【知识普及】从热交换器的温度控制来理解什么是自动化控制优化

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2016年8月刊杂志，原标题为：如何优化热交换器的温度控制？

通过将反馈、串级、前馈技术集成的控制策略，可以满足具有高度挑战性的热交换器温度控制这样的应用需求。

热交换器在不同的流体之间传导热能。尽管热传导一般来说是高效的，不过要想将被加热的液体的温度控制在一个特定的、稳定的设定值上会很有挑战。然而，了解了工业领域采用的热交换器控制策略可以克服这些挑战。

典型的热交换器

到目前为止，管壳式是在石油化工行业使用最普遍的热交换器，因为它适用于低压和高压的应用场合（请见图1）。它的外围是一个壳体，内部包括一束管子。这些管子可以直线排列也可以排列成“U”形。一种流体流经管子，另一种流体流经包裹着管子的壳体，热量在两种流体之间传导（请见图2）。这一组管子被称为“管束”。

图1：管壳式是在石油化工行业使用最普遍的热交换器，因为它适用于低压和高压的应用场合。

图2：从管壳式热交换器的截面图上可以看出内部的管束。一种流体流经管子，另一种流体流过包裹着管子的壳体，热量在两种流体之间传导。

热量是通过管壁从一种流体传导到另一种流体的。热量从管内流体传导给壳体内的流体是要降温，或者热量从壳体内的流体传导给管内流体是要加热管内的物质。对于壳体侧和管内侧的流体来说，既可以是液体也可以是气体。为了有效率地传导热量，使用了许多管子，这样会增加在两种流体之间进行热传导的面积。

控制目标

对于给任何控制回路设计整体控制策略来说，很重要的是要识别相关的过程变量——被称为“受控制变量”、操纵变量、以及不同的干扰变量，它们都直接影响受控制变量。

对于图3中所示的热交换器。壳体侧的流体是必须要加热到一定温度设定值的过程流体。最终的温度值T1out（受控变量）会在热交换器的出口处测量。

图3：热交换器仪表测量并调控流量和温度。

加热过程是通过让蒸汽穿过管子来实现的。穿过管子的蒸汽越多，传导给过程流体的热量就越多，反之亦然。对于蒸汽流量F2（操纵变量）的控制是通过对安装在蒸汽入口侧的调节阀的节流控制实现的。

3个主要的干扰因素会影响出口的过程流体的温度：

●过程流体流速的变化，F1；

●过程流体入口温度的变化，T1In；

●蒸汽压力的变化，引起的蒸汽流速的变化，F2。

控制目标是通过调节蒸汽流速F2，将过程流体的出口温度T1out维持在需要的设定值上，无论受到什么干扰。

反馈控制

在反馈控制方案中，将测量到的过程变量T1out，应用在基于比例-积分-微分（PID）的反馈温度控制器（fbTC）中，通过控制器将过程变量与期望的温度设定值进行比较，计算并决定打开或关闭蒸汽控制阀的控制行为（图4）。

图4：反馈控制将温度测量值应用到一个控制器上，从而实现对蒸汽控制阀的开、关操作。

反馈控制方案最重要的优势是不管扰动源如何，控制器都会采取修正措施。采用反馈控制仅需要对流程有很少的了解。因此，尽管过程模型会是一个优势，但设置和调节反馈控制并不需要过程模型。

反馈控制的主要缺点是不能在控制变量受到影响之前对扰动作出响应，即便是大的扰动。如果发生了太多幅度很大的扰动，它们会产生无法恢复的过程不稳定。

串级控制

在一个串级控制方案中，不会将PID温度控制器的输出直接送到控制阀，而是将其作为设定值送到基于反馈PID的蒸汽流量控制器（fbFC）。第二个回路的任务是保证蒸汽流速不会因为不确定因素而变化，例如蒸汽压力变化或阀门问题。当热交换器运行在稳定状态下时，输出温度与设定值相一致，而且控制器的输出fbTC不变。突然增加的蒸汽压力会引起蒸汽流速F2增加（请见图5）。这会引起控制变量的逐渐变化。如果没有流量控制回路，fbTC直到输出温度已经受到影响之前都不会采取修正措施。

图5：串级控制可以处理蒸汽压力和与阀门相关的问题。

通过实施串级策略，在蒸汽流速变化的时候，反馈控制回路fbFC会立刻调整阀门的位置，来将流量恢复到之前稳定状态的值（因为温度控制器给出的流量设定值由于输出温度不变而保持不变），避免了在其发生之前而改变输出温度。

要注意必须将流量控制回路调节得比温度控制回路快得多，确保在流量变量影响过程流体输出温度之前将其取消。

前馈控制

与反馈控制不同，前馈控制会在扰动发生的时候采取修正措施。前馈控制不看过程变量。它只看扰动以及扰动发生时的响应。这会使得前馈控制可以快速地直接地补偿扰动所造成的影响（请见图6）。

图6：前馈控制处理过程流体中的大的扰动，因为它不受过程变量的影响。

要想实施前馈控制，对过程模型以及扰动和过程变量之间的直接关系的了解是必要的。

对于热交换器来说，从稳定状态模型可以推导出来下列公式，可以决定需要的蒸汽流量：

F2sp = F1 × (T1OUTsp– T1IN) × (Cp/_H)

其中：

F2sp =要用于fbFC的蒸汽流速计算设定值

F1 = 过程流体流速测量的扰动

T1OUT sp =在热交换器出口的过程流体温度设定值

T1IN =过程流体入口温度测量的扰动

Cp =过程流体特定的热量（已知）

△H =蒸汽的汽化潜热（已知）。

使用这个公式来计算所需的蒸汽流速足可以消除流程液体流速和温度的变化。在一个几乎没有过程模式增强功能的完美世界里，前馈控制对于完美的控制过程已经足够了。不幸的是，没有完美的世界。

使用前馈控制的明显优点是在过程被干扰之前它就会采取修正措施。但缺点就是它需要较高的初始投资，因为必须测量每一个扰动、增加仪表的数量以及相应的设计成本。

除此以外，这种方式要求对过程有更深的了解。总是仅仅依靠前馈控制而不考虑测量的过程参数并不现实。

集成的方案

一种整合了反馈、前馈和串级控制的方式如图7所示。通过这种方式实现的功能能够满足热交换器控制的要求。

图7：整合了反馈、前馈和串级的热交换器温度控制技术，最大程度减少了过程的变度、最大程度提高产品质量并确保能量效率。

●前馈回路会处理过程流体中的大的扰动。

●串级流量控制回路会处理与蒸汽压力和与阀门相关的问题。

●反馈控制负责处理其余的问题。

将三种技术组合在一起来优化热交换器温度控制，有助于最大程度地减少过程的变度、提高产品质量，并提高石油化工行业的能源效率。

作者：Shady Yehia