淺論熱交換器設計裕值與增設旁路

朱健(威海石島重工有限公司 山東 264309)

科學合理的控制裕值是從對生產過程的時時動態觀察和操控體系的工藝設計綜合而來的，這在一定程度上解決了部分控制力不夠，穩定度不足的情況。本文將用實證分析法、定量分析法，綜合設計裕值的研究求解旁路設計時操作裕值、控制裕值和結垢裕值的大小，列舉和計算實例，探究旁路設計對熱交換器性能的提升上所起的作用。

一、設計裕值與旁路設計分析

1.設計裕值分析

在實際運行中，會遇到換熱網絡的柔性和彈性變化和管壁積垢導致的熱阻變化等情況，因此，要在熱交換器設計中預留換熱面積的裕值。設計值與使用初期正常運轉的計算量之間的差就是設計裕值，包括操作裕值、控制裕值和結垢裕值。

操作裕值是為適應操控需求的極限變化而預留的裕值。通常受換熱網絡的柔性與彈性影響。

結垢裕值是指管壁結垢，帶來換熱效果降低而預留的裕值。結垢裕值與運行 周期成正比。

控制裕值是達到最優控制力而預留的裕值。控制裕值受限定值和各種干擾因素的影響 。

2.增加旁路設計探究

操控熱交換器，可以不用顧慮其控制力和所稱承受的流量就可以控制熱交換器。熱交換器在實際操作中存在很多的變量，比如冷、熱流的人口溫度 、流量、結垢熱阻等，如果不對熱交換器換熱進行限制，冷、熱流的出口溫度就可能達不到設備運行條件；但僅僅依靠流量，會帶來載熱體流量的異常波動，導致熱交換器的異常；除此之外，對物流出口溫度的限制，會降低熱交換器的控制力。所以，增加旁路設計，通過旁路開度的變化調控物流的流量，以更好地控制熱交換器。旁路開度隨操作條件變化而變化，保持流量穩定，物流的出口符合操控需求。所示，通過對比分析，得出旁路設計既能夠達到增加控制熱交換器的自由度，又可以增強熱交換器的操控性能和穩定性。

二、熱交換器旁路設計裕值分析

操作裕值、結垢裕值和控制裕值的和等于設計裕值，在增設旁路的時候要通過確定操作、結垢、控制裕值的大小來確定設計裕值。推演方式有：第一，極限法推演，就是以破壞系統的最高限值為參照，得出所能承受的在最高破壞值；第二，統計指導論據的統計演算方式；第三，靈敏度推演，優化方案已得出結論。本文選擇最簡單可行的極限法推演。

操作裕值是指操作條件發生最大變化時，為確保冷、熱流出口溫度的穩定性符合操作需求而預留的裕值，也就是操作裕值可使用熱交換器穩定性數學模型推算(￡一∞)，限定熱交換器冷、熱流的入口溫度和／或流動速率的最大變化值為△S，而冷、熱流的輸出溫度誤差限值是△T，以熱交換器動態數學模型為參照，假定在熱交換器的冷側增加旁路設計，以熱流人口流量 m2為變量，其它不變，數學模式如式(1)一式(7)。

使用初期正常操作的換熱面積計算量為式(1)，局部冷流與熱流熱交換后，同經旁路沒有經過換熱的冷流相遇，相混的溫度為Tlout；式(3)為換熱器的總傳熱導數；設定熱流流量最大變化量為ΔS，式(4)可以算出相應的換熱面積值，這個時候旁路開度k的大小為旁路PID控制的仿真結果穩定值。同樣的道理，其它操作條件也會改變，以冷流人口溫度為例，將式(4)中的入口溫度調整為Tl±A T 1，采用極限法推算出總換熱面積值；式(7)表示操作裕值是換熱面積與使用初期正常操作的換熱面積的差，所占使用初期設備正常操作換熱面積的比例。

熱交換器運轉時間越長，其結垢熱阻越大，限制同一維修周期結垢熱阻最大值為R0max和Rimax，這個時候設計換熱面積如式(8)。

當結垢熱阻增加時，傳熱導數反而會降低，用式(8)計算出滿足操作需求的相關換熱面積A，用式(9)算出結垢裕值。同樣的道理，在知道操作裕值和結垢裕值的相關熱交換器面積時，可用式(4)和式(8)演算出對應的旁路開度值。

利用上面幾個步驟得出的熱交換器設計裕值，是操作裕值、控制裕值、結垢裕值之和

結語

旁路設計時設計裕值的科學計算可以幫助換熱網絡的優化功能,達到節能降耗的目的。

符號說明

Aa換熱面積,＜n2;k旁路開度；

K 傳熱系數,W‘（m2-K)-1;

Cp比熱容,kj/(fcg-K);m 質量流量,kg/s M 質量，kg;

T 溫度，K;

R結垢熱阻,Hi2·K/W；d換熱管直徑,m;

A導熱系數 M 粘度,Pa-s;

Sc兩折流板之間,靠近殼中心線處的管間流通面積,in2；

S4折流板缺口的管間流通面積,In2;

Si管程流通面積,in2;

S。 操作裕值；

Sr結垢裕值；

Sc控制裕值；

S設計裕值；

*管長，m;

t 時間，S。

上角標

'操作條件變化；

"熱阻變化。

下角標

1冷流；

2熱流；

0管外；

1管內；

out混合后輸出；

WO管壁外側；

Wi管壁內側。

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