常 錚

(青島伊科思技術(shù)工程有限公司，山東 青島 266042)

煉油、化工裝置中精餾分離或化學(xué)反應(yīng)過程中所需的熱量都來自加熱換熱器，其中以清潔、安全、廉價(jià)的蒸汽作為熱媒的管殼式加熱換熱器應(yīng)用最為廣泛。蒸汽加熱換熱器控制方案的選擇對煉油、化工裝置的操作穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量、能耗以及安全等都有重要影響。管殼式蒸汽加熱換熱器有三種基本控制方式[3]：旁路控制、換熱面積控制和蒸汽冷凝溫度控制。下面筆者對管殼式蒸汽加熱換熱器的上述三種控制方案的特點(diǎn)逐一進(jìn)行淺析，以供借鑒。

1 旁路控制[2]

在蒸汽加熱換熱器工藝介質(zhì)側(cè)進(jìn)、出口設(shè)置一條旁通線，通過調(diào)節(jié)旁通流量而實(shí)現(xiàn)對工藝介質(zhì)出口溫度的控制。當(dāng)蒸汽加熱換熱器的蒸汽凝液量小時(shí)，凝液出口宜設(shè)置疏水器，旁路控制方案見圖1；當(dāng)蒸汽凝液量較大而疏水器規(guī)格尺寸無法滿足要求時(shí)，凝液出口則應(yīng)設(shè)置凝液罐，其旁路控制方案見圖2。

圖1 旁路控制方案(凝液出口設(shè)置疏水器)

圖2 旁路控制方案(凝液出口設(shè)置凝液罐)

旁路控制具有如下特點(diǎn)：

(1)反應(yīng)迅速及時(shí)，換熱器需具有較大的換熱面積裕量；

(2)適用于工藝介質(zhì)流量不允許控制的場合；

(3)不適用于工藝介質(zhì)易結(jié)焦、結(jié)垢、聚合和熱敏性的場合。

此外，當(dāng)蒸汽加熱器為精餾塔再沸器時(shí)，旁通線內(nèi)和再沸器底部一樣存有一定量的液體，再沸器內(nèi)氣化的工藝介質(zhì)從再沸器頂部流出而無法流經(jīng)旁通線，因此，旁路控制也不適用于再沸器場合。

2 換熱面積控制

2.1 單回路換熱面積控制[4]

在換熱器的蒸汽凝液出口管道上設(shè)置一調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制凝液的流出量，閥門開度小時(shí)凝液流出量小，換熱器殼側(cè)液位增高，凝液浸沒的換熱管面積增加，而加熱介質(zhì)蒸汽與換熱管的有效接觸換熱面積則減小。反之，蒸汽與換熱管的有效接觸換熱面積則增大。單回路換熱面積控制方案見圖3。

圖3 單回路換熱面積控制方案

該控制具有如下特點(diǎn):

(1)該控制所需調(diào)節(jié)閥口徑尺寸較小，但要求換熱器具有較大的換熱面積裕量；

(2)工藝流體出口溫度變送器控制信號直接作用控制蒸汽凝液閥的開度，控制器具有反作用；

(3)為防止儀表空氣故障時(shí)蒸汽通過換熱器殼程串入凝液總管，調(diào)節(jié)閥必須具備“故障關(guān)”功能；

(4)當(dāng)工藝流體流量突然增加而導(dǎo)致其出口溫度低時(shí)，可快速打開調(diào)節(jié)閥排除凝液充入蒸汽，該控制非常靈敏；而當(dāng)工藝流體流量突然減小而導(dǎo)致其出口溫度高時(shí)，該控制不靈敏、具有較大滯后；

(5)對于工藝流體和蒸汽壓力波動(dòng)都比較小的系統(tǒng)，該控制較穩(wěn)定；對于工藝流體或蒸汽壓力波動(dòng)比較大的系統(tǒng)，該控制因具有較大滯后而不適用。

2.2 改進(jìn)的換熱面積控制

單回路換熱面積控制方案受到的外部干擾因素較多，主要有如下三種[5]：

(1)工藝流體的流量、溫度或組成波動(dòng)；

(2)蒸汽的壓力和溫度波動(dòng)；

(3)凝液總管的壓力波動(dòng)。

當(dāng)單回路換熱面積控制受到上述干擾因素影響時(shí)，其反應(yīng)不靈敏、不及時(shí)，具有較大的滯后性，則無法采用，此時(shí)可考慮采用改進(jìn)的換熱面積控制方案。

2.2.1 前饋-反饋控制

當(dāng)干擾因素為工藝流體的流量波動(dòng)時(shí)，則可考慮采用工藝流體流量與工藝流體出口溫度的前饋-反饋控制方案，前饋控制可以提前消除工藝流體流量變化這個(gè)干擾因素，反饋控制可以消除其他干擾因素影響。前饋-反饋控制方案見圖4。

圖4 前饋-反饋控制方案

2.2.2 溫度-流量串級控制

當(dāng)干擾因素為蒸汽壓力波動(dòng)時(shí)，則可考慮采用工藝流體出口溫度與蒸汽流量的串級控制方案，見圖5。

圖5 溫度-流量串級控制方案

2.2.3 溫度-液位串級控制

當(dāng)干擾因素為凝液總管的壓力波動(dòng)時(shí)，則可考慮采用工藝流體出口溫度與換熱器殼側(cè)液位的串級控制方案，見圖6。

圖6 溫度-液位串級控制方案

3 蒸汽冷凝溫度控制[3]

該控制是在蒸汽入口管道上設(shè)置一調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥的開度大小控制進(jìn)入換熱器殼側(cè)內(nèi)的蒸汽壓力。當(dāng)殼側(cè)蒸汽壓力較低時(shí)，則蒸汽冷凝溫度也較低,對應(yīng)的平均傳熱溫差也較?。环粗?，則蒸汽冷凝溫度也較高，對應(yīng)的平均傳熱溫差也較大。蒸汽冷凝溫度控制方案見圖7。

圖7 蒸汽冷凝溫度控制方案

該控制具有如下特點(diǎn)：

(1)反應(yīng)迅速、控制靈敏、可靠，且不需要較大的換熱面積裕量；

(2)適用于蒸汽管網(wǎng)壓力波動(dòng)較大的換熱系統(tǒng)；

(3)不適用于對數(shù)平均傳熱溫差較大的換熱系統(tǒng)(即：冷側(cè)工藝流體溫度過低的系統(tǒng))；

(4)不利于蒸汽及其凝液熱量的梯級利用，另外，調(diào)節(jié)閥因位于蒸汽管道上而使其口徑尺寸較大；

(5)因較低壓力的蒸汽在換熱器中冷凝時(shí)能釋放出更多的汽化潛熱，因此，該控制具有較高的蒸汽利用效率。

4 結(jié)論

管殼式蒸汽加熱換熱器的三種控制方案各有利弊：旁路控制方案應(yīng)用范圍相對較窄，既不能用于熱敏性物系，也不能用于精餾塔再沸器；而換熱面積和蒸汽冷凝溫度兩種控制方案應(yīng)用范圍相對較廣。對于溫度控制精度要求不高的換熱系統(tǒng)，優(yōu)先選用面積控制方案；反之，則優(yōu)先選用蒸汽冷凝溫度控制方案。換熱器的自身結(jié)構(gòu)對其控制方案選擇也有較大影響，比如：當(dāng)換熱器面積裕量很大時(shí)可優(yōu)先考慮換熱面積控制方案。此外，蒸汽管網(wǎng)的壓力是否穩(wěn)定也對控制方案的選擇有重要影響。因此，蒸汽加熱換熱器的三種控制方案沒有絕對的優(yōu)劣之分，在確定其最優(yōu)控制方案時(shí)要進(jìn)行多因素綜合考慮分析。