質(zhì)可直接從旁通管路與換熱器管側(cè)出口工質(zhì)直接匯合。該方案對(duì)管側(cè)工質(zhì)溫度的調(diào)節(jié)分為兩個(gè)層面，一是旁通支路投入后，進(jìn)入換熱器管側(cè)的工質(zhì)流量減小，使得在相同的殼側(cè)冷卻水流量下，管側(cè)出口溫度更低；另一方面是旁通支路的工質(zhì)與管側(cè)出口工質(zhì)的摻混換熱，會(huì)使得匯合后的溫度高于管側(cè)出口溫度。該控制邏輯采用PI反饋調(diào)節(jié)，將管側(cè)出口溫度傳感器的信號(hào)與目標(biāo)值進(jìn)行比較，并輸入PI控制器，控制器實(shí)時(shí)輸出信號(hào)至執(zhí)行器，完成閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。

（3）主路、旁路閥門(mén)分程控制。如圖3d所示，將傳熱器管側(cè)進(jìn)口增加一路管道及調(diào)節(jié)閥，形成旁通支路，同時(shí)在管側(cè)出口再增設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，旁路調(diào)節(jié)閥與管側(cè)出口調(diào)節(jié)閥共同調(diào)節(jié)換熱器管側(cè)出口溫度。該方案從工藝角度與方案2相似，均通過(guò)旁通一部分工質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)出口溫度的調(diào)節(jié)。但在控制設(shè)計(jì)方面，采用分程控制，如圖3c所示，為該控制器與兩個(gè)閥門(mén)的閥位分程關(guān)系。

4 仿真驗(yàn)證及分析

利用實(shí)時(shí)仿真的方法，對(duì)不同的控制策略在相同的擾動(dòng)下進(jìn)行對(duì)比分析。假定某一穩(wěn)定工況下，換熱器進(jìn)口流量100kg/s，進(jìn)口溫度 100℃，出口溫度 80℃，冷卻水側(cè)流量100kg/s，進(jìn)口溫度30℃。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變管側(cè)出口溫度目標(biāo)值，造成擾動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)出口溫度的變化曲線等參數(shù)來(lái)分析不同控制策略的特點(diǎn)。

圖4a、b給出了采用調(diào)節(jié)冷卻水流量（進(jìn)口調(diào)節(jié)閥開(kāi)度）方案，在溫度突降和突增擾動(dòng)下，目標(biāo)值的響應(yīng)曲線。在t=300s時(shí)刻，將目標(biāo)溫度由80℃調(diào)整至75℃，此時(shí)冷卻水閥門(mén)開(kāi)度增加，但由于換熱器內(nèi)金屬具有一定的厚度和蓄熱能力，使得在調(diào)節(jié)過(guò)程中，存在較大慣性，并且在PI控制器的作用下，整個(gè)調(diào)節(jié)回路存在一定的超調(diào)，在第一個(gè)振蕩周期內(nèi)，最低溫度低于73℃，超調(diào)量高于2℃，整個(gè)過(guò)程的穩(wěn)定時(shí)間約為500s。圖4b給出了升負(fù)荷擾動(dòng)過(guò)程影響曲線，當(dāng)換熱系統(tǒng)管側(cè)出口溫度為75℃并處于穩(wěn)定狀態(tài)，在t=900s時(shí)刻，將目標(biāo)溫度由75℃調(diào)整至80℃，此時(shí)冷卻水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度逐漸變小，整個(gè)的穩(wěn)定時(shí)間約為400s。

圖4：殼側(cè)冷卻水閥門(mén)反饋控制響應(yīng)曲線

圖5 a-d給出了采用旁通反饋調(diào)節(jié)方案，在溫度突降和突增擾動(dòng)下，目標(biāo)值和管側(cè)流量的響應(yīng)曲線。當(dāng)目標(biāo)值由80℃調(diào)整至75℃后，旁路調(diào)節(jié)閥在PI控制器作用下，使得管側(cè)出口溫度下降，相比于控制方案1而言，其調(diào)節(jié)過(guò)程更為穩(wěn)定，且整個(gè)穩(wěn)定過(guò)程的時(shí)間約為130s，低于方案1。圖5c給出了目標(biāo)值由75℃調(diào)整至80℃后，溫度影響曲線，該過(guò)程亦比方案1響應(yīng)更快且穩(wěn)定。

圖5：旁通反饋調(diào)節(jié)方案響應(yīng)曲線

當(dāng)旁路投入后，相當(dāng)于在管側(cè)主路并聯(lián)了一個(gè)具備調(diào)節(jié)能力的支路，從管道阻力分配角度來(lái)講，旁路的投入相當(dāng)于減少了管道的阻力，并且在旁路調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)過(guò)程中，整個(gè)換熱系統(tǒng)管側(cè)的阻力實(shí)時(shí)發(fā)生變化，因此，在旁路調(diào)節(jié)方案中，換熱器管側(cè)的總流量將發(fā)生變化，當(dāng)目標(biāo)溫度由75℃升至80℃時(shí)，旁通支路調(diào)節(jié)閥逐漸開(kāi)大，此時(shí)旁路流量增加、流入換熱器內(nèi)流量減少，但總的流量增加。而當(dāng)目標(biāo)溫度由80℃降至75℃時(shí)，旁通支路調(diào)節(jié)閥逐漸減少，此時(shí)旁路流量減少、流入換熱器內(nèi)流量增加，總流量減少。對(duì)于本文模擬的工況范圍內(nèi)（目標(biāo)值變化5℃），旁通支路在調(diào)節(jié)過(guò)程中，總流量變化量約為12kg/s。

圖6a-d給出了采用旁通分程調(diào)節(jié)方案，在溫度突降和突增擾動(dòng)下，目標(biāo)值和管側(cè)流量的響應(yīng)曲線。當(dāng)目標(biāo)值由80℃調(diào)整至75℃后，旁路調(diào)節(jié)閥和管側(cè)調(diào)節(jié)閥在PI控制器作用下，使得管側(cè)出口溫度下降，相比于控制方案2而言，其調(diào)節(jié)過(guò)程更為穩(wěn)定，且整個(gè)穩(wěn)定過(guò)程的時(shí)間約為50s，低于方案2和方案1。圖5c給出了目標(biāo)值由75℃調(diào)整至80℃后，溫度影響曲線，該過(guò)程亦比方案2響應(yīng)更快。由流量影響曲線可以看出，分程調(diào)節(jié)方案對(duì)換熱系統(tǒng)管側(cè)的總流量遠(yuǎn)低于旁通調(diào)節(jié)方案，對(duì)于本文模擬的工況，管側(cè)總流量波動(dòng)為2kg/s。

圖6：旁通分程調(diào)節(jié)方案響應(yīng)曲線

上面給出了三種不同的換熱器溫度控制策略對(duì)比結(jié)果，從響應(yīng)速度來(lái)看，分程調(diào)節(jié)具有較好的調(diào)節(jié)效果，且比旁通調(diào)節(jié)方案對(duì)管側(cè)總流量的影響更小。三個(gè)方案在實(shí)際工業(yè)系統(tǒng)中，均有所應(yīng)用。對(duì)于方案1而言，比較適用于系統(tǒng)響應(yīng)要求比較低的場(chǎng)合，且具備冷卻水（殼側(cè)）調(diào)節(jié)條件，對(duì)于大型的換熱器系統(tǒng)而言，一般需要對(duì)殼側(cè)供水泵進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，但對(duì)于管側(cè)溫度需要快速調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，方案1不適用。方案2適用于對(duì)換熱器系統(tǒng)的快速溫度調(diào)節(jié)，但需要在管側(cè)增加旁通支路和相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，這需要在工藝設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中予以考慮；另一方面，對(duì)于管側(cè)溫度變化范圍大且要求快速調(diào)節(jié)的場(chǎng)合，旁路與管側(cè)支路的匯合摻混處的管道強(qiáng)度需要額外注意，由于旁路工質(zhì)溫度與管側(cè)進(jìn)口溫度相等，溫度較高，而當(dāng)旁路投入后，管側(cè)出口流量相對(duì)減少且出口溫度偏低，兩股流體匯合后會(huì)造成較大的熱應(yīng)力。方案3在旁通反饋調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，又增加了一個(gè)調(diào)節(jié)閥，增加了硬件成本，該方案適用于對(duì)換熱器出口溫度調(diào)節(jié)響應(yīng)要求高、且管側(cè)總流量擾動(dòng)小的情況。方案3在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)節(jié)閥可選為直線類型，且旁通支路與管側(cè)調(diào)節(jié)閥Kv值相等。由于分程調(diào)節(jié)兩個(gè)閥門(mén)同時(shí)動(dòng)作，該系統(tǒng)可最快達(dá)到平衡點(diǎn)，并且不需要引入額外的流量、壓力信號(hào)。如果換熱器系統(tǒng)的管側(cè)冷卻工質(zhì)繼續(xù)被下游系統(tǒng)所利用，且受到流量調(diào)節(jié)，則在可考慮采用分程調(diào)節(jié)方案。

5 結(jié)論

本文以某管殼式液體換熱器的管側(cè)出口溫度調(diào)節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)比了三種不同的控制策略對(duì)目標(biāo)溫度的調(diào)節(jié)性能，結(jié)果表明，采用旁通分程調(diào)節(jié)方案對(duì)換熱器的管側(cè)出口溫度調(diào)節(jié)具有響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，對(duì)管側(cè)的總流量擾動(dòng)最小的特點(diǎn)。同時(shí)，分程調(diào)節(jié)在回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，不需要引入額外的流量、壓力測(cè)點(diǎn)，程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，可用于管殼式換熱器出口溫度的精確調(diào)節(jié)。