应用换热器控制策略

热交换器在流体之间传递热能。虽然传热通常是有效的，但将被加热流体的温度控制在特定和稳定的设定值可能具有挑战性。然而，这些挑战可以通过理解在工业中实施的换热器控制方案来克服。

管壳式换热器一览无遗

到目前为止，壳管式换热器是石油化工行业中最常用的换热器类型，因为它适用于低压和高压应用(见图1)。它由一个外壳和一束管内组成。管子的方向是直的或“U”形。一种流体通过管道，另一种流体通过围绕管道的外壳来在两种流体之间传递热量(见图2)。这组管道被称为“管束”。

热量通过管壁从一种流体传递到另一种流体。

热量从管状流体传递到壳状流体以去除热量，或从壳状流体传递到管状流体以加热内部的材料。流体可以是液体，也可以是气体，无论是在壳体还是管的一侧。为了有效地传递热量，使用了许多管，这增加了两种流体之间的传热表面积。

控制目标

为了为任何控制循环开发一个全面的控制策略，重要的是确定感兴趣的过程变量-称为“被控制变量”，被操纵变量，以及直接影响被控制变量的不同扰动变量。

考虑图3所示的热交换器。壳体侧流体是需要加热到某一温度设定值的工艺流体。得到的温度在热交换器的出口T1处测量_出(控制变量)。

加热是通过蒸汽通过管侧来实现的。通过管道的蒸汽越多，传递给工艺流体的热量就越多，反之亦然。控制蒸汽流量F2(操纵变量)是通过调节安装在蒸汽进口一侧的调节阀来实现的。

影响工艺流体出口温度的主要扰动有三种:

• 工艺流体流速的变化，F1
• 工艺流体入口温度变化T1_在
• 蒸汽压力的变化，引起蒸汽流量的变化，F2。

控制目标是保持工艺流体出口温度T1_出在期望的设定值-不管干扰-通过操纵蒸汽流量F2。

反馈控制

在反馈控制方案中，过程变量T1_出，测量并应用于基于比例-积分-导数(PID)的反馈温度控制器(fbTC)，该控制器将过程变量与所需的温度设定值进行比较，然后计算并生成打开或关闭蒸汽控制阀所需的控制动作(见图4)。

反馈控制方案最重要的优点是不管干扰源是什么，控制器都会采取纠正措施。使用反馈控制需要很少的流程知识。因此，设置和调优反馈方案并不需要流程模型，尽管这是一种优势。

反馈控制的主要缺点是在被控制变量已经受到影响之前，它不能对扰动(甚至是主要扰动)作出反应。此外，如果发生了太多的显著量级的扰动，它们可能会造成不可恢复的过程不稳定性。

串级控制

在串级控制方案中，不是将PID温度控制器的输出直接馈送到控制阀，而是将其作为一个设定值馈送到基于PID的反馈蒸汽流量控制器(fbFC)。第二个回路负责确保蒸汽的流速不会由于不可控因素而改变，例如蒸汽压力变化或阀门问题。

为了理解这是如何工作的，考虑换热器处于稳态运行，出口温度匹配设定值，fbTC的控制器输出是恒定的。蒸汽压力的突然增加会导致蒸汽流量F2上升(见图5)。这将导致被控制变量的逐渐变化。如果没有流量控制回路，除非出口温度已经受到影响，否则fbTC不会采取纠正措施。

通过实施级联策略，反馈流量控制回路fbFC将在蒸汽流量发生变化时立即调整阀门位置，使流量恢复到先前稳态条件的值(因为温度控制器给出的流量设定值没有随着出口温度的变化而变化)，防止出口温度发生变化之前发生变化。

请注意，必须调整流量控制回路，使其运行速度比温度控制回路快得多，因此在流量变化影响工艺流体出口温度之前消除其影响。

前馈控制

与反馈控制不同，前馈在出现扰动时采取纠正措施。前馈控制看不到过程变量。它只看到干扰，并在干扰发生时作出反应。这使得前馈控制器能够快速直接地补偿扰动的影响(见图6)。

为了实现前馈控制，必须理解过程模型以及扰动与过程变量之间的直接关系。对于热交换器，从稳态模型推导将导致以下方程，它决定了所需的蒸汽流量:

F2sp = F1 × (T1_出sp - T1_在) × (Cp/ΔH)

地点:

• F2sp=蒸汽流量计算设定值应用于fbFC
• F1=过程流体流速测量扰动
• T1_出sp=热交换器出口的工艺流体温度设定值
• T1_在=过程流体入口温度被测扰动
• Cp=工艺流体比热(已知)
• ΔH蒸汽汽化潜热(已知)。

应用该方程计算所需蒸汽流量，足以抵消工艺流体流量和温度变化的影响。在对过程模型进行少量改进的理想情况下，这个前馈控制器足以完美地控制过程。不幸的是，这不是一个完美的世界。

使用前馈控制的明显优点是在过程被打乱之前采取纠正措施。缺点是它要求较高的初始资本成本，因为每个扰动都必须测量，增加了仪器的数量和相关的工程成本。此外，这种方法需要对流程有更深入的了解。仅仅依靠前馈控制而不考虑被测过程变量是不现实的。

综合方法

图7显示了一种使用反馈、前馈和级联控制的集成方法。这种方法能够满足换热器的控制要求:

• 前馈回路将处理过程流体中的主要扰动
• 级联流量控制回路将处理与蒸汽压力和阀门问题相关的问题
• 反馈回路将处理其他一切。

结合这三种技术来优化换热器的温度控制是石油化工行业最小化过程方差、最大化产品质量和确保能源效率的必要条件。

——Shady Yehia的创始人和作者控制博客他是总部位于卡塔尔并在EMEA地区运营的过程技术集成公司的仪器仪表、控制和自动化建议和工程经理。控制博客是CFE媒体的内容合作伙伴。由CFE媒体内容经理杰克·史密斯编辑，控制工程，jsmith@cfemedia.com．

关键概念

• 了解与换热器温度控制相关的控制技术——反馈、级联、前馈和pid。
• 评估过程变量的扰动和修正如何影响控制性能。
• 考虑整合这些控制技术以优化换热器温度控制的优势和风险。

考虑一下这个

当使用热交换器从工艺流体中去除热量(而不是向其提供热量)时，这些技术的效果如何?

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