迄今為止，殼管式換熱器是石化工業(yè)中最常見(jiàn)的換熱器類型，因?yàn)樗m用于低壓和高壓應(yīng)用。如圖所示，它由一個(gè)外殼和一束管子組成，這些管子要么是直的，要么是“U”形的。一種流體流過(guò)管子，另一種流體流過(guò)管子周圍的外殼，以在兩種流體之間傳遞熱量。這組管稱為管束。



熱量通過(guò)管壁從一種流體傳遞到另一種流體，或者從管流體傳遞到殼流體，或者以另一種方式傳遞。在殼或管上的流體可以是液體或氣體。為了有效地傳遞熱量，使用了許多管子以增加兩種流體之間的傳熱表面積。

1、控制目標(biāo)
為了給任何控制回路開(kāi)發(fā)綜合控制策略，重要的是識(shí)別感興趣的過(guò)程變量或“受控變量”、操縱變量以及直接影響受控變量的不同干擾變量。


為了便于說(shuō)明，考慮圖中所示的換熱器，殼程流體是需要加熱到某個(gè)溫度設(shè)定點(diǎn)的過(guò)程流體，該結(jié)果溫度是在換熱器T1的出口處測(cè)量的-OUT(受控變量)。

加熱是通過(guò)在管側(cè)通入蒸汽來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)管道的蒸汽越多，傳遞給過(guò)程流體的熱量就越多，反之亦然。蒸汽流量F2(操縱變量)的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)安裝在蒸汽入口側(cè)的調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

三個(gè)主要干擾會(huì)影響過(guò)程流體出口溫度：
①過(guò)程流體流速的變化，F(xiàn)1
②過(guò)程流體入口溫度的變化，T1-IN
③蒸汽壓力的變化，引起蒸汽流量的變化，F(xiàn)2

控制目標(biāo)是通過(guò)操縱蒸汽流量F2將過(guò)程流體出口溫度T1-OUT保持在選定的設(shè)定點(diǎn)，而不管有任何干擾。

2、反饋控制
在反饋控制方案中，過(guò)程變量T1-OUT被測(cè)量，并應(yīng)用于基于PID(比例-積分-微分)的反饋溫控器(fbTC)，它將過(guò)程變量與所需的溫度設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較， 然后計(jì)算并生成所需的控制動(dòng)作，或多或少打開(kāi)蒸汽控制閥。



反饋控制方案最重要且無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)在于，無(wú)論干擾源是什么，已知或未知，控制器都會(huì)采取糾正措施。其次是反饋控制需要非常少的過(guò)程知識(shí)，過(guò)程模型不是設(shè)置和調(diào)整反饋方案所必需的，盡管這將是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

在消極方面，反饋控制的主要缺點(diǎn)是它無(wú)法響應(yīng)干擾，即使是主要干擾，直到受控變量已經(jīng)受到影響。此外，如果發(fā)生過(guò)多且具有重大意義的干擾，它們可能會(huì)使過(guò)程失控。

3、串級(jí)控制
在串級(jí)控制方案中，不是將PID調(diào)節(jié)器的輸出直接饋送到控制閥，而是將其作為設(shè)定點(diǎn)饋送到基于反饋PID的蒸汽流量調(diào)節(jié)器(fbFC)。 第二個(gè)回路負(fù)責(zé)確保蒸汽的流速不會(huì)因任何不可控因素(即蒸汽壓力變化或閥門問(wèn)題)而發(fā)生變化。



為了理解這是如何工作的，考慮熱交換器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行并且出口溫度與設(shè)定點(diǎn)匹配，fbTC的調(diào)節(jié)器輸出是恒定的，蒸汽壓力的突然增加將導(dǎo)致蒸汽流量F2斜坡向上。這將在一段時(shí)間后導(dǎo)致受控變量發(fā)生變化，而不是立即發(fā)生變化。如果沒(méi)有流量控制回路，在出口溫度已經(jīng)受到影響之前，fbTC不會(huì)單獨(dú)采取任何糾正措施。

通過(guò)實(shí)施串級(jí)策略，一旦蒸汽流量發(fā)生變化，反饋流量控制回路“fbFC”將立即調(diào)整閥門位置，使流量恢復(fù)到先前穩(wěn)態(tài)條件的值(因?yàn)榱髁吭O(shè)定點(diǎn)由下式給出)溫度控制器沒(méi)有改變，因?yàn)槌隹跍囟冗€沒(méi)有改變)，防止出口溫度發(fā)生變化。

值得一提的是，流量控制回路必須調(diào)整得比溫度控制回路運(yùn)行得快得多，因此它會(huì)在影響過(guò)程流體出口溫度之前消除流量變化的影響。

4、前饋控制
與反饋控制不同，前饋控制在干擾發(fā)生的同一時(shí)刻采取糾正措施，前饋控制看不到過(guò)程變量，但它只看到干擾并在干擾發(fā)生時(shí)做出響應(yīng)。 這使前饋控制器能夠快速直接地補(bǔ)償干擾的影響。

要實(shí)施前饋控制，必須了解過(guò)程模型以及干擾與過(guò)程變量之間的直接關(guān)系。對(duì)于換熱器，穩(wěn)態(tài)模型的推導(dǎo)將導(dǎo)致以下等式確定所需的蒸汽流量：
①F2sp=F1×[(T1-OUTsp)–(T1-IN)]×(Cp/ΔH)
②F2sp=蒸汽流速計(jì)算設(shè)定值，應(yīng)用于fbFC
③F1=過(guò)程流體流速，測(cè)量的干擾
④T1-OUTsp=熱交換器出口處的過(guò)程流體溫度設(shè)定點(diǎn)
⑤T1-IN=過(guò)程流體入口溫度，測(cè)得的擾動(dòng)
⑥Cp=過(guò)程流體比熱，已知
⑦ΔH=蒸汽的汽化潛熱，已知

應(yīng)用上述方程計(jì)算所需的蒸汽流量足以抵消過(guò)程流體流量和溫度變化的影響，在對(duì)過(guò)程模型幾乎沒(méi)有改進(jìn)的完美世界中，這種前饋控制器足以完美地控制過(guò)程不幸的是，這不是一個(gè)完美的世界。

該方案的明顯優(yōu)勢(shì)在于它在過(guò)程中斷之前采取糾正措施。不利的一面是，它要求高初始資本成本，因?yàn)楸仨殰y(cè)量每個(gè)干擾，增加儀器數(shù)量和相關(guān)的工程成本，而且這種方法需要對(duì)過(guò)程有更深入的了解，實(shí)際上，僅依賴于 前饋控制而不考慮測(cè)量的過(guò)程變量。

5、綜合方法
使用反饋、前饋和串級(jí)控制的集成方法，如圖所示，完全能夠滿足換熱器控制要求：



前饋回路將處理過(guò)程流體中的主要干擾級(jí)聯(lián)流量控制回路將處理與蒸汽壓力和閥門問(wèn)題相關(guān)的問(wèn)題反饋循環(huán)將處理其他一切。

結(jié)合反饋控制、串級(jí)控制和反饋控制和綜合控制的幾種控制方案來(lái)優(yōu)化換熱器操作，不僅有必要最大限度地減少過(guò)程差異和最大化合格產(chǎn)品，而且對(duì)于石油化工行業(yè)的能效要求也極為重要。

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