蒸汽加熱換熱器的優化控制

高麗梅

(中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030)

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蒸汽加熱換熱器的優化控制

高麗梅

(中石化寧波工程有限公司 上海分公司，上海 200030)

摘要：針對蒸汽加熱的立式管殼式換熱器，就調節閥位置在進口蒸汽還是出口凝液管線上展開討論。蒸汽調節閥安裝在蒸汽入口管道上，凝結水將夾帶大量蒸汽排出，不能充分利用蒸汽潛熱，且調節閥口徑較大，成本高；調節閥安裝在出口凝液管線上，在換熱器上增加液位控制，可充分地利用蒸汽潛熱，節省能源，且出口凝液管道比蒸汽進口管道小，可以節省調節閥購買費用，通過控制冷凝液的排放量和排放速度，達到最大化的換熱效果；同時就改進后的控制方案從理論上分析了其可行性。

關鍵詞：蒸汽凝液換熱器液位控制

換熱器是在具有不同溫度的兩種或兩種以上流體之間傳遞熱量的設備，廣泛應用于化工、能源、機械、交通、冶金、動力及航空航天等領域。在工業生產中，其主要作用是使熱量由溫度較高的流體傳遞給溫度較低的流體，使流體溫度達到工藝流程規定的指標，以滿足工藝條件的需要，是非常重要的換熱設備。

目前，在換熱器中，應用最多的是管殼式換熱器。隨著傳熱強化技術和換熱器設計方法的飛速發展，關于蒸汽換熱的管殼式換熱器在控制方面的節能降耗也進行了多方面的應用研究，取得了良好的效果，有效解決了裝置穩定運行的問題。筆者對蒸汽加熱的立式管殼式換熱器原有及改進后控制方式的優缺點、原理進行了討論分析，對其他同類型裝置具有借鑒意義。

1蒸汽加熱換熱器原有控制方式

立式管殼式換熱器采用蒸汽作為加熱介質，物料進入列管式換熱器管程獲得熱量被加熱，蒸汽自殼程上管口進入，下管口冷凝為飽和凝液通過疏水閥或泵抽出，主要利用蒸汽潛熱對管程物料進行加熱。此類換熱器主要應用于再沸器和蒸發器等。

采用蒸汽加熱換熱器的傳統調節方式為將調節閥安裝在蒸汽入口管道上，通過調節蒸汽入口流量控制被加熱物料的溫度或汽化率，被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與蒸汽流量形成串級控制。此種控制方式比較直接，換熱器不需要很大的余量，調節閥口徑較大，成本較高；但調節閥安裝在入口管道需將蒸汽節流，必然降低了蒸汽的能量，造成一部分熱量浪費，對節能不利。同時換熱器出口需配備性能良好的疏水系統，如圖1所示。一旦疏水系統出現問題，將影響換熱器的換熱效率，而且凝結水中夾帶大量蒸汽排出，造成嚴重浪費，常規疏水閥的漏氣率在5%左右，其實此部分熱量已經損失掉了；考慮到目前單個疏水閥的疏水量有限且疏水閥并聯放置時效果降低等原因，當蒸汽用量過大時(熱負荷大，一般超過15t/h)，根據物料守恒定律可知，凝結水量相應也較大，將選不到合適的疏水閥。所以當換熱器蒸汽用量大時，傳統的做法是在換熱器后增加蒸汽凝液罐(如凝液需要回收利用需增加增壓泵)，再通過控制蒸汽凝液罐液位的方法來達到充分利用蒸汽潛熱的效果，如圖2所示。由于化工裝置一般布置緊湊，增加一個容器會使空間就顯得更加狹小，給操作造成不便，且需要增加凝液罐的一次投資費用，既不美觀也不經濟。

圖1　增加疏水系統的連接方式

換熱器換熱性能的優劣將直接影響到裝置運行的穩定性、可靠性和生產過程的經濟性。換熱器在剛投入使用時無結垢、傳熱系數大、換熱效果好，需要的蒸汽較少流量就能達到良好的換熱效果。隨著運行時間的不斷增加，在生產過程中，換熱器蒸汽側(殼程)或物料側(管程)的結垢或污染都可能造成換熱熱阻的增加，進而使換熱器的傳熱效率變差，最終導致工藝參數達不到換熱技術要求且蒸汽消耗大量增加。

圖2　增加凝液罐的連接方式

2蒸汽加熱換熱器現有控制方案

圖3　出口溫度與換熱器液位形成串級調節

圖4　出口溫度與蒸汽凝液流量形成串級調節

蒸汽加熱的立式管殼式換熱器的調節閥安裝在蒸汽凝液出口管道上，且在換熱器殼程上增加液位控制或液位顯示，被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與換熱器液位形成串級調節(如圖3所示)或者被加熱物料的出口溫度(或其他控制變量)與蒸汽凝液流量形成串級調節(如圖4所示)，該方案可以充分地利用蒸汽潛熱，減少蒸汽熱量損失，達到節約能源的目的。由于出口蒸汽凝液管道比蒸汽進口管道小的多，在達到控制效果的同時還可以節省調節閥的采購費用。換熱器液位控制或換熱器凝液出口流量調節控制方案替換凝液出口疏水閥或蒸汽凝液罐的調節方式，可以通過控制蒸汽凝液的排放量或排放速度，調整換熱器換熱面積，達到蒸汽潛熱利用最大化的換熱效果。該控制方案可以減小蒸汽波動的影響，不需調節閥節流降壓降低蒸汽能量，可以提高蒸汽熱量利用效率，達到節能降耗目的。換熱器加裝液位測量的主要目的是使進入再沸器的蒸汽完全冷凝下來，其一節約蒸汽；其二若蒸汽冷凝液回收利用，保證回收管道中全部是液體，不會因含有未冷凝的蒸汽進入回收管道造成管道劇烈震動，同時可以省去疏水閥或蒸汽分離罐；其三通過液位測量時監控換熱器液位，了解蒸汽和換熱器使用情況，達到經濟高效的目的。

通過控制適當的換熱器液位，保證一定的換熱面積，可以有效地避免蒸汽串氣的現象(疏水閥不太好使的時候)。根據能量守恒定律，調節閥設在換熱器出口，看似是調節再沸器出口蒸汽冷凝液的流量，實際上是通過調節蒸汽凝液流量來間接控制蒸汽用量，同時避免出口凝液中夾帶蒸汽。既避免了單個疏水閥疏水量不大的缺點，也解決了增加蒸汽凝液罐帶來的設備布置困難問題。

傳統換熱器控制方案中，在裝置定期檢修時，通常需對換熱設備進行清洗，但需要裝置停車才能進行，因而減少了裝置的有效工作時間，造成資源大量浪費。如果能夠在設備運行過程中判斷出換熱器的工作狀態，并據此制訂檢修計劃，就可以充分延長設備的檢修周期，降低檢修成本，更重要的是可以減少裝置的停運時間，提高生產過程的經濟性。換熱器上加裝液位測量元件，就可以通過DCS畫面的液位實時測量數據，對換熱器的實時運行狀態進行監測分析和性能預報，可以間接提供換熱器的工作性能指標，對其中長期的變化趨勢進行預報，由此制訂科學合理的運行和檢修方案，監控換熱器的運行狀態，提高整個裝置的生產效率，降低生產和檢修成本。

3兩種控制方案原理分析

管殼式換熱器在熱交換過程中，主要通過間壁的熱傳導和間壁兩側的對流傳熱。在此忽略通過固體間壁的熱傳導，主要考慮間壁兩側的對流傳熱。對流傳熱速率(單位時間內所傳遞的熱量)可以用下式表示：

Q=KAΔT

(1)

式中：Q——熱流通量；K——總傳熱系數；A——換熱面積；ΔT——傳熱溫差。

根據式(1)可知，無論是調節K，A還是ΔT，都能實現Q的調節。由于換熱器主要利用的是蒸汽潛熱，因而工藝參數確定，ΔT即為恒定的，只能通過改變K或A來達到換熱目的。調節閥安裝在蒸汽管線上時，是通過調整換熱器內蒸汽凝液膜的厚度和導熱系數達到改變總傳熱系數K的目的；而將調節閥安裝在蒸汽凝液管道上，是通過調整換熱器液位高度來達到改變換熱面積A的目的。當然，調節ΔT也是可以的，但不僅難度大，相比調節K和A要困難的多，且造成蒸汽能量的大量損失。

換熱器控制中要調節A，首先要通過調節液位，所以調節閥需要安裝在出口蒸汽凝液管道上，一種即為液位控制方案，另一種為流量控制方案，換熱器加裝液位測量DCS顯示。兩種方案都能對換熱器的液位進行監控，在DCS上顯示換熱器液位，操作簡單方便。通過調整冷凝液淹沒部分換熱管液位高低就能調節換熱面積A，達到調節所需換熱熱量的效果。

換熱器在剛投入使用時傳熱系數大，效果好，需要的蒸汽流量少，但隨著運行時間的增加，換熱管結垢嚴重，傳熱系數降低，效果變差，需要的蒸汽流量增加。通過調整換熱器液位的方法，改變換熱面積的大小，更加節約能源，且可以通過DCS監控換熱液位高度，觀察換熱器的運行情況，如果發現液位很低，證明換熱器結垢嚴重已不能滿足換熱要求，需要停車清洗。

4結論

本文綜合考慮熱利用和穩定工藝等因素，以實際控制方案為依據，通過兩種控制方案的比較，證明將調節閥安裝在換熱器出口蒸汽凝液管線上，改變加熱面積來達到最終控制目標的方案，更具有調節方便、節能的優點，且可以通過液位測量元件監控換熱器的運行狀態，提高整個裝置的生產效率；但對于蒸汽壓力波動大的工況，需要在進口蒸汽管線上增加自力式調節閥以穩定蒸汽壓力以達到最佳控制效果。具體方案為以工藝物料出口溫度(或其他控制變量)為主環，以蒸汽凝液流量或換熱器液位為副環組成串級調節，以主環給定副環，以達到控制物料溫度與節能降耗兼顧的目的。

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中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)04-0074-03

作者簡介：高麗梅(1981—)，女，上海人，畢業于華東理工大學自動化專業，獲學士學位，現就職于中石化寧波工程公司上海分公司電控室，長期從事石油化工自動化及儀表設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-03-11。