煤气换热器控制系统的研究

煤气换热器控制系统的研究

武成健 张涛 周文瑜

武警警官学院

摘要：随着工业的快速发展和能源消耗的不断增加，能源短缺已经成为一个世界性的问题。近年来，虽然中国在能源方面取得了很大成就，但是目前，我国能源供应矛盾依然十分突出，能源利用率很低，只有28%左右。换热器是一种从热流体向冷流体传热的热交换设备，广泛应用于化工、石油、暖通、电子等行业工业部门。其产品质量对能源效率起着重要作用，为了保证换热器的产品质量，需要专业的设备对热交换器进行监督和测试。

关键词：换热器温度控制；PID控制；最优控制；模糊控制

1、研究背景

能源是支持人类文明进步的物质基础，是现代社会发展的重要基础。能源总是一个重大的战略问题中国的现代化进程和全体人民的共同繁荣。在寻找新能源的过程中，节约能源、提高能源利用率是一个至关重要的问题。能量是一种冲击是社会经济发展的重要物质基础，是提高人民生活水平的前提。世界上大部分能源结构主要是石油、煤和天然气。这些化石能源有限，而且由于工业化的迅速发展而迅速枯竭。世界上到处都是能源短缺的地方能源的开发利用已成为衡量一个国家现代化水平的重要指标。

换热器是一种在不同温度的流体介质间传递热量的热交换设备，又称热交换器，在化工、石油、食品、暖通、电子等工业部门得到广泛应用。主要作用是实现热流体向冷流体的热量传递，使流体的温度能够满足工艺流程要求的指标，保证生产过程的顺利进行。换热器可作为单独的设备使用，如冷凝器、加热器和冷却器等，但在石化或煤炭工业中，需要余热回收装置进行热量的回收循环利用，此时换热器只作为工艺设备的一个重要组成部分。

换热器是一种用于实现传热的设备，极为广泛地应用在电力行业中，例如动力工业中锅炉设备的过热器和空气预热器，电厂热力系统中的凝汽器和给水加热器等等。在典型的石油化工厂中，换热器的投资占设备总投资的20%，换热器的重量占总工艺设备重40%。在一些大中型的炼油企业中，换热器的数量可达 300-500台以上,而且换热器性能的好坏直接关系着能量的转换过程。因此，提高换热器热的传热性能对提高工业生产过程效率、提高能源利用率、降低能源消耗率具有重要意义。

2、研究意义

随着人类生产与生活水平的不断提高和科技水平的不断提高，对热量传递提出了更高的要求。换热器被广泛应用，如中央空调系统，机械润滑油冷却系统，制药消毒系统，饮料工业消毒系统，船用冷却，化工行业特殊介质冷却系统日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器等，都是换热器。它还广泛应用于化工、石油、动力和原子能等工业部门。它的主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度，同时也是提高能源利用率的主要设备之一。在工业生产过程中，为了保证工艺过程的顺利进行，提高产品质量，工艺介质的温度能够满足工艺流程的要求，而且，在生产过程中，不可避免地会造成能量的浪费，因此，换热器的传热具有非常重要的意义。

能源的紧缺不仅制约着我国的经济发展，而且使我国在国际能源市场和环境保护方面具有巨大的压力^[1]。我国是发展中国家，能源匮乏，人均拥有能源低于世界平均水平，但是我国的能耗却远远高于发达国家。我国能源形势尤显严峻，一方面我国能源消耗已经超过美国，成为第一大能源消费国，然而我国人均能源占有率还不到美国的1/5。与此同时，随着工业化和城市化的进一步发展，中国的能源需求仍将保持长期大幅增加，还会进一步恶化，这将进一步恶化能源供需矛盾；另一方面，我国能源结构不合理，能源利用效率低下。据统计，我国的国民生产总值（不到世界总量的10%，然而能源消耗却超过世界总量的20%)与发达国家相比，差距更加明显，我国的总能耗成本与美国的总能耗成本是相同的，但只有日本能源消耗与我国相当，但GDP能源消耗总量仅有我国的37%。因此，节约能源，提高能源利用率，对我国国民经济发展和社会进步具有重大的意义^[2]。

因此，提高换热器的性能、研究换热器试验过程的试验技术以及对换热器进行过程控制等都有利于生产过程的顺利进行、促进能源的开发以及能效的提高有着十分重要的意义。随着科技技术的进步和普及，人们对换热器有了全新的认识，对产品的消费观念有了新的改变，人们对节能生活有了美好的期待和追求。人们越来越注重能源和环保的实现，提高换热器性能有助于减少换热器的面积和体积，从而降低其制造成本。因此，提高换热器的传热效率，以节约能源、减少化石燃料对周围环境的污染，有着重要的经济和社会价值。

3、煤气换热器研究现状及发展动向

随着现代工业的快速发展，我们面临着世界能源短缺的困境。环境、生态等问题也日益突出。目前，太阳能、地热能和核能的应用较少。因此，各国都加大了新能源的开发力度，同时也扩大了换热器的应用范围。随着经济的发展，各种不同结构和类型的换热器层出不穷，各国对换热器的理论研究也进入了更高的水平。新技术、新产品的开发以及相关领域各国也得到了拓展，并在大规模的工业生产组织的同时建立起了各自独立的换热器研究中心。

国内在改进换热器性能，提高传热效率，减少换热面积、降低压降、改善传热性能等方面的研究取得了显著成效。强化传热技术是多年来国内外传热研究的热点，它指的是能显著改善传热性能的节能科学技术。换热器的广泛使用，有效地提高了能源的利用率，降低了企业成本，提高了效益。换热设备按照其功能可命名，如冷凝器、蒸发器、再热器、过热器等，按换热部件的特点可分为:管壳式换热器、翅片管式换热器、板式换热器，对于各型换热器的强化换热技术的研究，主要集中在对换热器内流体流态变化以及对各部件的参数优化研究两方面，而对换热器部件参数的主要研究对象就是换热管(板)排列方式(顺排或叉排)、换热管(板)排数、换热管(板)间距大小、肋片布置间距、肋片形状等^[3]。

国外换热器技术发展水平与趋势表明，尽管各种板式换热器的竞争力在提高，但管壳式换热器仍占64%的市场份额，占有主导地位。随着科学技术的发展工业设备也向着高温高压、大型化的规模发展^[4]。因此换热器结构有了许多新的发展。为了全面提高换热器的传热能力，我国在换热设备的选择和研究方面做了大量有成效的工作，主要包括三个方面的内容：研究和采用包括高通量换热管在内的各种强化传热元件技术；对大型管壳式换热器进行攻关；在高效传热结构的基础上研究大型缠绕管式换热器和大型板壳式换热器。除此以外，在大型板式换热器国产化方面也取得了一些进展。

近年来，国内外的换热器研究部门在利用强化传热技术，提高换热性能方面取得了显著成效。强化传热技术的应用，不仅可以提高传热效率、还可以节约能源、保护环境，还能在很大程度上减少设备投资、节约成本和能耗。随着换热器在工业部门的广泛应用，强化传热技术越来越受研究人员的重视，并且产生了大量的研究成果。随着科技技术的进步与普及，人们对换热器有了全新的认识，对产品的消费观念有了新的改变。当前换热器的发展方向仍然是提高换热效率和设备结构的紧凑性，促进设备的发展、生产制造的标准化和规模化方向。

参考文献

[1] 史美中,王中铮.热交换器原理与设计.第4版[M].南京:东南大学出版社，2009:4-10.

[2] 陈永东.我国大型换热器的技术进展[J].机械工程学报,2013,49(10):134-143.

[3] 邵拥军,逯凯霄,张文林.板式换热器的特点与优化设计[J].广州化工,2012,40(6): 120-122.

[4] Subhransu Padhee, Yuvraj Bhushan Khare, Yaduvir Singh. Internal Model Based PID Control of Shell and Tube Heat Exchanger System[J].Proceeding of the 2011 IEEE Students’Technology Symposium,2011,1:297-302.

作者简介

武成健（第一作者）：1995.1.18 武警警官学院 历史专业

张涛：1999.08.01 武警警官学院 历史专业

周文瑜：1999.05.09 武警警官学院 历史专业