Паронагреватели — это просто теплообменники, в которых одной из сред является конденсируемый пар, а другой — нагреваемая технологическая жидкость. При этом происходит фазовый переход, который предъявляет особые требования к системе управления технологическим процессом. Трудно обобщить различные варианты управления. Особые требования к системе часто накладывают неожиданные ограничения на процесс. Даже ориентация теплообменника может привести к необычным и неожиданным результатам.
Паровой нагреватель, например, используемый для обогрева воды в автоклавном отделении. Этот простой пример демонстрирует многие характеристики паровых нагревателей всех размеров и областей применения. Пар поступает в нагреватель сверху. Когда движущийся воздух отводит тепло, пар конденсируется. Конденсат стекает по трубам через конденсатоотводчик в коллектор для отвода конденсата.
Функция конденсатоотводчика (TCV) заключается в предотвращении попадания пара в конденсатную систему. Это важнейшая часть любого пароконвектомата, и о ней будет рассказано позже. Пока достаточно сказать только, что она пропускает конденсат и блокирует пар.
Эта система, как правило, является саморегулирующейся. Движущийся воздух нагревается до температуры, близкой к температуре пара, и отводит как можно больше тепла. Более холодный воздух отводит больше тепла, а теплый — меньше. Конденсатоотводчик — это, по сути, регулятор уровня с нулевым заданным значением.
Конденсат
По мере конденсации пара образующаяся в результате этого вода стекает вниз. Конденсатоотводчик расположен в нижней точке системы. Это клапан, который открывается, позволяя воде стекать в систему конденсата, но закрывается, когда вся вода слита и пар пытается пройти через него. Существует множество разновидностей конденсатоотводчиков, работающих на различных принципах.
Теплообменник
Важным параметром любого технологического нагревателя является температура технологического потока в определенный момент процесса. По сути, существует только три способа контроля: • Пропускать часть технологического потока через теплообменник и смешивать ее с прошедшей через него фракцией. • Изменять эффективную площадь поверхности теплообмена. Это достигается путем ограничения выходного отверстия и частичного заполнения теплообменника конденсатом. • Изменять температуру теплоносителя. Это достигается путем регулирования подачи пара и снижения давления пара в теплообменнике. Каждый из них по очереди рассматривается ниже.
Байпас
Байпасное управление на пароперегревателе аналогично байпасному управлению на любом другом типе теплообменника. Единственным отличием является наличие конденсатоотводчика на выходе со стороны пара, где конденсат выходит в нижней части теплообменника. Простые конденсатоотводчики не бывают больших размеров, поэтому может потребоваться более точный способ отделения конденсата от пара. Конденсатоприемник — это емкость, расположенная под теплообменником для сбора конденсата, который стекает снизу.
Для управления выпускным клапаном используется регулятор уровня. Все устройство представляет собой конденсатоотводчик большого размера. Единственным дополнительным компонентом является уравнительный трубопровод от ресивера. Это необходимо для того, чтобы пар или воздух в ресивере не препятствовали поступлению конденсата. Это может и не понадобиться, если линия, ведущая в приемник, большая и дренируется свободно.
Во многих ситуациях невозможно использовать байпасное управление. Обратите внимание, что технологическая жидкость, проходящая через теплообменник, будет нагреваться до температуры пара в полном объеме. Если жидкость подвержена коксованию, полимеризации или другим повреждениям при максимальной температуре пара, необходимо использовать какой-либо другой способ регулирования.
Если технологическая жидкость кипятится, как в ребойлере на ректификационной колонне, байпас просто не будет работать вообще. Рассмотрим ребойлер, в котором корпус теплообменника наполовину заполнен жидкостью. Перепускной трубопровод также будет заполнен наполовину. Пары из теплообменника будут выходить сверху, но через перепускную линию они не пройдут. Существует еще одна проблема, связанная с устройством, если оно применяется к ребойлеру. Температура на выходе не имеет никакого отношения к общему количеству кипятимой жидкости. Если заданное значение немного ниже точки кипения, то кипения будет достаточно только для того, чтобы нагреть выпускную трубу. Если заданное значение хотя бы немного превышает точку кипения, контроллер широко откроет клапан. Устанавливать заданное значение точно на точке кипения бессмысленно; в реальном мире такого значения не существует.
Контроль уровня
Общую скорость теплопередачи (тепловой поток) можно регулировать путем регулирования расхода конденсата, выходящего из нижней части теплообменника. Это приводит к тому, что конденсат покрывает большую часть поверхности трубы, уменьшая площадь теплопередачи. Для успешного применения этого метода важна ориентация. На схеме теплообменник расположен вертикально, и пар поступает со стороны корпуса. В этом случае теплообменник может выполнять функцию отдельного конденсатоприемника.
Обратите внимание, что пар должен находиться внутри корпуса. Если бы пар находился в трубках, конденсат пришлось бы выдувать из них вверх. Возникающий в результате этого гидравлический удар был бы совершенно недопустим. Во-вторых, посередине теплообменника не должно быть перегородки. В противном случае уровень конденсата не смог бы выровняться с обеих сторон. Сторона, противоположная входу пара, заполнилась бы конденсатом доверху и фактически перекрыла бы половину теплообменника. В любом случае конденсат должен вытекать снизу.
Показано, что регулятор температуры работает непосредственно на клапане для конденсата. Клапан должен быть автоматически закрыт, чтобы предотвратить попадание пара в коллектор для конденсата при перебоях в подаче воздуха. Регулятор должен работать в обратном направлении, чтобы повышение температуры на выходе приводило к закрытию клапана. Это повышает уровень конденсата и частично очищает поверхность трубы. Уменьшение площади поверхности трубы, подверженной воздействию пара, прямо пропорционально уменьшает тепловой поток.
Это устройство работает достаточно хорошо, но у него есть несколько особенностей, о которых необходимо помнить. Первая из них — это переходный процесс. Контроллер реагирует на внезапное увеличение расхода воды, открывая клапан. Это позволяет быстро удалить конденсат, чтобы теплообменник мог наполниться свежим паром. Если технологический поток резко падает, реакция происходит не так быстро. Клапан не может работать в обратном направлении; он может остановить поток, но никогда не сможет изменить его направление. Пока в процессе не будет поглощено достаточно тепла, чтобы конденсат заполнил теплообменник, тепловой поток не уменьшится. В крайнем случае поток полностью прекращается. Температура жидкости, оставшейся в трубках, поднимется до температуры пара и не остынет до тех пор, пока через изоляцию не будет потеряно достаточно тепла, чтобы сконденсировать воду, достаточную для заполнения теплообменника. Это может занять некоторое время.
Теплообменник, управляемый с помощью контроля уровня конденсата, немного напоминает автомобиль с отличным ускорением, но плохими тормозами. Приведенный выше пример также иллюстрирует проблему, общую для всех систем управления теплообменником: что происходит, когда поток полностью прекращается? Если терморегулирующий элемент расположен на некотором расстоянии от нагревателя, участок трубопровода, на котором он расположен, постепенно охлаждается, и контроллер запрашивает дополнительное нагревание. В конечном итоге пар будет выходить из нижней части и попадать в систему конденсации. Для предотвращения этого может потребоваться блокировка.
Вторая проблема с управлением возникает в ситуациях чрезмерного отключения. Рассмотрим следующий сценарий: Растительный корм берется из емкости и нагревается примерно до 25°C (77°F). Установка расположена далеко на севере, поэтому нагреватель имеет достаточно большие размеры, чтобы обеспечивать достаточное количество тепла даже в самые холодные дни. Летом ситуация совершенно иная. Нагрев практически не требуется, а теплообменник заполняется конденсатом почти доверху.
Как только уровень воды поднимается над отверстием для подачи пара, возникает сильный удар, поскольку конденсат возвращается в паропровод, а пар проходит через него в пространство наверху, где все еще остается некоторое количество конденсата. Одним из результатов является постоянная утечка прокладки. Операторы пытаются исправить это, частично закрывая ручной запорный клапан на входе пара. Это не помогает, так как поток пара регулируется низкой скоростью конденсации. В конечном итоге стук прекращается, когда открывается ручной перепускной клапан на клапане для сбора конденсата.
В этот момент операторы убеждены, что клапан для сбора конденсата имеет недостаточный размер, поскольку открытие байпаса «устранило» проблему. Они не замечают, что происходит перегрев процесса и что регулирующий клапан на самом деле плотно закрыт. На самом деле проблема заключается в том, что невозможно полностью перекрыть поверхность теплообмена, не поднимая уровень воды над входом для пара. В качестве краткосрочного решения проблемы можно использовать подачу воздуха или другого подходящего материала, не поддающегося конденсации, в корпус. Оптимальным решением является использование горизонтального теплообменника. В этом случае пар будет поступать сверху. Как только конденсат поднимется над самыми верхними трубками, передача тепла прекратится, и конденсат больше не будет подниматься.
Улучшение контроля уровня
На работу пароконвектомата могут влиять, по существу, три вида помех: • Технологическая нагрузка может изменяться в результате изменения расхода или температуры подачи. Изменение уставки регулятора температуры эквивалентно изменению нагрузки. • Давление и температура пара могут изменяться. • Обратное давление конденсата может изменяться. Если клапан для конденсата запускается вручную в фиксированном положении, реакцией системы на увеличение нагрузки будет увеличение количества конденсата, за которым последует повышение уровня. Конечным результатом будет более низкая температура на выходе.
Поскольку в данном примере давление пара и конденсата не изменяется, поток через клапан остается постоянным. Следовательно, тепловой поток остается постоянным. Один и тот же тепловой поток при большей технологической нагрузке приводит к снижению температуры. Если клапан находится в режиме автоматического регулирования температуры, он будет открыт, и после первоначального понижения температуры установится новое равновесие на несколько более низком уровне и соответствующем более высоком тепловом потоке. Реакцией ручного управления на повышение давления пара является увеличение теплового потока, за которым следует повышение уровня.
Поскольку уровень не оказывает существенного влияния на поток конденсата через клапан, уровень будет продолжать повышаться до тех пор, пока количество конденсированного пара не сравняется с количеством конденсата, вытекающего через клапан. Конечная температура на выходе из системы будет немного выше, чем раньше, из-за несколько более высокой теплоемкости пара высокого давления. Если контур находится в автоматическом режиме, контроллер ограничит подачу конденсата до тех пор, пока не будет найдена правильная рабочая температура.
Если предположить, что давление пара незначительно превышает давление конденсата, то повышение давления в коллекторе конденсата приведет к уменьшению расхода и повышению уровня. Если клапан находится в ручном режиме, температура на выходе будет снижаться до тех пор, пока тепловой поток не будет соответствовать уменьшенному расходу конденсата. Если клапан находится под контролем температуры, контроллер будет открывать его до тех пор, пока снова не будет достигнут необходимый уровень. Разумеется, это предполагает наличие достаточного давления пара для вытеснения всего образующегося конденсата. Все три сценария, описанные в предыдущих параграфах, приводят к некоторому временному изменению температуры процесса.
Существует ли способ, с помощью которого можно снизить эти переходные процессы? На ум приходит каскадное управление. Одна из распространенных схем заключается в подключении регулятора температуры к регулятору уровня. Регулятор уровня обнаруживает повышение уровня в результате увеличения рабочей нагрузки, открывая клапан. Это обеспечивает коррекцию в нужном направлении, но неясно, будет ли это происходить быстрее, чем реакция только регулятора температуры. Каскад управления температурой/уровнем обеспечивает аналогичную ограниченную помощь, если сбои вызваны повышением давления пара. Повышение температуры на выходе должно предшествовать повышению уровня. Таким образом, с помощью одного регулятора температуры можно быстрее устранить переходные процессы.
Если неисправность вызвана повышением давления в коллекторе конденсата, первым результатом будет повышение уровня жидкости. Регулятор уровня немедленно почувствует это и откроет клапан. Это значительно снизит влияние на технологический процесс. В заключение: каскадирование температуры/уровня полезно в том случае, если ожидаемая неисправность вызвана коллектором конденсата. Важно понимать, что при любой форме каскадирования или обратной связи всегда необходимо устранять конкретную неисправность. Вопрос не в том, работает система или нет, а в том, против какого типа помех она эффективна.
Для повышения точности регулирования иногда используется каскадная схема «температура/расход». Измеряемой величиной является расход пара. К сожалению, конфигурация имеет обратную переходную реакцию на изменения нагрузки. При увеличении нагрузки конденсируется больше пара, что приводит к увеличению расхода в теплообменнике. Регулятор расхода закрывает клапан для конденсата одновременно с повышением уровня. Это приводит к дальнейшему повышению уровня. В конце концов, достигается новое равновесие, но краткосрочным результатом является ухудшение реакции. Если неисправность связана с повышением давления пара, каскад T/F реагирует правильно и исправляет ситуацию. Если неисправность связана с повышением давления в коллекторе конденсата, регулятор расхода заметит, что расход пара падает из-за уменьшения площади поверхности, и понизит уровень. Таким образом, каскад T/F эффективен для защиты от возмущений пара и конденсата, но не от возмущений, возникающих в процессе работы.
Единственный способ улучшить реакцию на изменения нагрузки — это использовать обратную связь. Этот метод сам измеряет помехи и применяет коррекцию еще до того, как они проявятся. Если коррекция произведена слишком рано, на выходе будет наблюдаться переходный процесс, направленный в противоположную сторону от того, что могло бы произойти в противном случае. В таких случаях требуется задержка сигнала. Каждое возможное нарушение имеет свои собственные измерения, и невозможно компенсировать их все. Нарушение работы теплообменника может быть вызвано изменением расхода, температуры подаваемой жидкости или даже изменением удельной теплоемкости.
Специалист по системам управления должен решить, какие из этих факторов являются существенными в каждом конкретном случае. В примере на рис. 4-6 показана система, в которой был сделан вывод о том, что технологический расход является существенной переменной. Выходной сигнал регулятора температуры умножается на скорость потока для получения сигнала, управляющего клапаном. Оба умножаемых сигнала должны быть линейными и выражаться в единицах процента. Часто возникает вопрос, подавать ли сигнал прямой подачи через умножитель или сумматор. В этом примере ясно, что расход пара и, следовательно, положение клапана должны быть пропорциональны технологическому расходу, поэтому сигнал должен быть умножен. Обратите внимание, что для идеальной работы характеристика установленного клапана должна быть линейной.
Регулирование подачи пара
Распространенным методом управления пароконвектоматом является дросселирование пара на входе. Поскольку при снижении давления вода закипает при более низкой температуре, температура конденсата снижается вместе с давлением. Можно с уверенностью предположить, что условия внутри теплообменника являются изотермическими. Это означает отсутствие значительного противотока, а максимальная температура, до которой может подниматься технологическая жидкость, — это температура конденсата.
Во-первых, снижается плотность пара. Это снижает эффективную скорость теплопередачи.
Во-вторых, дросселирование насыщенного пара не снижает его температуру настолько, чтобы поддерживать ее на уровне насыщения при более низком давлении. Таким образом, возникает некоторый перегрев. Перегретый пар менее эффективен при передаче тепла, чем насыщенный, поскольку при охлаждении до насыщения выделяется ощутимое тепло, значительно меньшее, чем скрытое тепло, выделяемое при конденсации.
В-третьих, конденсат поступает в коллектор при более низком давлении. Энтальпия этого конденсата несколько ниже, следовательно, в процессе используется несколько большее количество тепла. Это также означает, что в коллекторе конденсата меньше испарений или других помех.
Все эти побочные эффекты, за исключением последнего, снижают эффективность нагревателя. В результате повышается температура выходящего потока на входе (разница между фактической температурой на выходе и максимально достижимой). Это приводит к дальнейшему незначительному снижению температуры на выходе.
Клапан на выходе для сбора конденсата по-прежнему необходим для предотвращения попадания пара в систему сбора конденсата. Это привлекает внимание к основной проблеме регулирования подачи пара в нагревателе, где требуется пар низкого давления: после прохождения через два клапана давления может не хватить для возврата конденсата в коллектор. Очевидным решением является повышение давления пара. Это не поможет, поскольку назначение парового клапана заключается в снижении давления до определенного значения, соответствующего требуемой температуре пара.
Существует три возможных решения: Лучшим решением является снижение обратного давления в коллекторе конденсата. Это не всегда возможно. Возможно, трубопроводы для отвода конденсата должны проходить в трубных стойках, расположенных на возвышении над нагревателем. Длинные обратные трубопроводы могут еще больше увеличить противодавление. Полезной альтернативой может быть использование регулятора уровня, описанного в предыдущих разделах. Если в существующей установке давление в коллекторе пара упало, а давление в коллекторе конденсата повысилось из-за увеличения спроса, единственной альтернативой может быть установка насоса для возврата конденсата. Назначение этого насоса — нагнетать конденсат низкого давления в коллектор под более высоким давлением. Регулирующий клапан, конечно же, должен находиться на выходе из насоса, чтобы предотвратить перепрошивку или кавитацию.
Безопасность
Требования безопасности к пароконвектоматам такие же, как и к любым другим теплообменникам. В частности, как и в случае с любым сосудом высокого давления, с обеих сторон должны быть предусмотрены предохранительные клапаны. С пароконвектоматами связана еще одна опасность: попадание пара в коллектор конденсата. Клапан регулирования уровня или конденсатоотводчик понижает давление по мере поступления конденсата в коллектор.
Если коллектор не рассчитан на полное давление пара, необходимо установить предохранительный клапан для предотвращения выхода из строя клапана. Требуется дополнительная гарантия. меры предосторожности могут заключаться в том, что одним из возможных вариантов является независимый переключатель низкого уровня, который блокируется в клапане с помощью соленоида.
Второй способ заключается в переопределении низкого уровня. Он состоит из регулятора уровня, выход которого подается на переключатель низкого уровня вместе с выходом регулятора температуры. Заданное значение уровня находится примерно на дне трубок. При снижении уровня ниже этого значения выходная мощность контроллера прямого действия будет снижена. Как только выходная мощность становится меньше, чем у регулятора температуры, регулятор уровня управляет клапаном и предотвращает падение уровня ниже нижней части теплообменника. Этот способ регулирования одинаково хорошо работает в резервуаре для сбора конденсата, а также в сочетании с каскадом T/F или прямой передачей.
Наиболее вероятно, что максимальная потребность в тепле возникает в период максимальной производительности. Другими словами, переключатель низкого уровня, скорее всего, отключит нагреватель именно в то время, когда предприятие зарабатывает больше всего денег. Использование низкоуровневого управления предотвратит это крайне нежелательное явление, эффективно переключив нагреватель в режим ограничения мощности. Это означает, что нагреватель будет работать на пределе своей мощности (самый низкий уровень) без риска отключения.
Простое правило помогает нам понять, нужен ли переключатель высокого или низкого уровня. Клапан всегда выбирается таким образом, чтобы наименьшее значение его входного сигнала соответствовало наиболее безопасному положению клапана. Таким образом, переопределение, связанное с безопасностью, всегда будет осуществляться через переключатель низкого уровня для обеспечения безотказной работы. В тех случаях, когда требуется аварийное открытие клапана, например, для рециркуляции насоса, по-прежнему рекомендуется использовать переключатель низкого давления.
Обратите внимание, что PI- или ПИД-регулятор выйдет из строя, если его выходной сигнал не выбран для управления клапаном. (Когда его игнорируют, он кричит громче!) Для переопределяющих приложений необходимо использовать специальный тип переключателя, называемый «переключателем переопределения». Этот модуль или программный функциональный блок подавляет интегральное действие любого контроллера (ов), выходной сигнал которого не выбран для управления. Если давление пара на входе достаточно высокое, что представляет серьезную опасность для системы конденсации, может потребоваться как регулирование низкого уровня, так и независимый переключатель низкого уровня для блокировки клапана с помощью соленоида. Поскольку соленоид срабатывает только в случае неисправности, он должен быть зафиксирован в закрытом положении.
Дополнительные приборы
Для пароконвектомата требуются те же дополнительные приборы, что и для любого другого теплообменника. Поскольку его целью является нагрев технологического потока, необходимо предусмотреть некоторые средства для проверки того, насколько хорошо он это делает. Поэтому на входе и выходе установлены термометры. Для предупреждения о закупорке также необходимы манометры давления. Термометры и манометры давления также должны быть установлены на входе со стороны подачи пара. Это особенно актуально, если используется дросселирование пара, в противном случае невозможно определить, какие условия находятся за клапаном. Как правило, измерение на выходе не требуется. Как всегда, необходимо установить уровнемер, который будет охватывать все устройства контроля уровня, чтобы проверить их работу и обеспечить контроль во время технического обслуживания.
Параллельные паровые нагреватели
На больших ректификационных колоннах часто устанавливаются паровые ребойлеры. Они должны иметь индивидуальное управление либо со стороны подачи пара, либо со стороны конденсата. Без этого невозможно обеспечить равномерное распределение нагрузки. Одним из распространенных решений является разделение выходных данных одного регулятора температуры на два отдельных регулятора расхода. Можно использовать простой блок вычитания, чтобы оператор мог ввести значение от 0 до 100% для определения доли расхода, поступающей на один регулятор, а оставшаяся часть — на другой.