張露露，顧 鏞

(1.浙江三花汽車零部件有限公司 電機及控制技術(shù)部；2.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

換熱器是石油化工、煤化工及汽車工業(yè)領(lǐng)域常見的冷換設(shè)備，其主要功能是進行冷/熱流體的熱量交換和熱質(zhì)傳遞，實現(xiàn)多組分流體輸運過程中冷流體的升溫及熱流體的降溫功能[1-2]。流動-傳熱等嚴苛服役環(huán)境下，換熱器管束內(nèi)壁受多組分流體流動特性的影響會產(chǎn)生積鹽或積垢現(xiàn)象，不僅降低換熱器的換熱效率，而且還會引起換熱器內(nèi)部較高的壓差[3]。當(dāng)管束內(nèi)壁的積垢達到其臨界極限值時，又可能會導(dǎo)致管內(nèi)流體介質(zhì)流速偏高，造成沖刷腐蝕問題[4]，從而引起整個裝置的非計劃停工事故，損失慘重。因此，研究換熱器管束的積垢成因及防控方法是提升其運行可靠性的關(guān)鍵。

針對換熱器的失效問題，相關(guān)的研究成果主要集中在積鹽積垢機理、換熱性能實驗、積垢預(yù)測及積垢清洗等方面，較具代表性的有：張艷玲等[5]分析了某煉化企業(yè)水冷器的結(jié)垢情況，基于輸運的循環(huán)水水質(zhì)，運用碳酸鈣飽和法和API 581-2016中的腐蝕速率計算方法，研究了溫度、pH值、氯離子及流速對腐蝕速率及結(jié)垢趨勢的影響規(guī)律，確定了循環(huán)水系統(tǒng)腐蝕和結(jié)垢原因；張曉琳等[6-7]針對煉化企業(yè)裝置運行過程中因物料結(jié)晶聚合、設(shè)備腐蝕等產(chǎn)生的固體垢物，采用X射線衍射法分析了垢物的化學(xué)組成、垢物種類，揭示了結(jié)垢物產(chǎn)生的原因，并闡述了結(jié)垢物與管路堵塞、換熱器傳熱效率降低的關(guān)聯(lián)關(guān)系；馬文禮等[8-10]針對加氫裝置原料油與反應(yīng)產(chǎn)物高壓換熱器的換熱效率下降問題，從銨鹽結(jié)晶機理、換熱面積核算等方面進行分析，并提出了增加注水[11-12]、采用新增高溫緩蝕劑及原料阻垢劑等進行防控，避免換熱器效率的下降；馬光興等[13]以管殼式污水換熱器為研究對象，以沙粒作為除垢粒子，以污垢熱阻變化率表征除垢效果，研究了在污垢生長的誘導(dǎo)期、生長期和漸近期3個階段除垢對污垢熱阻值的影響規(guī)律；杜林穎等[14]利用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，建立了換熱器結(jié)垢厚度與環(huán)境溫度、系統(tǒng)壓力、初級/次級換熱器出口溫度之間的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，提出了一種較高精度的換熱器結(jié)垢厚度厚度預(yù)測模型；張長生等[15]針對異型坯循環(huán)水系統(tǒng)中板式熱交換器的結(jié)垢問題，設(shè)計了一種在線化學(xué)清洗方案，對換熱器的污垢進行剝離和清洗；金浩哲等[16]針對加氫空冷器的銨鹽腐蝕問題，建立了注水管道的孔板節(jié)流模型，計算了不同孔數(shù)、等效直徑比、相對厚度等因素對孔板壓損系數(shù)的影響機理，適用于注水管道節(jié)流孔板的設(shè)計選型。但總體而言，現(xiàn)有研究對于加氫冷換設(shè)備的結(jié)晶結(jié)垢機理以及注水過程的自適應(yīng)控制尚未開展系統(tǒng)性研究。

綜上，該文擬針對某煉化企業(yè)的加氫反應(yīng)流出物換熱器系統(tǒng)積鹽積垢問題，基于過程工藝分析研究流動、傳熱環(huán)境下的銨鹽結(jié)晶結(jié)垢機理，明確與銨鹽結(jié)晶結(jié)垢失效模式相關(guān)聯(lián)的影響因素?；阡@鹽的結(jié)晶結(jié)垢機制，提出一種基于模糊數(shù)學(xué)的換熱器除垢自適應(yīng)注水系統(tǒng)，適用于動態(tài)環(huán)境下?lián)Q熱器銨鹽結(jié)晶結(jié)垢失效模式的自適應(yīng)調(diào)整，保障加氫換熱器系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

1 加氫換熱器系統(tǒng)工藝過程及結(jié)晶結(jié)垢機理

1.1 加氫換熱器系統(tǒng)工藝過程

某煉化企業(yè)的加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)的工藝原則流程圖如圖1所示。原料油首先經(jīng)過過濾、脫水等工序后進入原料緩沖罐，然后通過高壓進料泵提升壓力，隨后原料油與氫氣混合后的多相流體與加氫反應(yīng)流出物換熱，換熱后的混合流體溫度通常升至300 ℃左右；之后再經(jīng)加熱爐加熱后進入加氫反應(yīng)器進行加氫反應(yīng)。加氫反應(yīng)流出物自反應(yīng)器底部流出，首先進入換熱器換熱，再通過熱高分進行油-氣-水三相分離；熱高分頂部的熱高分氣再次經(jīng)過換熱器、空冷器進行冷卻，冷卻后的物流再經(jīng)冷高分分離出循環(huán)氣、冷高分油和含硫污水。冷高分油再通過冷低分分離得到冷低分氣、冷低分油和含硫污水。冷高分和冷低分底部的水相匯總至含硫污水總管道。

圖1 加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)工藝原則流程圖

1.2 多組分流體流動過程的結(jié)晶結(jié)垢機理

原料油中的硫化物、氮化物、氯化物經(jīng)加氫反應(yīng)后會反應(yīng)生成NH3,HCl和H2S等。隨著多組分流體在換熱器、空冷器中的流動、傳熱冷卻，易結(jié)晶組分NH3,HCl和H2S會相互反應(yīng)生成易結(jié)晶相NH4Cl,NH4HS。其具體的反應(yīng)方程如下：

NH3(g)+HCl(g)→NH4Cl(s)

(1)

NH3(g)+H2S(g)→NH4HS(s)

(2)

易結(jié)晶組分的結(jié)晶析出是一個動態(tài)過程，與易結(jié)晶組分NH3、HCl和H2S的分壓乘積相關(guān)。當(dāng)NH3與HCl的分壓乘積、NH3與H2S的分壓乘積大于臨界平衡值Kp時，則多組分流體中的氣相則隨著溫度的降低依次結(jié)晶生成NH4Cl和NH4HS顆粒。通常NH4Cl的結(jié)晶溫度會高于NH4HS鹽的結(jié)晶溫度，一般NH4Cl鹽的結(jié)晶溫度在170～220 ℃，NH4HS鹽的結(jié)晶溫度在40～60 ℃。

隨著流動-傳熱過程的持續(xù)進行，多組分流體的氣-油比例會逐漸發(fā)生變化，受湍流流動、溫度梯度、壁面濕度和粗糙度的影響，結(jié)晶生成的NH4Cl或NH4HS會吸附于管束內(nèi)壁，并迅速堵塞管束造成管束變形或者橫截面積減少后的局部沖蝕，嚴重影響換熱效率和運行安全。為了避免銨鹽結(jié)晶堵塞管束，通常在空冷器前、換熱器前進行注水以洗滌結(jié)晶析出的銨鹽。在此過程中，受銨鹽易吸濕腐蝕的影響，在管束內(nèi)的低流速或死角區(qū)域會產(chǎn)生腐蝕性垢物，其化學(xué)反應(yīng)如下：

(3)

(4)

1.3 注水特性對NH4Cl結(jié)晶特性的影響

對于加氫反應(yīng)流出物冷換系統(tǒng)而言，隨著溫度的持續(xù)降低，進入空冷器的多組分流體中的液相組成比例已較高，若存在NH4HS鹽結(jié)晶問題，一般會被液相沖洗干凈，管壁的失效更多的表現(xiàn)為酸性水溶液的沖蝕問題。因此，若想保障加氫反應(yīng)流出物冷換系統(tǒng)的安全，更多應(yīng)該著眼于換熱器中NH4Cl的結(jié)晶特性以及注水對該特性的影響方面。為了降低熱高分氣換熱器的NH4Cl結(jié)晶積垢風(fēng)險，采用在換熱器前設(shè)置間歇注水點的方式，一方面沖洗水可以降低換熱器的入口溫度，同時汽化的水蒸氣可降低易結(jié)晶組分NH3和HCl在氣相中的分壓。圖2、圖3分別為換熱器D前注水點注水量對混合溫度的影響規(guī)律、換熱器D前注水點位置不同注水量對應(yīng)的剩余液態(tài)水含量。

圖2 換熱器D前注水量對混合溫度的影響規(guī)律

圖3 換熱器D前不同注水量對應(yīng)的剩余液態(tài)水量

由圖2、圖3可知，換熱器D前245 ℃的高溫油氣物流與常溫沖洗水混合后溫度迅速降低，當(dāng)注水量在9 t/h以上時，注水量對多組分流體溫度的影響程度降低，其原因在于水的飽和蒸汽壓在高溫情況下較高并隨著溫度降低迅速減??；當(dāng)注水量在0～6 t/h時，注入的沖洗水幾乎全部汽化，從液態(tài)水轉(zhuǎn)化為汽態(tài)水，在注水量Q>6 t/h時，開始逐步有液態(tài)水出現(xiàn)，并在注水量達到8.5 t/h時保持混合物流中存在25%的液態(tài)水，這個25%的液態(tài)水臨界指標是保證NH4Cl鹽沖洗干凈的關(guān)鍵，高于此值浪費水資源，低于此值則沖洗不徹底。此后，隨著注水量進一步增大，液態(tài)水含量也不斷增加。

為了降低加氫反應(yīng)流出物熱高分換熱器(A-D)及空冷器首管程的NH4Cl結(jié)晶風(fēng)險，為后續(xù)基于PID控制的自適應(yīng)注水提供參照依據(jù)，對于換熱器D前注水點的注水量對NH4Cl鹽結(jié)晶溫度與結(jié)晶速率的影響進行分析，具體如圖4、圖5所示。

圖4 不同注水量對應(yīng)的NH4Cl鹽結(jié)晶溫度

圖5 不同注水量對應(yīng)的NH4Cl鹽結(jié)晶速率

由圖4、圖5可知，當(dāng)換熱器D前不注水時，加氫反應(yīng)流出物多組分流體的結(jié)晶溫度為225 ℃，隨著注水量從0 t/h增加到18 t/h，NH4Cl結(jié)晶溫度不斷降低，并最終達到220 ℃，此時結(jié)晶溫度仍處于換熱器的工藝溫度范圍內(nèi)。由此可知，盡管注水對于NH4Cl結(jié)晶溫度有一定影響，但是影響幅度不大。相應(yīng)的，加氫反應(yīng)流出物多組分流體的NH4Cl結(jié)晶速率隨著溫度的降低不斷增加，NH4Cl結(jié)晶速率隨著注水量從0 t/h增加到18 t/h時不斷降低，其原因在于易結(jié)晶組分NH3和HCl的氣相分壓隨著其在水相中的吸收溶解不斷降低，從而影響到NH4Cl結(jié)晶速率。

2 換熱器自適應(yīng)注水系統(tǒng)設(shè)計

注水量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示：

圖6 注水流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在加氫反應(yīng)流出物冷卻系統(tǒng)流程中，在換熱器的注水點前的管道和換熱器出口管道各加裝溫度變送器、壓力變送器、流量變送器，以監(jiān)測換熱器后溫度、壓力、流量的波動情況。通過PLC來控制電機，進而控制調(diào)節(jié)閥開度來調(diào)節(jié)注水量。該注水方法的步驟如下：

步驟1 系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，加氫反應(yīng)流出物自加氫反應(yīng)器底部依次通過換熱器和空冷器后進入分離罐中；

步驟2 換熱器的進出口均布設(shè)溫度變送器、壓力變送器和流速變送器；三種類型的變送器分別將檢測到的溫度信號Ti、壓力信號Pi、流速信號Vi通過RS485總線傳送給PLC，其中i的取值范圍為i∈[1,2]，1表示換熱器注水點前的變送器，2表示換熱器出口的變送器

步驟3 PLC接收到溫度信號Ti、壓力信號Pi、流速信號Vi后，對信號作如下過濾分析：

由于在正常工況下，換熱器或者空冷器兩端的溫差基本保持恒定，即換熱器內(nèi)無結(jié)鹽現(xiàn)象；因此，不能直接對相鄰2個換熱器的溫度值求相對誤差，而應(yīng)采用以下計算方式：在t和t+1時刻，換熱器注水點前和換熱器出口的溫度變送器檢測到的溫度差值分別為ΔT(t)和ΔT(t+1)：

ΔT(t)=|T(2)(t)-T(1)(t)|

(5)

ΔT(t+1)=|T(2)(t+1)-T(1)(t+1)|

(6)

其中，t時刻第1個和第2個溫度變送器監(jiān)測到的信號為T(1)(t)和T(2)(t)；同理，t+1時刻第1個和第2個溫度變送器監(jiān)測到的信號為T(1)(t+1)和T(2)(t+1)；

則相鄰2個溫度變送器之間的溫度信號相對誤差為ET：

(7)

當(dāng)換熱器內(nèi)存在結(jié)鹽現(xiàn)象時，會導(dǎo)致?lián)Q熱器管束部分堵塞，影響換熱器進出口壓降，因此直接采用壓力差與正常工況下的壓降之差EP來表征換熱器內(nèi)的結(jié)鹽現(xiàn)象：

(8)

類似地，采用t時刻和t+1時刻的出口速度相對誤差EV來表征換熱器內(nèi)的結(jié)鹽現(xiàn)象：

(9)

步驟4 對三個相對誤差ET,EP,EV求平均值EAVR：

(10)

步驟5 根據(jù)EAVR的大小進行劃分換熱器結(jié)鹽情況等級，如表1所示，結(jié)鹽程度等級為-3表示無結(jié)鹽，結(jié)鹽程度為3表示嚴重結(jié)鹽堵塞，數(shù)值越大，表示結(jié)鹽越嚴重。

表1 換熱器結(jié)鹽情況等級劃分

步驟6 在對結(jié)鹽程度進行評定后，還需要對下一個時刻結(jié)鹽的趨勢進行評估，即后續(xù)結(jié)鹽速率，用平均相對誤差EAVR的變化率DEAVR來表示，其等級劃分如表2所示。結(jié)鹽趨勢等級為-3時，表示結(jié)鹽趨勢是負的，即結(jié)鹽速率在變慢，且變慢的程度最大；結(jié)鹽趨勢等級為3時，表示結(jié)鹽趨勢是正的，即結(jié)鹽速率在變快，且變快的程度最大。

表2 結(jié)鹽趨勢等級劃分

步驟7 構(gòu)建模糊邏輯控制模型，求解出調(diào)節(jié)閥開度，由PLC控制調(diào)節(jié)閥達到指定開度。

3 模糊邏輯控制

加氫反應(yīng)流出物冷卻系統(tǒng)是一個工況極其復(fù)雜、且工業(yè)現(xiàn)場干擾性強，涉及到流體的流動、傳熱，設(shè)備的振動、腐蝕，系統(tǒng)非線性強。換熱器的進出口溫差大，在流體冷卻過程中極易發(fā)生銨鹽結(jié)晶腐蝕，而且通常通過監(jiān)測換熱器進出口壓降來判定換熱器內(nèi)的銨鹽結(jié)晶情況，在壓降超過設(shè)定值時，通過人工調(diào)節(jié)注水量的方法來沖洗銨鹽，具有一定的效果。但是人工調(diào)節(jié)注水量存在滯后性、經(jīng)驗性等弊端。因此，該文采取模糊邏輯控制的方法來調(diào)節(jié)注水量。

模糊邏輯控制是一種基于模糊集理論、模糊語言變量和推理機的智能控制方法。它是一種模仿人類行為的模糊推理和決策過程的智能控制方法。模糊控制原理如圖7所示。

圖7 模糊控制原理圖

3.1 確定觀測量和控制量

定義EAVR的變化率為DEAVR，表示平均誤差的變化率。以EAVR和DEAVR為模糊邏輯控制系統(tǒng)的輸入量，以注水量U為輸出量。

3.2 定義隸屬度函數(shù)

模糊集合的隸屬度是[0,1]，利用模糊集理論建立EAVR和DEAVR與注水量U的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系。將2個輸入變量和1個輸出變量均劃分為7個模糊集：負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。EAVR和DEAVR論域均定義為{-3，-2，-1,0，1,2,3}。EAVR變化和DEAVR變化劃分表如表3所示。

表3 EAVR變化和DEAVR變化隸屬度劃分表

EAVR和DEAVR對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖8所示，橫坐標為論域，縱坐標為隸屬度函數(shù)值。均選擇三角型隸屬度函數(shù)trimf，能夠減少系統(tǒng)的運算量，又有一定的抗干擾能力。

圖8 EAVR和DEAVR隸屬度函數(shù)圖

注水量U的變化劃分根據(jù)調(diào)節(jié)閥的開度來確定，論域定義為{-5，-4，-3，-2,-1，0，1，2，3，4，5}，論域中的11個數(shù)字分別代表實際情況下調(diào)節(jié)閥{0，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%}，兩者間的映射為線性關(guān)系，其隸屬度劃分表如表4所示。模糊集NB和PB分別采用Z型隸屬度函數(shù)zmf和S型隸屬度函數(shù)smf，如式(14)和式(15)所示。其他模糊集仍采用三角型隸屬度函數(shù)trimf。

(11)

(12)

表4 注水量U的變化隸屬度劃分表

U對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖9所示。

圖9 U對應(yīng)的隸屬度函數(shù)圖

3.3 確定模糊控制規(guī)則

模糊推理運算的計算量非常大，需要進行復(fù)雜的矩陣運算，難以滿足系統(tǒng)實際需求。因此根據(jù)企業(yè)里的大量實際注水經(jīng)驗，制定如表5所示的模糊控制規(guī)則表。

表5 模糊控制規(guī)則

3.4 反模糊化

采用重心法進行反模糊化運行，其中，為θD(i)第i個模糊量的隸屬度函數(shù)值，D(i)為第i個模糊量對應(yīng)的中心值，進而得到輸出量，確定閥門開度值。

(13)

4 應(yīng)用實例計算

以某石化企業(yè)蠟油加氫裝置工藝為例。根據(jù)LIMS系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)可知，該柴油加氫裝置的原料油中硫含量為6195.2 mg/kg，氯含量<0.5 mg/kg，氮含量為512.8 mg/kg。從DCS系統(tǒng)采集到的溫度、壓力、流速信號數(shù)據(jù)如下：

該裝置中有1臺換熱器，在第一個監(jiān)測時間點，t時刻換熱器的進、出口溫度信號分別為240 ℃和125 ℃；t+1時刻換熱器的進、出口溫度信號分別為239 ℃和114.5 ℃，則ΔT(t)=115和ΔT(t+1)=124.5，ET=8.26%；進出口壓降為43 kPa，企業(yè)設(shè)定超限報警值為40 kPa，EP=7.5%；t時刻和t+1時刻換熱器的出口流速分別為3.1 m/s和2.9 m/s，EV=6.5%，則平均相對誤差EAVR1=7.42%。同理，計算下一個監(jiān)測時間點的平均相對誤差為EAVR2=7.86%，則可計算誤差的變化率DEAVR為5.6%。

根據(jù)表1，換熱器結(jié)鹽情況為等級0，根據(jù)表2，換熱器結(jié)鹽趨勢等級為1，在MATLAB中搭建第3章所述的模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)模糊規(guī)則計算可得到輸出U為-1.57×10-17，對應(yīng)閥門開度為50%。

5 結(jié)論

該文針對石油化工加氫裝置反應(yīng)流出物系統(tǒng)的銨鹽結(jié)晶沉積結(jié)垢問題進行了工藝分析，探討了銨鹽結(jié)垢失效模式相關(guān)影響因素。在企業(yè)現(xiàn)有的根據(jù)換熱器前后壓降來進行人工間歇注水措施的基礎(chǔ)上進行了改進，以溫度、壓降、流速的相對平均誤差來評判換熱器內(nèi)的銨鹽結(jié)垢情況，并提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)的換熱器調(diào)節(jié)閥開度自適應(yīng)調(diào)整方法并進行了算例驗證，以適應(yīng)不同結(jié)垢程度情況下的注水量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，為企業(yè)在加氫反應(yīng)流出物系統(tǒng)換熱器前的注水提供了一種有效的方案，既能夠節(jié)約水資源，又能保證加氫換熱器的安全運行。