浅谈蒸汽加热换热器的控制方案

常 铮

(青岛伊科思技术工程有限公司，山东 青岛 266042)

炼油、化工装置中精馏分离或化学反应过程中所需的热量都来自加热换热器，其中以清洁、安全、廉价的蒸汽作为热媒的管壳式加热换热器应用最为广泛。蒸汽加热换热器控制方案的选择对炼油、化工装置的操作稳定性、产品质量、能耗以及安全等都有重要影响。管壳式蒸汽加热换热器有三种基本控制方式[3]：旁路控制、换热面积控制和蒸汽冷凝温度控制。下面笔者对管壳式蒸汽加热换热器的上述三种控制方案的特点逐一进行浅析，以供借鉴。

1 旁路控制[2]

在蒸汽加热换热器工艺介质侧进、出口设置一条旁通线，通过调节旁通流量而实现对工艺介质出口温度的控制。当蒸汽加热换热器的蒸汽凝液量小时，凝液出口宜设置疏水器，旁路控制方案见图1；当蒸汽凝液量较大而疏水器规格尺寸无法满足要求时，凝液出口则应设置凝液罐，其旁路控制方案见图2。

图1 旁路控制方案(凝液出口设置疏水器)

图2 旁路控制方案(凝液出口设置凝液罐)

旁路控制具有如下特点：

(1)反应迅速及时，换热器需具有较大的换热面积裕量；

(2)适用于工艺介质流量不允许控制的场合；

(3)不适用于工艺介质易结焦、结垢、聚合和热敏性的场合。

此外，当蒸汽加热器为精馏塔再沸器时，旁通线内和再沸器底部一样存有一定量的液体，再沸器内气化的工艺介质从再沸器顶部流出而无法流经旁通线，因此，旁路控制也不适用于再沸器场合。

2 换热面积控制

2.1 单回路换热面积控制[4]

在换热器的蒸汽凝液出口管道上设置一调节阀，通过调节阀门开度控制凝液的流出量，阀门开度小时凝液流出量小，换热器壳侧液位增高，凝液浸没的换热管面积增加，而加热介质蒸汽与换热管的有效接触换热面积则减小。反之，蒸汽与换热管的有效接触换热面积则增大。单回路换热面积控制方案见图3。

图3 单回路换热面积控制方案

该控制具有如下特点:

(1)该控制所需调节阀口径尺寸较小，但要求换热器具有较大的换热面积裕量；

(2)工艺流体出口温度变送器控制信号直接作用控制蒸汽凝液阀的开度，控制器具有反作用；

(3)为防止仪表空气故障时蒸汽通过换热器壳程串入凝液总管，调节阀必须具备“故障关”功能；

(4)当工艺流体流量突然增加而导致其出口温度低时，可快速打开调节阀排除凝液充入蒸汽，该控制非常灵敏；而当工艺流体流量突然减小而导致其出口温度高时，该控制不灵敏、具有较大滞后；

(5)对于工艺流体和蒸汽压力波动都比较小的系统，该控制较稳定；对于工艺流体或蒸汽压力波动比较大的系统，该控制因具有较大滞后而不适用。

2.2 改进的换热面积控制

单回路换热面积控制方案受到的外部干扰因素较多，主要有如下三种[5]：

(1)工艺流体的流量、温度或组成波动；

(2)蒸汽的压力和温度波动；

(3)凝液总管的压力波动。

当单回路换热面积控制受到上述干扰因素影响时，其反应不灵敏、不及时，具有较大的滞后性，则无法采用，此时可考虑采用改进的换热面积控制方案。

2.2.1 前馈-反馈控制

当干扰因素为工艺流体的流量波动时，则可考虑采用工艺流体流量与工艺流体出口温度的前馈-反馈控制方案，前馈控制可以提前消除工艺流体流量变化这个干扰因素，反馈控制可以消除其他干扰因素影响。前馈-反馈控制方案见图4。

图4 前馈-反馈控制方案

2.2.2 温度-流量串级控制

当干扰因素为蒸汽压力波动时，则可考虑采用工艺流体出口温度与蒸汽流量的串级控制方案，见图5。

图5 温度-流量串级控制方案

2.2.3 温度-液位串级控制

当干扰因素为凝液总管的压力波动时，则可考虑采用工艺流体出口温度与换热器壳侧液位的串级控制方案，见图6。

图6 温度-液位串级控制方案

3 蒸汽冷凝温度控制[3]

该控制是在蒸汽入口管道上设置一调节阀，通过调节阀的开度大小控制进入换热器壳侧内的蒸汽压力。当壳侧蒸汽压力较低时，则蒸汽冷凝温度也较低,对应的平均传热温差也较小；反之，则蒸汽冷凝温度也较高，对应的平均传热温差也较大。蒸汽冷凝温度控制方案见图7。

图7 蒸汽冷凝温度控制方案

该控制具有如下特点：

(1)反应迅速、控制灵敏、可靠，且不需要较大的换热面积裕量；

(2)适用于蒸汽管网压力波动较大的换热系统；

(3)不适用于对数平均传热温差较大的换热系统(即：冷侧工艺流体温度过低的系统)；

(4)不利于蒸汽及其凝液热量的梯级利用，另外，调节阀因位于蒸汽管道上而使其口径尺寸较大；

(5)因较低压力的蒸汽在换热器中冷凝时能释放出更多的汽化潜热，因此，该控制具有较高的蒸汽利用效率。

4 结论

管壳式蒸汽加热换热器的三种控制方案各有利弊：旁路控制方案应用范围相对较窄，既不能用于热敏性物系，也不能用于精馏塔再沸器；而换热面积和蒸汽冷凝温度两种控制方案应用范围相对较广。对于温度控制精度要求不高的换热系统，优先选用面积控制方案；反之，则优先选用蒸汽冷凝温度控制方案。换热器的自身结构对其控制方案选择也有较大影响，比如：当换热器面积裕量很大时可优先考虑换热面积控制方案。此外，蒸汽管网的压力是否稳定也对控制方案的选择有重要影响。因此，蒸汽加热换热器的三种控制方案没有绝对的优劣之分，在确定其最优控制方案时要进行多因素综合考虑分析。