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多级分组换热器温度平衡控制的研究与应用点击：1723 日期：[ 2014-04-26 22:21:22 ] |
| 多级分组换热器温度平衡控制的研究与应用 1.向 虎 1.张雅 2.孟祥生 2.王书惠 2.张自亮 1．西安建筑科技大学信息与控制工程学院(陕西省西安市710055)2．新疆时代石油工程有限公司(新疆克拉玛依市834000) 摘要：针对克拉玛依石化公司常减压蒸馏装置中的多级分组换热器温度平衡控制要求，分析了目前普遍采用的换热器温度控制方案的优缺点，提出了基于恒比例分流流量控制的换热器温度平衡控制的多级分组方案，该方案的实施提高了温度的控制精度，节省了投资并降低了能耗。 关键词：常减压蒸馏装置 原油换热 恒比例分流 流量控制 多级分组换热器 温度平衡控制 2．0 Mt／a常减压蒸馏装置改造工程是中国石油克拉玛依石化分公司2005年的重点项目，该工程包括换热、电脱盐、闪蒸塔、常压炉、常压塔、减压炉、减压塔、蒸汽发生器、脱钙和公用工程等部分；采用集散控制系统(简称DCS)对工艺过程进行集中控制、检测、记录和报警，装置内的主要机泵设备的运行状态均在DCS上显示；设置一套安全可靠的紧急停车系统(ESD)，以满足系统对联锁保护的要求。在该改造工程中，换热是最基本的一个环节。原油必须经换热后才能进入下一道工序，因此对换热器出口温度控制的好坏影响着后续工序的控制效果乃至最终产品的质量。 1 改造换热器的总体情况 在该改造工程中，换热器多达数十台，因此提高换热效率对于节能具有十分重要的意义。该工程共涉及到6处原油多级分组换热器温度控制方案的设计，其工艺过程如图l所示。 其中，换热器组l为7级换热器，换热器组2，3均为5级换热器。 工艺要求为：原油(总流量为F)分成三条支路(流量分别为F1， F2，F3 )经过3组不同的换热器组换热后，出口温度T1， T2，T3要保持严格一致，以满足后续工序的要求。 但在该工艺过程中，换热器组的出口温度难以平衡控制，因此不能直接采用温度作为控制对象，而必须采用与温度有一一对应关系的流量作为控制对象对温度进行问接控制。该换热器温度平衡控制方案的研究与设计是本研究的重点。换热器是用来实现流体间的加热、冷却、汽化、冷凝等传热过程的设备。逆流单程换热器如图2所示，假设两侧均无相变，流体G1与G2：热交换后温度分别由T1i ，T2i 变成 T10.T20。 1．2 换热器的动态特性 由于换热器中换热流体要把热量传递给工艺介质，必须先由载热体通过对流传热方式将热量传递给热流体一侧的间壁，以提高问壁温度，再由热流体一侧的间壁通过传导的方式将热量传给冷流体一侧的间壁以提高此问壁的温度，然后再由冷流体的问壁通过对流传热的方式将热量传给冷流体，这样就形成了二阶惯性环节，考虑到物料的停留时间，于是形成了纯滞后。 因此对于换热器的动态特性，可用二阶惯性环节加纯滞后公式来近似描述： 由换热器动态特性分析可知，换热器三个通道的动态特性均可近似为带有纯滞后的二阶魄性环节。 由以上特性可知，在该工程的热交换过程中，如果直接采用工艺流体出口温度作为被控对象，纯滞后时间将非常大，系统难以控制到稳定状态，故采用流量控制间接实现温度控制。目前在多级热交换过程中，均采用间接指标控制换热器出口温度。 2 目前普遍采用的温度控制方案 由于在该工程的热交换过程中，需要的载热体用量很大，从图3所示换热器静态特性曲线看，当载热体用量很大时，换热器的静态曲线已经进入饱和区，这时通过改变载热体的流量已经起不到调节作用；Jg换热器动态特性曲线看，对于程数复杂的换热器，流体停留时间长，纯滞后大，动态特性较差，通过改变载热体流量来控制工艺介质的温度，效果比较差。目前普遍采用的温度控制方案是使工艺介质分流，使之分成多路经过不同的换热器换热，到换热器出口处再使这几路工艺介质混合，通过控制支路流量间接控制工艺介质换热后的温度。若采用此方案，其工艺管道仪表流程如图5所示： 图中C1，C2 ，C3为控制器；T，F分别为原油进口温度、流量；T1，T2，T3为原油出口温度；F1，F2，F3为原油出口流量。 此方案具体控制过程为：设定控制器C1，C3 ，的流量值，即控制回路C1，C3 ，采用定值控制，保持流体出口温度和流量不变；然后用总管道上的流量即总流量减去流量计2，3读数之和，其差值作为控制回路C1的给定值。由于采用DES作为控制系统，总流量计、流量计2、流量计3的读数均可在位于中控室的DCS上显示，通过简单的加减法即可得到控制回路C1的给定值，由此可实现控制回路C1，的人工远程控制。 此方案克服了换热器静态饱和区以及动态饱和区的影响，消除了多级换热导致的温度控制纯滞后时间大的缺点，换热效率高，但由于存在人工参与控制，必然导致三条支路出口处原油温度不能严格一致，这样三条支路的原油混合后的物理化学性质很不稳定，给后续加工带来极大的困难。 3 改进的温度控制方案 基于恒比例分流流量控制的换热器温度控制方案如图6所示。 处温度的平衡控制。 4 结束语 在石油、化工等生产过程中，存在大量热交换设备，如何提高换热效率已经成为节能的一个主要手段，本文提出的基于恒比例分流流量控制的多级分组换热器温度平衡控制方案，已经成功地应用于克拉玛依石化公司蒸馏装置中，大幅度提高了换热器温度平衡控制精度，能有效地确保三条支路的原油经多级分组换热器后的温度高度一致，更好地满足了工艺要求，提高了换热器的换热效率，降低了能源消耗和劳动强度，并节省了大约(36—54)×10 RMB￥投资，在石油、石化等流程工业中具有较高的推广价值。 参考文献 [1]谭天恩．化工原理[M]．北京：化学工业出版社，1990：6． [2]陆德民．石油化工自动控制设计手册[M]．北京：化学工业出版社，2000：1． [3]王常力．分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M]．电子工业出版社，2004：8．(编辑漆萍) |
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