淺談蒸汽加熱換熱器的控制方案

常 錚

(青島伊科思技術工程有限公司，山東 青島 266042)

煉油、化工裝置中精餾分離或化學反應過程中所需的熱量都來自加熱換熱器，其中以清潔、安全、廉價的蒸汽作為熱媒的管殼式加熱換熱器應用最為廣泛。蒸汽加熱換熱器控制方案的選擇對煉油、化工裝置的操作穩定性、產品質量、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逐一進行淺析，以供借鑒。

1 旁路控制[2]

在蒸汽加熱換熱器工藝介質側進、出口設置一條旁通線，通過調節旁通流量而實現對工藝介質出口溫度的控制。當蒸汽加熱換熱器的蒸汽凝液量小時，凝液出口宜設置疏水器，旁路控制方案見圖1；當蒸汽凝液量較大而疏水器規格尺寸無法滿足要求時，凝液出口則應設置凝液罐，其旁路控制方案見圖2。

圖1 旁路控制方案(凝液出口設置疏水器)

圖2 旁路控制方案(凝液出口設置凝液罐)

旁路控制具有如下特點：

(1)反應迅速及時，換熱器需具有較大的換熱面積裕量；

(2)適用于工藝介質流量不允許控制的場合；

(3)不適用于工藝介質易結焦、結垢、聚合和熱敏性的場合。

此外，當蒸汽加熱器為精餾塔再沸器時，旁通線內和再沸器底部一樣存有一定量的液體，再沸器內氣化的工藝介質從再沸器頂部流出而無法流經旁通線，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置一調節閥，通過調節閥門開度控制凝液的流出量，閥門開度小時凝液流出量小，換熱器殼側液位增高，凝液浸沒的換熱管面積增加，而加熱介質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:

(1)該控制所需調節閥口徑尺寸較小，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蒸汽通過換熱器殼程串入凝液總管，調節閥必須具備“故障關”功能；

(4)當工藝流體流量突然增加而導致其出口溫度低時，可快速打開調節閥排除凝液充入蒸汽，該控制非常靈敏；而當工藝流體流量突然減小而導致其出口溫度高時，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都比較小的系統，該控制較穩定；對于工藝流體或蒸汽壓力波動比較大的系統，該控制因具有較大滯后而不適用。

2.2 改進的換熱面積控制

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；

(2)蒸汽的壓力和溫度波動；

(3)凝液總管的壓力波動。

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

2.2.1 前饋-反饋控制

當干擾因素為工藝流體的流量波動時，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

當干擾因素為蒸汽壓力波動時，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

當干擾因素為凝液總管的壓力波動時，則可考慮采用工藝流體出口溫度與換熱器殼側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置一調節閥，通過調節閥的開度大小控制進入換熱器殼側內的蒸汽壓力。當殼側蒸汽壓力較低時，則蒸汽冷凝溫度也較低,對應的平均傳熱溫差也較小；反之，則蒸汽冷凝溫度也較高，對應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：

(1)反應迅速、控制靈敏、可靠，且不需要較大的換熱面積裕量；

(2)適用于蒸汽管網壓力波動較大的換熱系統；

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

(4)不利于蒸汽及其凝液熱量的梯級利用，另外，調節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用范圍相對較廣。對于溫度控制精度要求不高的換熱系統，優先選用面積控制方案；反之，則優先選用蒸汽冷凝溫度控制方案。換熱器的自身結構對其控制方案選擇也有較大影響，比如：當換熱器面積裕量很大時可優先考慮換熱面積控制方案。此外，蒸汽管網的壓力是否穩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劣之分，在確定其最優控制方案時要進行多因素綜合考慮分析。