换热器因应结垢慢时变的控制系统重构分析

任超，孙琳，罗雄麟

（中国石油大学（北京）自动化系，北京 102249）

引 言

传热过程作为化工系统中的重要环节，涉及化学工业的诸多方面[1]，而换热器作为工业生产中实现物料之间热量传递的关键单元，在化工、炼油等许多领域应用广泛。目前工业中换热器的运行周期大多为3年甚至更长时间[2]，但在换热系统的全生命周期中，随着运行时间的增长，持续增加的结垢热阻会使得换热器的换热效果不断下降，从而导致控制系统的操作条件发生变化甚至使其无法实现工艺目标，如何解决结垢带来的此类问题尤为重要。

为满足生产和操作的要求，在换热器的设计阶段工艺人员通常会对换热面积进行裕量设计，在正常操作设计需要的面积数值上额外增加一部分换热面积。然而，根据经验设计的面积裕量往往过大或者不足，为了避免此类问题，许多学者对换热器的裕量设计进行了分析。Zheng等[3]考虑了换热网络在运行中的不确定因素，指出裕量设计需要考虑实际生产和操作中参数的不确定性。王传芳等[4]指出换热器设计裕量包括操作裕量、结垢裕量和控制裕量三部分。Wang等[5]则通过设计柔性换热网络的稳态仿真实验，指出了结垢热阻越小换热器所需设计的面积裕量也越少。裕量设计能缓解结垢导致的换热效果下降的问题，但从工艺角度对换热系统的优化设计往往是开环的，裕量的调节释放也需要通过控制器的设计来进行。

当下针对换热器的控制策略中，以流体流量作为操纵变量的控制策略在工艺流体为公用工程时应用普遍。……