迄今為止，殼管式換熱器是石化工業(yè)中最常見的換熱器類型，因為它適用于低壓和高壓應用。如圖所示，它由一個外殼和一束管子組成，這些管子要么是直的，要么是“U”形的。一種流體流過管子，另一種流體流過管子周圍的外殼，以在兩種流體之間傳遞熱量。這組管稱為管束。



熱量通過管壁從一種流體傳遞到另一種流體，或者從管流體傳遞到殼流體，或者以另一種方式傳遞。在殼或管上的流體可以是液體或氣體。為了有效地傳遞熱量，使用了許多管子以增加兩種流體之間的傳熱表面積。

1、控制目標
為了給任何控制回路開發(fā)綜合控制策略，重要的是識別感興趣的過程變量或“受控變量”、操縱變量以及直接影響受控變量的不同干擾變量。


為了便于說明，考慮圖中所示的換熱器，殼程流體是需要加熱到某個溫度設定點的過程流體，該結果溫度是在換熱器T1的出口處測量的-OUT(受控變量)。

加熱是通過在管側通入蒸汽來實現(xiàn)的，通過管道的蒸汽越多，傳遞給過程流體的熱量就越多，反之亦然。蒸汽流量F2(操縱變量)的控制是通過調節(jié)安裝在蒸汽入口側的調節(jié)閥來實現(xiàn)的。

三個主要干擾會影響過程流體出口溫度：
①過程流體流速的變化，F(xiàn)1
②過程流體入口溫度的變化，T1-IN
③蒸汽壓力的變化，引起蒸汽流量的變化，F(xiàn)2

控制目標是通過操縱蒸汽流量F2將過程流體出口溫度T1-OUT保持在選定的設定點，而不管有任何干擾。

2、反饋控制
在反饋控制方案中，過程變量T1-OUT被測量，并應用于基于PID(比例-積分-微分)的反饋溫控器(fbTC)，它將過程變量與所需的溫度設定點進行比較， 然后計算并生成所需的控制動作，或多或少打開蒸汽控制閥。



反饋控制方案最重要且無可比擬的優(yōu)勢在于，無論干擾源是什么，已知或未知，控制器都會采取糾正措施。其次是反饋控制需要非常少的過程知識，過程模型不是設置和調整反饋方案所必需的，盡管這將是一個優(yōu)勢。

在消極方面，反饋控制的主要缺點是它無法響應干擾，即使是主要干擾，直到受控變量已經受到影響。此外，如果發(fā)生過多且具有重大意義的干擾，它們可能會使過程失控。

3、串級控制
在串級控制方案中，不是將PID調節(jié)器的輸出直接饋送到控制閥，而是將其作為設定點饋送到基于反饋PID的蒸汽流量調節(jié)器(fbFC)。 第二個回路負責確保蒸汽的流速不會因任何不可控因素(即蒸汽壓力變化或閥門問題)而發(fā)生變化。



為了理解這是如何工作的，考慮熱交換器處于穩(wěn)態(tài)運行并且出口溫度與設定點匹配，fbTC的調節(jié)器輸出是恒定的，蒸汽壓力的突然增加將導致蒸汽流量F2斜坡向上。這將在一段時間后導致受控變量發(fā)生變化，而不是立即發(fā)生變化。如果沒有流量控制回路，在出口溫度已經受到影響之前，fbTC不會單獨采取任何糾正措施。

通過實施串級策略，一旦蒸汽流量發(fā)生變化，反饋流量控制回路“fbFC”將立即調整閥門位置，使流量恢復到先前穩(wěn)態(tài)條件的值(因為流量設定點由下式給出)溫度控制器沒有改變，因為出口溫度還沒有改變)，防止出口溫度發(fā)生變化。

值得一提的是，流量控制回路必須調整得比溫度控制回路運行得快得多，因此它會在影響過程流體出口溫度之前消除流量變化的影響。

4、前饋控制
與反饋控制不同，前饋控制在干擾發(fā)生的同一時刻采取糾正措施，前饋控制看不到過程變量，但它只看到干擾并在干擾發(fā)生時做出響應。 這使前饋控制器能夠快速直接地補償干擾的影響。

要實施前饋控制，必須了解過程模型以及干擾與過程變量之間的直接關系。對于換熱器，穩(wěn)態(tài)模型的推導將導致以下等式確定所需的蒸汽流量：
①F2sp=F1×[(T1-OUTsp)–(T1-IN)]×(Cp/ΔH)
②F2sp=蒸汽流速計算設定值，應用于fbFC
③F1=過程流體流速，測量的干擾
④T1-OUTsp=熱交換器出口處的過程流體溫度設定點
⑤T1-IN=過程流體入口溫度，測得的擾動
⑥Cp=過程流體比熱，已知
⑦ΔH=蒸汽的汽化潛熱，已知

應用上述方程計算所需的蒸汽流量足以抵消過程流體流量和溫度變化的影響，在對過程模型幾乎沒有改進的完美世界中，這種前饋控制器足以完美地控制過程不幸的是，這不是一個完美的世界。

該方案的明顯優(yōu)勢在于它在過程中斷之前采取糾正措施。不利的一面是，它要求高初始資本成本，因為必須測量每個干擾，增加儀器數(shù)量和相關的工程成本，而且這種方法需要對過程有更深入的了解，實際上，僅依賴于 前饋控制而不考慮測量的過程變量。

5、綜合方法
使用反饋、前饋和串級控制的集成方法，如圖所示，完全能夠滿足換熱器控制要求：



前饋回路將處理過程流體中的主要干擾級聯(lián)流量控制回路將處理與蒸汽壓力和閥門問題相關的問題反饋循環(huán)將處理其他一切。

結合反饋控制、串級控制和反饋控制和綜合控制的幾種控制方案來優(yōu)化換熱器操作，不僅有必要最大限度地減少過程差異和最大化合格產品，而且對于石油化工行業(yè)的能效要求也極為重要。

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