多级分组换热器温度平衡控制的研究与应用

　　炼油技术与工程多级分组换热器温度平衡控制的研究与应用向虎1张雅1孟祥生2王书惠2张自亮2 1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院（陕西省西安市710055）2.新疆时代石油工程有限公司（新疆克拉玛依市834000）的换热器温度控制方案的优缺点，提出了基于恒比例分流流量控制的换热器温度平衡控制的多级分组方案，该方案的实施提篼了温度的控制精度，节省了投资并降低了能耗。

　　2.0Mt/a常减压蒸馏装置改造工程是中国石油克拉玛依石化分公司2005年的重点项目，该工程包括换热、电脱盐、闪蒸塔、常压炉、常压塔、减压炉、减压塔、蒸汽发生器、脱钙和公用工程等部分；采用集散控制系统（简称DCS）对工艺过程进行集中控制、检测、记录和报警，装置内的主要机泵设备的运行状态均在DCS上显示；设置一套安全可靠的紧急停车系统（ESD），以满足系统对联锁保护的要求。在该改造工程中，换热是基本的一个环节。原油必须经换热后才能进人下一道工序，因此对换热器出口温度控制的好坏影响着后续工序的控制效果乃至终产品的质量。

　　1改造换热器的总体情况在该改造工程中，换热器多达数十台，因此提篼换热效率对于节能具有十分重要的意义。该工程共涉及到6处原油多级分组换热器温度控制方案的设计，其工艺过程如所示。

　　其中，换热器组1为7级换热器，换热器组2，3均为5级换热器。

　　工艺要求为：原油（总流量为F）分成三条支路（流量分别为6，F2，）经过3组不同的换热器组换热后，出口温度要保持严格一致，以满足后续工序的要求。

　　但在该工艺过程中，换热器组的出口温度难以平衡控制，因此不能直接采用温度作为控制对象，而必须采用与温度有一一对应关系的流量作为控制对象对温度进行间接控制。该换热器温度平衡控制方案的研究与设计是本研究的重点。

　　换热器是用来实现流体间的加热、冷却、汽化、冷凝等传热过程的设备。逆流单程换热器如所示，假设两侧均无相变，流体（与G2热交换后温度分别由L变成7\.，匕。

　　逆流单程换热器-23；修改稿收到日期：2006-06-30.：向虎，西安建筑科技大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生；研究领域为复杂系统建模、先进控制与优化技术、石油化工自控系统设计。联系电话：0990其中，2分别为工艺流体、载热体的质量流量，分别为工艺流体、载热体的比热容；对于所示的换热器，其主要输入变量，（；2对输出变量'.的静态关系可用函数关系表示为：对象的静态特性就是要确定C.与7，心，（，（；2之间的函数关系/，对象的静态特性可以用来作为控制方案设计时扰动分析的依据，静态放大系数也可以作为系数整定分析以及调节阀流量特性选择的依据。静态特性的推导主要依据热量平衡和传热速率方程式。

　　其中：<7―传热效率，J/s；T―温度，传热速率方程式：q其中A―传热系数，J/Wm2s）；S传热面积，m2；A7-m―~传热平均温差，丈。

　　由对象静态特性可以得出。与的静态关系以及'.与G，。的静态关系，分别如~4所示。

　　区，这时再通过改变载热体的流量所起的调节作用已经很微弱。

　　由可以看出，在热交换过程中，当Guc2较大时，换热器静态特性曲线也呈饱和状态，此时G，。的变化对1.2换热器的动态特性由于换热器中换热流体要把热量传递给工艺介质，必须先由载热体通过对流传热方式将热量传递给热流体一侧的间壁，以提高间壁温度，再由热流体一侧的间壁通过传导的方式将热量传给冷流体一侧的间壁以提高此间壁的温度，然后再由冷流体的间壁通过对流传热的方式将热量传给冷流体，这样就形成了二阶惯性环节，考虑到物料的停留时间，于是形成了纯滞后。

　　因此对于换热器的动态特性，可用二阶惯性环节加纯滞后公式来近似描述：工艺介质入口温度对出口温度的影响，即心到7\.通道的特性，可用下面的近似公式来描述：其中：―-通道静态放大系数；W，――换热器内工艺介质的储存量；G，――工艺介质的流量；T――工艺介质在换热器内停留时间，T载热体入口温度r2i、流量g2以及工艺介质流量G对工艺介质出口温度，不增加任何投资，只要适当选择三个比例系数K，尺2，即可保证三条支路出口处温度严格一致，即实现多级分组换热器温度平衡控制。

　　此方案不仅克服了换热器静态饱和区以及动态饱和区的影响，消除了多级换热导致的温度控制纯滞后时间大的缺点，换热效率高；而且节约了三块流量计，按此处每块流量计价值（2~3）xlO4RMB￥计，6处共实际节省投资（36~54）x 104RMB￥，降低了劳动强度，能真正实现原油出口处温度的平衡控制。

　　4结束语在石油、化工等生产过程中，存在大量热交换设备，如何提高换热效率已经成为节能的一个主要手段，本文提出的基于恒比例分流流量控制的多级分组换热器温度平衡控制方案，已经成功地应用于克拉玛依石化公司蒸馏装置中，大幅度提篼了换热器温度平衡控制精度，能有效地确保三条支路的原油经多级分组换热器后的温度高度一致，更好地满足了工艺要求，提高了换热器的换热效率，降低了能源消耗和劳动强度，并节省了大约（36~54）xl04RMB￥投资，在石油、石化等流程工业中具有较高的推广价值。