基于分程控制的换热器温度调节方案及仿真验证

郑军林 石 帅 蔡 林

（[1]海装驻武汉地区第二军事代表室 湖北·武汉 430064；[2]中国舰船研究设计中心 湖北·武汉 430064；[3]湖北师范大学电气工程与自动化学院 湖北·黄石 435002）

1 概述

换热器也被称为热交换器，它能使热流体的热量传递给冷流体，使流体温度控制在工艺要求范围内的一种热交换设备。表面式换热器包括管壳式、板式等类型，在船舶动力领域有着广泛的应用，例如滑油冷却器、空冷器、凝汽器、抽气冷却器等，均属于表面式换热器。换热器在实际使用过程中，需要根据工艺生产的要求，实时对换热器的工质进行加热或冷却来维持一定的出口温度，由于换热系统运行过程中各种不稳定因素的存在，导致在换热器的运行过程中，流量和温度扰动经常发生，这对换热器的温度控制带来了难度。

管壳式换热器的温度控制是一个典型的大惯性环节。由于系统本身有一定的热容量，系统传热介质具有一定的导热能力，所以当系统被加热或冷却时，系统温度上升或下降往往需要经过一定的时间，这种性质称为系统的热惯量(Thermal inertia)，也称为热惯性。换热器的热惯性对换热系统温度的调节带来了较大的难度，对于一些对被换热工质温度、流量要求比较苛刻的场合，必须采用一些特殊的控制方案。由于大延迟控制系统具有超调量大、响应时间长及系统稳定性差等缺点，工程中可采用Simth预估计控制方案，但其必须精确的知道被控对象的数学模型。此外，串级控制、变PID参数控制、模糊控制等方法在换热器温度控制方面均有所报道。本文以某水水管壳式换热器为研究对象，对比了冷却水温度调节、旁通支路反馈调节以及管侧分程调节三种控制方案，结果表明，换热器管侧采用分程调节控制时，可获得较好的调节目标。

2 对象系统描述

本文以典型的双流程、U型管式管壳式液体换热器为研究对象。如图1所示，给出了管壳式换热器的主要参数和示意图。假定某一工业流程，要求管侧工质在一定的流量变化范围内，流过换热器后，温度保持为一恒定值，则该过程为典型的变流量恒温过程。

图1：换热器主要参数

本文采用流体网络法对换热器的换热及控制问题进行建模分析，如图2所示，所建立的模型包括进出口边界，换热器管侧、壳侧；相应的调节阀、截止阀以及管道附件。

图2：换热器系统仿真结构图

3 控制策略设计

本文所研究的换热器系统控制目标为换热器管侧出口温度，系统的扰动包括管热进出口流量、进口温度、壳侧流量等。对换热器目标温度的控制分别考虑如下控制策略：

（1）壳侧冷却水阀门反馈控制。如图3所示，通过调整壳侧冷却水流量的大小，改变壳侧换热系数和换热量，进而达到对换热器管侧出口工质温度控制的目的。对壳侧水流量的调整可采用调节阀或变频水泵等方式，本文采用在壳侧进口设置调节阀（电动蝶阀）的方案。采用PI反馈调节，将管侧出口温度传感器的信号与目标值进行比较，并输入PI控制器，控制器实时输出信号至执行器，完成闭环反馈调节。

（2）旁通支路反馈控制。如图3b所示，将传热器管侧进口增加一路管道及调节阀，形成旁通支路，使得进口工质可直接从旁通管路与换热器管侧出口工质直接汇合。该方案对管侧工质温度的调节分为两个层面，一是旁通支路投入后，进入换热器管侧的工质流量减小，使得在相同的壳侧冷却水流量下，管侧出口温度更低；另一方面是旁通支路的工质与管侧出口工质的掺混换热，会使得汇合后的温度高于管侧出口温度。该控制逻辑采用PI反馈调节，将管侧出口温度传感器的信号与目标值进行比较，并输入PI控制器，控制器实时输出信号至执行器，完成闭环反馈调节。

（3）主路、旁路阀门分程控制。如图3d所示，将传热器管侧进口增加一路管道及调节阀，形成旁通支路，同时在管侧出口再增设一个调节阀，旁路调节阀与管侧出口调节阀共同调节换热器管侧出口温度。该方案从工艺角度与方案2相似，均通过旁通一部分工质来实现对出口温度的调节。但在控制设计方面，采用分程控制，如图3c所示，为该控制器与两个阀门的阀位分程关系。

4 仿真验证及分析

利用实时仿真的方法，对不同的控制策略在相同的扰动下进行对比分析。假定某一稳定工况下，换热器进口流量100kg/s，进口温度 100℃，出口温度 80℃，冷却水侧流量100kg/s，进口温度30℃。当系统稳定后，改变管侧出口温度目标值，造成扰动，进而通过出口温度的变化曲线等参数来分析不同控制策略的特点。

图4a、b给出了采用调节冷却水流量（进口调节阀开度）方案，在温度突降和突增扰动下，目标值的响应曲线。在t=300s时刻，将目标温度由80℃调整至75℃，此时冷却水阀门开度增加，但由于换热器内金属具有一定的厚度和蓄热能力，使得在调节过程中，存在较大惯性，并且在PI控制器的作用下，整个调节回路存在一定的超调，在第一个振荡周期内，最低温度低于73℃，超调量高于2℃，整个过程的稳定时间约为500s。图4b给出了升负荷扰动过程影响曲线，当换热系统管侧出口温度为75℃并处于稳定状态，在t=900s时刻，将目标温度由75℃调整至80℃，此时冷却水调节阀开度逐渐变小，整个的稳定时间约为400s。

图4：壳侧冷却水阀门反馈控制响应曲线

图5 a-d给出了采用旁通反馈调节方案，在温度突降和突增扰动下，目标值和管侧流量的响应曲线。当目标值由80℃调整至75℃后，旁路调节阀在PI控制器作用下，使得管侧出口温度下降，相比于控制方案1而言，其调节过程更为稳定，且整个稳定过程的时间约为130s，低于方案1。图5c给出了目标值由75℃调整至80℃后，温度影响曲线，该过程亦比方案1响应更快且稳定。

图5：旁通反馈调节方案响应曲线

当旁路投入后，相当于在管侧主路并联了一个具备调节能力的支路，从管道阻力分配角度来讲，旁路的投入相当于减少了管道的阻力，并且在旁路调节阀调节过程中，整个换热系统管侧的阻力实时发生变化，因此，在旁路调节方案中，换热器管侧的总流量将发生变化，当目标温度由75℃升至80℃时，旁通支路调节阀逐渐开大，此时旁路流量增加、流入换热器内流量减少，但总的流量增加。而当目标温度由80℃降至75℃时，旁通支路调节阀逐渐减少，此时旁路流量减少、流入换热器内流量增加，总流量减少。对于本文模拟的工况范围内（目标值变化5℃），旁通支路在调节过程中，总流量变化量约为12kg/s。

图6a-d给出了采用旁通分程调节方案，在温度突降和突增扰动下，目标值和管侧流量的响应曲线。当目标值由80℃调整至75℃后，旁路调节阀和管侧调节阀在PI控制器作用下，使得管侧出口温度下降，相比于控制方案2而言，其调节过程更为稳定，且整个稳定过程的时间约为50s，低于方案2和方案1。图5c给出了目标值由75℃调整至80℃后，温度影响曲线，该过程亦比方案2响应更快。由流量影响曲线可以看出，分程调节方案对换热系统管侧的总流量远低于旁通调节方案，对于本文模拟的工况，管侧总流量波动为2kg/s。

图6：旁通分程调节方案响应曲线

上面给出了三种不同的换热器温度控制策略对比结果，从响应速度来看，分程调节具有较好的调节效果，且比旁通调节方案对管侧总流量的影响更小。三个方案在实际工业系统中，均有所应用。对于方案1而言，比较适用于系统响应要求比较低的场合，且具备冷却水（壳侧）调节条件，对于大型的换热器系统而言，一般需要对壳侧供水泵进行变频调节，但对于管侧温度需要快速调节的场合，方案1不适用。方案2适用于对换热器系统的快速温度调节，但需要在管侧增加旁通支路和相应的调节阀，这需要在工艺设计和施工过程中予以考虑；另一方面，对于管侧温度变化范围大且要求快速调节的场合，旁路与管侧支路的汇合掺混处的管道强度需要额外注意，由于旁路工质温度与管侧进口温度相等，温度较高，而当旁路投入后，管侧出口流量相对减少且出口温度偏低，两股流体汇合后会造成较大的热应力。方案3在旁通反馈调节基础上，又增加了一个调节阀，增加了硬件成本，该方案适用于对换热器出口温度调节响应要求高、且管侧总流量扰动小的情况。方案3在工艺设计时，调节阀可选为直线类型，且旁通支路与管侧调节阀Kv值相等。由于分程调节两个阀门同时动作，该系统可最快达到平衡点，并且不需要引入额外的流量、压力信号。如果换热器系统的管侧冷却工质继续被下游系统所利用，且受到流量调节，则在可考虑采用分程调节方案。

5 结论

本文以某管壳式液体换热器的管侧出口温度调节为研究对象，对比了三种不同的控制策略对目标温度的调节性能，结果表明，采用旁通分程调节方案对换热器的管侧出口温度调节具有响应快、稳定性好，对管侧的总流量扰动最小的特点。同时，分程调节在回路设计过程中，不需要引入额外的流量、压力测点，程序设计结构清晰，可用于管壳式换热器出口温度的精确调节。