管壳式换热器温度控制方式的优化与应用

摘 要：管壳式换热器是化工行业中应用最广泛的换热设备结构形式。论文对比了管壳式换热器一般温度控制方案的优缺点，并结合实际情况对温度控制方式进行优化和应用。结果表明，优化后的温度控制方案能克服大波动对系统稳定性的影响，非常适用于大型精馏塔蒸汽换热器的温度控制，对其他工业过程的温度控制具有借鉴意义。

关键词：换热器 蒸汽控制 凝液控制 优化 应用

在工程中，将某种流体的热量以一定的传热方式传递给其它流体的设备，称为换热器，广泛用于石油、化工、轻工、制药、食品、机械、冶金、动力等工程领域。换热器种类繁多，其中管壳式换热器是一种最常见的间壁式换热器，具有结构坚固、操作弹性大、承压能力好、可靠程度高、使用范围广等优点，在化工生产中可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，在工业生产中得到普遍使用。

大唐内蒙古多伦煤化工有限责任公司是国家能源发展战略和产业政策鼓励类项目。随着对节能要求的不断提高，通过对装置区内重要的能量交换设备管壳式换热器控制方式的改造与优化，使蒸汽能源得到有效利用，使装置温度控制更加平稳，对本装置和新型煤化工行业技术进步起到了积极的示范作用。

一、当前管壳式换热器控制存在的问题

大唐多伦煤化工装置引进德国鲁奇公司的专利技术：低温甲醇洗脱硫脱碳工艺、百万吨级甲醇合成工艺和甲醇制丙烯MTP工艺包，由五环科技股份有限公司进行基础设计和详细工程设计，各生产装置大型精馏类塔器、罐等设备众多。

本装置大多数塔器等静设备通过蒸汽换热器来实现对温度的调控，对于达产稳产，温度控制的稳定是精馏系统的关键。原始设计中，各蒸汽换热器均采用了蒸汽侧温控，即在蒸汽入口处设置调节阀组，通过调节进口蒸汽流量，从而使整个系统的温度达到调整目的。

以上控制方式在实际运行中，当公用工程蒸汽管网产生压力、温度波动时，由再沸器提供热源的塔釜温度会随之波动，进而影响整个精馏塔的压力控制，导致精馏塔原有的物料平衡和汽液平衡破坏，需要重新建立新的平衡，这种波动会导致精馏塔产出物料规格偏离设定值。同时，公用工程蒸汽管网的压力波动也会出现蒸汽窜入疏水器的现象，这不仅会导致疏水器疏水效果变差，使凝液难以进入凝液管网，而且汽液两相流的出现会对再沸器和疏水器之间的管路造成强烈的冲击，导致管路寿命缩短。以上问题的发生使整个精馏系统效率降低、产能受限，经济损失严重。

在蒸汽流量控制方面，由于管径大、蒸汽流速快、阀门冲刷大，直接调节蒸汽流量不容易快速、准确地达到调节目的，而且阀门容易损坏内漏， 从而导致操作中蒸汽消耗量较大。

二、管壳式换热器温度控制方式

1.蒸汽控制温度方案

1.1蒸汽控制温度方案简介

在生产过程中，经常利用控制换热器蒸汽流量来稳定被加热介质的出口温度。在这种控制方案中，如果公用管网蒸汽压力比较稳定，可采用图1所示的简单控制方案。当阀前公用管网蒸汽压力有波动时，会影响进入加热器的蒸汽流量，此时可通过调节阀对流量进行控制；或者采用串级控制系统，以出口温度为主参数，以蒸汽流量为副参数。一般来说，采用温度与流量的串级控制，它对于阀门特性不够完善的情况，能有所克服。

图1 蒸汽控制温度方案

1.2 蒸汽控制温度方案优缺点

蒸汽控制温度方案的优点是简单易行、控制迅速，缺点是需用较大口径的蒸汽阀门、传热量变化比较剧烈，当疏水设施工作不正常时，会造成冷凝液排放不畅，不能均匀传热。

2.凝液控制温度方案

2.1凝液控制温度方案简介

在生产过程中，也经常利用控制换热器凝液流量来稳定被加热介质的出口温度。在这种控制方案中，如果换热器传热系数和传热平均温差基本保持不变，可采用图2所示的简单控制方案。该方案将调节阀装在凝液管线上，通过改变调节阀的开度来控制冷凝液的排出量。如果被加热物料出口温度高于设定值，表明传热量过大，此时通过控制器将凝液管线上的调节阀关小，蒸汽凝液就会积聚起来，蒸汽冷凝的有效换热面积减少，从而减少传热量，工艺介质出口温度就会恢复到设定值；反之亦然。

图2 凝液控制温度方案

2.2凝液控制温度方案优缺点

凝液控制温度方案的优点是调节阀在凝液管线上，蒸汽压力有保证，不会形成上一种方案中的负压，缺点是变化迟缓，需要有较大的传热面积富裕量。由于传热过程变化缓慢，因此可以防止局部过热，对过热后会引起化学变化的介质比较适用。另外，蒸汽冷凝后变成凝液，比蒸汽体积减小，控制系统中的调节阀尺寸也较小。

3.凝液控制温度方案优化

图3凝液控制温度方案优化

由于在生产过程中，单一采用蒸汽控制温度方案存在温度控制波动大、传热量变化剧烈的问题，单一采用凝液控制温度方案存在控制通道长、变化迟缓的问题。故对上述两种控制方案进行优化，通过采用串级控制方案，用温度与蒸汽流量组成串级控制，如图3所示。这样控制的优势在于初始加热时，使用凝液调节阀控制蒸汽以较大流量进入换热器使加热介质温度较快升高，当温度接近目标值时，通过串级控制温度不但克服了副回路的干扰，也能克服主回路的干扰，因此能大大改善对象特性，提高控制系统品质指标。

三、凝液控制温度方案优化应用

精馏是利用液体混合物中各组分的挥发度不同使之分离的单元操作，工程上借助于精馏塔设备实现气液相间的质量传递。精馏塔再沸器将塔底物料部分汽化后送回精馏塔，使塔内汽液两相间的接触传质得以进行，汽化后的塔底物料蒸汽不断上升的速度，是保证精馏塔分离产品稳定产出的重要因素。因此，为塔底物料提供热源的再沸器温度控制成为精馏塔稳定运行的重要控制指标之一，再沸器温度稳定与否直接关系到塔压、气液两相平衡的控制质量。然而本装置的大型精馏塔，通过再沸器蒸汽流量控制塔底物料温度，存在温度波动较大，难以准确维持塔压稳定的操作难题，迫切需要提高塔的分离效果，降低精馏能耗。

按照优化后的凝液控制温度方案对多伦煤化工MTP装置、净化装置等8个换热器温度控制系统进行了改造，改造后温度控制平稳、节能效果明显。以MTP装置脱丁烷塔塔底再沸器A/B和净化装置热再生塔再沸器为例，通过控制凝液排出量来控制蒸汽流量，从而控制塔底蒸汽换热器温度，进而对塔器温度进行控制，控温效果更佳平稳，蒸汽用量减小，温控控制稳定。操作参数见表1。

四、凝液控制温度方案优化节能分析

1.节约能耗计算

以表1所示脱丁烷塔和热再生塔再沸器为例，计算两塔再沸器改造前后能耗量，从而进一步核算管壳换热器温控系统方案的节能效果。

例一：

MTP装置脱丁烷塔共两套再沸器温控系统进行了改造，其使用蒸汽等级为3.5MPa，此等级蒸汽折标煤系数为125.8kg/t。如表1所述，两台再沸器温控系统改造后节省蒸汽量为43-33=10t/h，节约能耗量为125.6kg/t×10t/h=1256kg/h=1.256t/h，即此塔温控系统共节约能耗每小时1.256t标准煤。按照MTP装置每年运行时间8000小时，则每年节约能耗1.256t/h×8000h=10048t标煤量。

例二：

净化低温甲醇洗装置热再生塔一套温控系统进行改造，其使用蒸汽等级为0.9MPa，此等级蒸汽折标煤系数为108.6kg/t。如表1所述，热再生塔再沸器温控系统改造后节省蒸汽量为44-35=9t/h，节约能耗量为108.6kg/t×9t/h=977.46kg/h=0.977t/h，即此塔温控系统节约能耗每小时0.977t标准煤。按照净化低温甲醇洗装置每年运行时间8000小时，则每年节约能耗0.977t/h×8000h=7816t标准煤。

2.节能分析

以表1所示两台塔器再沸器温控系统改造后的系统进行能量消耗计算，多伦煤化工在2012-2013两年内对全厂8个温控系统进行了技术改造，年均节能量约为7万吨标煤量。以后会继续对存在问题的换热器进行改造，节能降耗的优化改造仍有发掘空间。

表1 换热器温度控制方式改造前后蒸汽、温度变化

五、结论

本文比较了管壳式换热器一般温度控制方案的优缺点，依据实际生产情况对凝液控制温度方案进行优化，该控温方案已在大唐内蒙古多伦煤化工生产装置上投入运行。结果表明，优化后的温度控制方案能克服大波动对精馏系统的影响，可以稳定地将大型精馏塔温度控制在指标范围内，有效提高装置的能量消耗和经济效益。该方案非常适用于蒸汽换热器对大型精馏塔的温度控制，对其他工业过程的温度控制具有借鉴意义。

作者简介：高秀娟（1967-），女，吉林市人，本科，主要从事煤基烯烃项目技术管理工作。