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换热器因应结垢慢时变的控制系统重构分析

作者:   文章来源:   点击数:   更新日期: 2021-06-25

论文标题:Analysis on the Reconfiguration of the Control System of the Heat Exchanger in Response to the Slow and Time-varying Fouling

作者列表:

  1. 任  超 中国石油大学(北京) 信息科学与工程学院 自动化系 研20

  2. 孙  琳 中国石油大学(北京) 信息科学与工程学院 自动化系

  3. 罗雄麟 中国石油大学(北京) 信息科学与工程学院 自动化系 (通讯作者)

录用期刊:化工学报(EI收录中文核心期刊)

原文链接:http://doi.org/10.11949/0438-1157.20210574

简介

结垢热阻的积累对换热器全周期的高效运行有很大的制约作用,当前工业换热系统中大多通过在工艺设计时增加面积裕量以满足不断变化的生产要求,并不涉及如何在线调节和利用面积裕量。本文首先提出了一种结垢热阻增长的积分模型,这一模型弥补了现有模型中没有考虑操作条件对结垢热阻值影响的缺陷。其次,以单个换热器的全周期运行过程为例,指出了对于面积裕量较小的换热器,载热体流量控制与旁路控制均无法实现持续可控的目标。在此基础上,本文通过对流量与旁路控制的分析提出了针对换热系统的控制系统重构策略,并设计了三种具有代表性的控制方案。这三种方案的结果表明,在相同的设定裕量下,重构控制的设计方案可以很好的达到全周期控制效果,能有效延长换热器的使用寿命。

摘要

换热器作为化工过程中重要的热量传递设备,一般需要持续运行较长时间,期间由于结垢热阻的不断累积,换热器的换热效率将随时间逐渐下降,直至无法满足工艺要求。在实际的工业换热过程中,工艺人员通常会对换热器进行裕量设计,然而,当换热器需要运行的时间增长或者裕量设计不足时,面对不可避免的结垢增长,常用的流量控制策略在换热器运行末期的调节效果逐渐变差,旁路控制的方案无法实现全周期的持续控制。因此,本文首先在渐近增长模型的基础上建立了换热器结垢累积的积分渐近模型,该模型考虑了过程参数对结垢速率的影响;其次,以一个用于水循环的小面积换热器为例,分析了考虑结垢增长的条件下流量控制和旁路控制的调节效果;最后,针对结垢过程的慢时变和持续性等特点,设计了基于流量与旁路开度的控制系统重构方案,示例的运行结果表明,对于同样面积裕量有限的换热器,这一控制方案能延长其使用寿命,实现其全周期持续可控的目标。

具体实现

1.建立换热器结垢的积分渐进模型

基于结垢“沉淀—脱卸”模型,当前的研究中多以渐近增长模型来模拟结垢随时间的沉积过程,结垢热阻值随时间先迅速增加,然后逐渐减缓,最终保持不变。然而,当前的计算模型主要考虑了时间对结垢积累的影响,没有考虑运行过程中流量等过程参数的变化。因此,本文对结垢累积模型进行了改进,如下所示:

2.分析流量最佳调节区域

换热器全周期运行中,结垢过程会导致操作条件发生变化。当采用流量作为操纵变量时,系统运行一段时间后由于结垢的影响会提前进入饱和区,因此,可根据放大系数的大小将曲线划分为四个区域,保证流量在全周期调节中都处于最佳调节区。图1展示了示例中换热器从投入使用开始每年的流量­—温度变化曲线。

图1不同时间段内冷端出口温度随流量变化的曲线

3. 设计换热器全周期控制系统重构方案

换热器的重构控制系统结构如图2所示,其中被控变量只有冷端输出温度,u1u2分别代表了选择器输出给载热体流量阀和旁路开度调节阀的信号。在控制过程中,控制器输出信号u时,选择器通过切换条件判断当前系统通过哪个回路进行调节,同时将u累加到上一时刻选择器对该回路的输出信号值。

图2重构控制系统结构图

主要结果

本文设置了三种具有代表性的重构控制方案,三种方案分别对应图3中的折线A、B、C。其中方案A与方案B分别代表先采用流量控制和旁路控制调节,在接近约束边界后切换到另一种控制方案的情况,方案C则代表更为平缓的切换方式。

图3换热器全周期控制系统重构设计

(全周期控制目标为保持冷端出口温度的设定值在310.5K不变)

本文在Simulink平台上模拟了换热器在上述三种控制方案下运行三年的过程,仿真结果如图4所示。

(a) 控制方案1中的参数变化

(b) 控制方案2中的参数变化

(c) 控制方案3中的参数变化

图4三种控制系统重构方案中参数随时间变化的曲线

(全周期控制目标为保持冷端出口温度的设定值在310.5K不变)

从图4可以看出,本文所选取的三个重构控制方案均能实现全周期持续控制。值得注意的是,这三种控制方案中选用的裕量设计值均小于同样工况下旁路控制与流量控制所需的裕量值,也就是说,当换热器的裕量值有限时,流量—旁路控制系统重构策略能延长换热器的使用寿命。

作者简介

罗雄麟,博士。现任中国石油大学(北京)教授、博士生导师、自动化专业(教育部高等学校特色专业)负责人、控制科学与工程(博士一级)学科负责人,校学术委员会委员、校学位委员会委员。北京人工智能学会理事会常务理事、北京自动化学会理事会常务理事。控制理论与过程控制、化工系统工程、机器学习学者。科研工作涉及控制理论及应用、过程控制工程、过程系统工程和机器学习等,同时长期从事炼油化工过程软测量仪表与先进控制、过程流程模拟与实时优化等技术开发与工程应用工作。