迄今为止，壳管式换热器是石化工业中最常见的换热器类型，因为它适用于低压和高压应用。如图所示，它由一个外壳和一束管子组成，这些管子要么是直的，要么是“U”形的。一种流体流过管子，另一种流体流过管子周围的外壳，以在两种流体之间传递热量。这组管称为管束。



热量通过管壁从一种流体传递到另一种流体，或者从管流体传递到壳流体，或者以另一种方式传递。在壳或管上的流体可以是液体或气体。为了有效地传递热量，使用了许多管子以增加两种流体之间的传热表面积。

1、控制目标
为了给任何控制回路开发综合控制策略，重要的是识别感兴趣的过程变量或“受控变量”、操纵变量以及直接影响受控变量的不同干扰变量。


为了便于说明，考虑图中所示的换热器，壳程流体是需要加热到某个温度设定点的过程流体，该结果温度是在换热器T1的出口处测量的-OUT(受控变量)。

加热是通过在管侧通入蒸汽来实现的，通过管道的蒸汽越多，传递给过程流体的热量就越多，反之亦然。蒸汽流量F2(操纵变量)的控制是通过调节安装在蒸汽入口侧的调节阀来实现的。

三个主要干扰会影响过程流体出口温度：
①过程流体流速的变化，F1
②过程流体入口温度的变化，T1-IN
③蒸汽压力的变化，引起蒸汽流量的变化，F2

控制目标是通过操纵蒸汽流量F2将过程流体出口温度T1-OUT保持在选定的设定点，而不管有任何干扰。

2、反馈控制
在反馈控制方案中，过程变量T1-OUT被测量，并应用于基于PID(比例-积分-微分)的反馈温控器(fbTC)，它将过程变量与所需的温度设定点进行比较， 然后计算并生成所需的控制动作，或多或少打开蒸汽控制阀。



反馈控制方案最重要且无可比拟的优势在于，无论干扰源是什么，已知或未知，控制器都会采取纠正措施。其次是反馈控制需要非常少的过程知识，过程模型不是设置和调整反馈方案所必需的，尽管这将是一个优势。

在消极方面，反馈控制的主要缺点是它无法响应干扰，即使是主要干扰，直到受控变量已经受到影响。此外，如果发生过多且具有重大意义的干扰，它们可能会使过程失控。

3、串级控制
在串级控制方案中，不是将PID调节器的输出直接馈送到控制阀，而是将其作为设定点馈送到基于反馈PID的蒸汽流量调节器(fbFC)。 第二个回路负责确保蒸汽的流速不会因任何不可控因素(即蒸汽压力变化或阀门问题)而发生变化。



为了理解这是如何工作的，考虑热交换器处于稳态运行并且出口温度与设定点匹配，fbTC的调节器输出是恒定的，蒸汽压力的突然增加将导致蒸汽流量F2斜坡向上。这将在一段时间后导致受控变量发生变化，而不是立即发生变化。如果没有流量控制回路，在出口温度已经受到影响之前，fbTC不会单独采取任何纠正措施。

通过实施串级策略，一旦蒸汽流量发生变化，反馈流量控制回路“fbFC”将立即调整阀门位置，使流量恢复到先前稳态条件的值(因为流量设定点由下式给出)温度控制器没有改变，因为出口温度还没有改变)，防止出口温度发生变化。

值得一提的是，流量控制回路必须调整得比温度控制回路运行得快得多，因此它会在影响过程流体出口温度之前消除流量变化的影响。

4、前馈控制
与反馈控制不同，前馈控制在干扰发生的同一时刻采取纠正措施，前馈控制看不到过程变量，但它只看到干扰并在干扰发生时做出响应。 这使前馈控制器能够快速直接地补偿干扰的影响。

要实施前馈控制，必须了解过程模型以及干扰与过程变量之间的直接关系。对于换热器，稳态模型的推导将导致以下等式确定所需的蒸汽流量：
①F2sp=F1×[(T1-OUTsp)–(T1-IN)]×(Cp/ΔH)
②F2sp=蒸汽流速计算设定值，应用于fbFC
③F1=过程流体流速，测量的干扰
④T1-OUTsp=热交换器出口处的过程流体温度设定点
⑤T1-IN=过程流体入口温度，测得的扰动
⑥Cp=过程流体比热，已知
⑦ΔH=蒸汽的汽化潜热，已知

应用上述方程计算所需的蒸汽流量足以抵消过程流体流量和温度变化的影响，在对过程模型几乎没有改进的完美世界中，这种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。

该方案的明显优势在于它在过程中断之前采取纠正措施。不利的一面是，它要求高初始资本成本，因为必须测量每个干扰，增加仪器数量和相关的工程成本，而且这种方法需要对过程有更深入的了解，实际上，仅依赖于 前馈控制而不考虑测量的过程变量。

5、综合方法
使用反馈、前馈和串级控制的集成方法，如图所示，完全能够满足换热器控制要求：



前馈回路将处理过程流体中的主要干扰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循环将处理其他一切。

结合反馈控制、串级控制和反馈控制和综合控制的几种控制方案来优化换热器操作，不仅有必要最大限度地减少过程差异和最大化合格产品，而且对于石油化工行业的能效要求也极为重要。

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