浅论热交换器设计裕值与增设旁路

2013-08-16朱健威海石岛重工有限公司山东264309

化工管理 2013年24期

朱健(威海石岛重工有限公司山东 264309)

科学合理的控制裕值是从对生产过程的时时动态观察和操控体系的工艺设计综合而来的，这在一定程度上解决了部分控制力不够，稳定度不足的情况。本文将用实证分析法、定量分析法，综合设计裕值的研究求解旁路设计时操作裕值、控制裕值和结垢裕值的大小，列举和计算实例，探究旁路设计对热交换器性能的提升上所起的作用。

一、设计裕值与旁路设计分析

1.设计裕值分析

在实际运行中，会遇到换热网络的柔性和弹性变化和管壁积垢导致的热阻变化等情况，因此，要在热交换器设计中预留换热面积的裕值。设计值与使用初期正常运转的计算量之间的差就是设计裕值，包括操作裕值、控制裕值和结垢裕值。

操作裕值是为适应操控需求的极限变化而预留的裕值。通常受换热网络的柔性与弹性影响。

结垢裕值是指管壁结垢，带来换热效果降低而预留的裕值。结垢裕值与运行周期成正比。

控制裕值是达到最优控制力而预留的裕值。控制裕值受限定值和各种干扰因素的影响。

2.增加旁路设计探究

操控热交换器，可以不用顾虑其控制力和所称承受的流量就可以控制热交换器。热交换器在实际操作中存在很多的变量，比如冷、热流的人口温度、流量、结垢热阻等，如果不对热交换器换热进行限制，冷、热流的出口温度就可能达不到设备运行条件；但仅仅依靠流量，会带来载热体流量的异常波动，导致热交换器的异常；除此之外，对物流出口温度的限制，会降低热交换器的控制力。所以，增加旁路设计，通过旁路开度的变化调控物流的流量，以更好地控制热交换器。旁路开度随操作条件变化而变化，保持流量稳定，物流的出口符合操控需求。所示，通过对比分析，得出旁路设计既能够达到增加控制热交换器的自由度，又可以增强热交换器的操控性能和稳定性。

二、热交换器旁路设计裕值分析

操作裕值、结垢裕值和控制裕值的和等于设计裕值，在增设旁路的时候要通过确定操作、结垢、控制裕值的大小来确定设计裕值。推演方式有：第一，极限法推演，就是以破坏系统的最高限值为参照，得出所能承受的在最高破坏值；第二，统计指导论据的统计演算方式；第三，灵敏度推演，优化方案已得出结论。本文选择最简单可行的极限法推演。

操作裕值是指操作条件发生最大变化时，为确保冷、热流出口温度的稳定性符合操作需求而预留的裕值，也就是操作裕值可使用热交换器稳定性数学模型推算(£一∞)，限定热交换器冷、热流的入口温度和／或流动速率的最大变化值为△S，而冷、热流的输出温度误差限值是△T，以热交换器动态数学模型为参照，假定在热交换器的冷侧增加旁路设计，以热流人口流量 m2为变量，其它不变，数学模式如式(1)一式(7)。

使用初期正常操作的换热面积计算量为式(1)，局部冷流与热流热交换后，同经旁路没有经过换热的冷流相遇，相混的温度为Tlout；式(3)为换热器的总传热导数；设定热流流量最大变化量为ΔS，式(4)可以算出相应的换热面积值，这个时候旁路开度k的大小为旁路PID控制的仿真结果稳定值。同样的道理，其它操作条件也会改变，以冷流人口温度为例，将式(4)中的入口温度调整为Tl±A T 1，采用极限法推算出总换热面积值；式(7)表示操作裕值是换热面积与使用初期正常操作的换热面积的差，所占使用初期设备正常操作换热面积的比例。

热交换器运转时间越长，其结垢热阻越大，限制同一维修周期结垢热阻最大值为R0max和Rimax，这个时候设计换热面积如式(8)。