一种新型换热器热负荷调控方法及其装置与流程

本发明涉及化工过程工业中的换热器，特别涉及一种新型换热器热负荷调控方法及其装置。

技术背景

换热器作为工业生产中进行热量交换的通用设备，广泛应用于化工、电力、冶金、航空、动力、食品等工业部门中，特别在石油化工行业占有举足轻重的地位。随着对节约能源和环境保护的重视，换热器的需求量不断增大，同时对于换热器的控制调控机制也得到了长足的发展。然而换热器在实际生产运行中，由于设备和装置的运行状况受到工况变化、结垢、操作环境、检维修情况等多方位的影响，使得换热器的实际性能不同于设计值或期望值，无法满足实际所需，为工业生产带来了极大的不便。

如图1所示，一股来自上游的流体若受到外界的扰动或受到换热器本身性能的影响导致出口温度偏低，已经无法满足工艺生产的需求了。为了解决这一问题，有关研究提出了在换热器两端设置旁路阀，如图2所示。这种控制调节的原理是通过旁路阀的开度来调节换热器的热负荷，旁路设置为换热器提供了可调手段，旁路分走通过换热器的部分流量，起到调节换热器热负荷、重新分布换热器中热流和温度的目的。然而通过增设分支与旁路阀仅仅改变流量，而分支及旁路阀本身并没有传热面积，通过流量的变化间接地改变换热器的热负荷，其调节空间体现为换热器的面积裕量的大小，并且换热器的热负荷只能朝着一个方向变化。比如，如果换热器是在最大热负荷下工作(面积裕量仅可满足该最大工况下的热负荷需求)，那么旁路阀只能起到减小换热器热负荷的作用；如果需要增大热负荷，即使关闭旁路阀，也无法实现。

技术实现要素：

为了解决现有换热器热负荷调控方法的控制性能较差、控制范围较窄的不足，本发明提出了一种新型换热器热负荷调控方法及其装置，旨在改进换热器在运行中的控制性能和控制范围。

为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：

一种新型换热器热负荷调控方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1)主换热器监测，即监测所述主换热器的运行参数，包括：

测量所述主换热器的压力、温度及其流量，其中主换热器的进口温度与压力为第一温度和压力传感器所测量数值，而流量则为主路流量计与辅助换热器支路流量计和旁路阀支路流量计测量值之差，主换热器出口的性能参数由第二温度和压力传感器测量获得；

步骤2)根据所述主换热器的运行参数调节旁路阀的开度使所述主换热器的运行参数的改变值在生产要求的允许范围内；若调节旁路阀无法使主换热器的参数满足要求，则通过开启截止阀来调节，阀门的开启数量以满足换热器存在外界扰动、工况迁移及其设备性能下降问题时保证流体在出口处的温度满足指定要求。

所述步骤2)中，在监测所述主换热器温度的情况下，所述旁路阀的调节机制为：首先根据实际工况给定旁路阀初始开度，如果所示主换热器为加热器，当所述主换热器测得进口温度小于规定初始温度或进口流量高于初始规定流量时，则通过控制单元控制减少所述旁路阀的开度使主路的流量增加，使主换热器的出口温度满足要求；而当所述主换热器的进口温度高于规定初始温度或进口流量小于初始规定值时，则增大旁路阀的开度使得主路流量减小至适当范围，使主换热器的出口温度满足要求；如果所示主换热器为冷却器，调节控制逻辑则与上述描述相反。

所述步骤2)中，若在生产中为了满足调整工况的需求，即使关闭旁路阀，主换热器在最大负荷下运行也仍然无法满足需求时，可以通过控制截止阀来增加整个系统的换热面积实现换热器的热负荷重新调控，从而使得主换热器的出口温度得以满足工艺要求。

一种新型的换热器热负荷调控装置，所述装置包括动力泵、主路流量计、第一温度和压力传感器、主路分流器、主换热器、第二温度和压力传感器、支路分流器、辅助换热器支路流量计、截止阀、辅助换热器、旁路阀支路流量计、旁路阀、支路混合器、主路混合器、第三温度和压力传感器和控制单元，所述动力泵的出口与主路流量计相连，然后再连接第一温度和压力传感器，最后进入主路分流器；而主路分流器、主换热器、第二温度和压力传感器、主路混合器、支路混合器、辅助换热器、截止阀、辅助换热器支路流量计和支路分流器顺时针依次连接构成环路，而旁路阀流量计和旁路阀则分别与支路分流器和支路混合器相连组成了另一环路；主路混合器的出口端则连接第三温度和压力传感器，而控制单元则分别与主路流量计、辅助换热器支路流量计、旁路阀支路流量计、第一温度和压力传感器、第二温度和压力传感器、第三温度压力传感器相连，同时与被控装置截止阀和旁路阀连接。

进一步，某一热/冷流体由动力泵提供动力，再经由主路流量计与第一温度和压力传感器测量获得流量、温度与压力的信号传入控制单元进行数据处理与分析，而流体经由主路分流器分流，其中一股进入主路通过主换热器吸收或释放热量后经由第二温度和压力传感器进入主路混合器，另外一股流体在经由支路分流器被分为两股流体；其中一股经由辅助换热器支路流量计测得流量信号送入控制单元，而流体则通过截止阀后经由辅助换热器吸收或释放热量进入支路混合器，另外一股流体则由旁路阀支路流量计测得流量后经由旁路阀进入支路混合器与辅助换热器支路的流体混合后，再经由主路混合器的混合由第三温度和压力传感器测得数据后进入下一流程；该装置中的截止阀的开启数量和旁路阀的开度均由控制单元根据测量数据做出判断。

所述主换热器采用板式换热器、套管式换热器或管壳式换热器，辅助换热器采用的为可调板式换热器或多支路套管式换热器，所述旁路阀为电磁阀或电动阀。

本发明的有益效果为：一方面通过监测主换热器的运行参数，然后根据该换热器的运行参数调节旁路阀的开度，能够解决换热器在运行中发生扰动、设备性能下降等问题，从而增加了换热器的自由度和可控性。另一方面，通过改变截止阀的打开数量来改变辅助换热器的换热面积，这可以增大整个换热器系统的面积裕量和热负荷，即所述主换热器在最大热负荷情况工作时(已达到其设备本身的最大面积裕量)，若需要增大负荷，可以通过增大所述辅助换热器的换热面积来实现，大大的增加了换热器的调节性能与控制范围。

附图说明

图1是无调节功能的换热器示意图。

图2是传统旁路调节结构示意图。

图3是本发明的新型换热器热负荷调控装置的结构示意图。

具体实施方式：

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的调控装置与实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整。

参照图3，一种新型换热器热负荷调控装置，包括动力泵1、主路流量计2、第一温度和压力传感器3、主路分流器4、主换热器5、第二温度和压力传感器6、支路分流器7、辅助换热器支路流量计8、截止阀9、辅助换热器10、旁路阀支路流量计11、旁路阀12、支路混合器13、主路混合器14、第三温度和压力传感器15和控制单元16，所述动力泵1的出口与主路流量计2相连，然后再连接第一温度和压力传感器3，最后进入主路分流器4；而主路分流器4、主换热器5、第二温度和压力传感器6、主路混合器14、支路混合器13、辅助换热器10、截止阀9、辅助换热器支路流量计8和支路分流器7顺时针依次连接构成第一环路，而旁路阀支路流量计11和旁路阀12则分别与支路分流器7和支路混合器13相连组成了第二环路；主路混合器14的出口端则连接第三温度和压力传感器15，而控制单元16则分别与主路流量计2、辅助换热器支路流量计8、旁路阀支路流量计11、第一温度和压力传感器3、第二温度和压力传感器6、第三温度压力传感器15相连，同时与被控装置截止阀9和旁路阀12连接。

某一热/冷流体由动力泵1提供动力，再经由主路流量计2与第一温度和压力传感器3测量获得流量、温度与压力的信号传入控制单元16进行数据处理与分析，而流体经由主路分流器4分流，其中一股进入主路通过主换热器5吸收或释放热量后经由第二温度和压力传感器6进入主路混合器14，另外一股流体在经由支路分流器7被分为两股流体；其中一股经由辅助换热器支路流量计8测得流量信号送入控制单元16，而流体则通过截止阀9后经由辅助换热器10吸收或释放热量进入支路混合器13，另外一股流体则由旁路阀支路流量计11测得流量后经由旁路阀12进入支路混合器13与第一支路的流体混合后，再经由主路混合器14的混合由第三温度和压力传感器15测得数据后进入下一流程；该装置中的截止阀9的开启数量和旁路阀12的开度均由控制单元16根据测量数据做出判断。

所述主换热器5可以采用板式换热器、套管式换热器或管壳式换热器，辅助换热器采用的为可调板式换热器或多支路套管式换热器，旁路阀为电磁阀或电动阀。

一种新型的换热器热负荷调控方法，包括以下步骤：

步骤1)主换热器5监测，即监测所述主换热器5的运行参数，包括：

测量所述主换热器5的压力、温度及其流量，其中主换热器5的进口温度与压力为第一温度和压力传感器3所测量数值，而流量则为主路流量计2与辅助换热器支路流量计8和旁路阀支路流量计11测量值之差，主换热器5出口的性能参数由第二温度和压力传感器6测量获得；

步骤2)根据所述主换热器5的运行参数调节旁路阀12的开度使所述主换热器5的运行参数的改变值在生产要求的允许范围内；若调节旁路阀12无法使主换热器5的参数满足要求，则通过开启截止阀9来调节，阀门的开启数量以满足换热器存在外界扰动、工况迁移及其设备性能下降问题时保证流体在出口处的温度满足指定要求。

进一步，所述步骤2)中，在监测所述主换热器5温度的情况下，所述旁路阀12的调节机制为：首先根据实际工况给定旁路阀12初始开度，如果所示主换热器5为加热器，当所述主换热器5测得进口温度小于规定初始温度或进口流量高于初始规定流量时，则通过控制单元16控制减少所述旁路阀12的开度使主路的流量增加，使主换热器5的出口温度满足要求；而当所述主换热器5的进口温度高于规定初始温度或进口流量小于初始规定值时，则增大旁路阀12的开度使得主路流量减小至适当范围，使主换热器5的出口温度满足要求；如果所示主换热器5为冷却器，调节控制逻辑则与上述描述相反。

再进一步，所述步骤2)中，所述主换热器5会随着服役的时间的增加其设备会出现结垢、堵管或传热效率下降等现象，为满足生产的实际需求，可以通过减小所述旁路阀12的开度来保证主换热器5最后的出口温度的稳定。若在生产中为了满足调整工况的需求，即使关闭旁路阀12，主换热器5在最大负荷下运行也仍然无法满足需求时，可以通过控制截止阀9来增加整个系统的换热面积实现换热器的热负荷重新调控，从而使得主换热器的出口温度得以满足工艺要求。

本发明在运行时，调节方式与实现如下所述：

(1)换热器的运行会受到外界环境的影响，物流的温度、流量和压力会发生变化。若外界发生正扰动时，物流的温度或流速发生改变，由主路流量计2与旁路阀支路流量计11、第一温度和压力传感器3和第三温度和压力传感器15测得此时的流量、温度与压力的信号传输进入控制单元16。然后控制单元16发现运行参数的偏差立即做出响应，即增大旁路阀12的开度(旁路阀具有初始开度)，使得温度和压力传感器测得的值满足生产要求。若发生负扰动时，同样是通过主路流量计2与旁路阀支路流量计11、第一温度和压力传感器3与第三温度和压力传感器15将此值送入控制单元16，使得旁路阀12的开度减小。

(2)随着换热器的不断运行会导致换热器出现污垢或堵管等现象，导致换热器的性能发生衰退无法满足正常的生产需求。由于设备性能的衰退会促使主换热器5的出口温度无法达到要求，即由第二温度和压力传感器6测得温度、压力传入控制单元16，再由控制单元16通过减小旁路阀12的开度，若直到旁路阀12的开度为0时也无法满足要求，则打开截止阀9增加系统的传热面积重新调控系统的热负荷，以保证第三温度和压力传感器15的温度实现工艺流程的要求。

(3)换热器会随着生产的产品或实际的工况要求做出调整，即发生工况迁移。通常工况迁移会大幅度使换热器的进出口温度发生较大的改变，主换热器5的热需求大于其面积裕量所带来的换热量，第二支路上的旁路阀12的调节已经无法满足传热需求。因此本发明并联了可以增加系统传热面积的辅助换热器10，实现系统的控制范围的增加以满足大负荷的实际需求。例如，在发生较大工况迁移时，即主换热器5在最大热负荷工况下运行时也无法满足出口温度要求时，由第二温度与压力传感器6测得主换热器5的出口温度远远小于了要求温度，这时控制单元16关闭旁路阀12，通过截止阀9的开启数量来调控所需的增加的换热面积，实现热负荷的重新调控，即开启截止阀9给予主路流体温度补偿，使得第三温度传感器15的温度得以满足生产要求。

最后应说明的是，显然，上述实施方式/示例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式/示例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。