Wymienniki ciepła – rodzaje sterowania

Implementacja różnych układów sterowania – takich jak sprzężenie zwrotne, sprzężenie w przód czy regulacja kaskadowa – może sprostać wyzwaniom stawianym nawet przez bardzo wymagające układy wymienników ciepła.
W wymiennikach ciepła odbywa się proces wymiany ciepła pomiędzy płynami. Zazwyczaj przebiega on wystarczająco wydajnie, jednak sterowanie temperaturą czynnika podgrzewanego i utrzymanie jej na określonym poziomie stanowi niekiedy wyzwanie. Zadaniu temu można podołać, gdy zrozumiemy zasady działania różnych układów sterowania temperaturą w wymiennikach ciepła stosowanych w przemyśle.
Czym jest wymiennik ciepła
Płaszczowo-rurowy wymiennik ciepła to najczęściej urządzenie stosowane w przemyśle petrochemicznym, znajduje bowiem zastosowanie zarówno w układach niskiego, jak i wysokiego ciśnienia (rys. 1). Składa się z powłoki zewnętrznej i systemu rurek wewnątrz. Rurki są proste lub w kształcie litery U. Jeden czynnik (płyn) krąży w nich, a drugi przepływa pomiędzy nimi a powłoką zewnętrzną, przewodząc ciepło między dwoma płynami (rys. 2). System rurek zwany jest wiązką rurek.
Ciepło pomiędzy dwoma płynami wymieniane jest przez ściany rurek. Może być oddawane przez rurki do płynu znajdującego się w płaszczu lub przejmowane przez płyn w rurkach. Czynniki krążące w rurkach i płaszczu mogą być zarówno cieczami, jak i gazami. Aby zapewnić sprawną wymianę ciepła, wiązka składa się z wielu przewodów. Zwiększa to powierzchnię oddawania ciepła pomiędzy dwoma czynnikami.
<—newpage—>Cel sterowania
Do opracowania wszechstronnej strategii sterowania wymianą ciepła trzeba określić zmienną kontrolowaną, zmienną sterowaną oraz inne zmienne zakłócające, bezpośrednio wpływające na zmienną kontrolowaną.
Jako przykład posłuży wymiennik ciepła z rys. 3. Płyn w płaszczu zbiornika musi zostać podgrzany do określonej temperatury. Jej końcowa wartość jest mierzona na wyjściu z wymiennika T1OUT (zmienna kontrolowana).
Czynnik podgrzewany jest przez przepływającą parę wodną w wiązce rurek. Im więcej pary przepływa w rurkach, tym więcej ciepła jest przekazywane do płynu podgrzewanego i odwrotnie. Kontrola wydatku przepływu F2 (zmienna sterowana) odbywa się przez sterowanie zaworem znajdującym się przy wejściu pary do układu.
Osiągnięcie żądanej temperatury na wyjściu mogą zakłócać trzy główne czynniki:
-> zmiany w natężeniu przepływu płynu grzanego F1;
-> zmiany temperatury płynu grzanego na wejściu do układu T1IN;
-> zmiany ciśnienia pary, wpływające na wartość natężenia przepływu pary F2.
Celem sterowania jest utrzymanie końcowej temperatury płynu grzanego T1OUT na określonym poziomie, niezależnie od zakłóceń oddziałujących na układ, za pomocą sterowania natężeniem przepływu pary F2.
<—newpage—>Sterowanie z pętlą sprzężenia zwrotnego
Zgodnie ze schematem sterowania ze sprzężeniem zwrotnym, zmienna kontrolowana T1OUT jest mierzona i przekazywana do sterownika całkująco-różniczkującego PID, który porównuje zmienną kontrolowaną z pożądaną temperaturą i w odpowiedzi generuje sygnały sterujące. Te powodują zamknięcie lub otwarcie zaworu sterującego natężeniem przepływu pary (rys. 4).
Najważniejszą zaletą stosowania techniki sprzężenia zwrotnego jest to, że niezależnie od źródła zakłóceń sterownik wykona czynność korekcyjną. Sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym nie wymaga dokładnej i szczegółowej wiedzy na temat procesu. Dlatego też poznanie modelu procesu nie jest niezbędne do doboru i implementacji sterowania z pętlą sprzężenia zwrotnego, aczkolwiek posiadanie tej wiedzy stanowi zawsze dodatkowy atut.
Główną wadą sterowania ze sprzężeniem zwrotnym jest brak możliwości reagowania na zakłócenia – nawet te duże – zanim ich występowanie wpłynie na zachowanie zmiennej kontrolowanej. Jeśli zbyt wiele zakłóceń o znaczącej amplitudzie wystąpi jednocześnie, może to spowodować nieodwracalną niestabilność procesu.
<—newpage—>Sterowanie kaskadowe
W przypadku sterowania kaskadowego sygnał, zamiast od sterownika PID do zaworu sterującego, trafia do kolejnego sterownika wykorzystującego człon różniczkująco-całkujący PID – sterownika przepływu pary wodnej (fbFC). Druga pętla jest odpowiedzialna za utrzymanie natężenia przepływu pary na stałym poziomie. Wydatek pary jest wówczas odporny na niekontrolowane czynniki, takie jak zmiany ciśnienia lub problemy związane z zaworem.
Aby zrozumieć, jak działa to sterowanie, załóżmy, że wymiennik ciepła pracuje w warunkach ustalonego przepływu. Temperatura na wyjściu pozostaje zgodna z oczekiwaną, a wyjście sterownika fbTC jest stałe. Nagły wzrost ciśnienia pary wywoła wzrost natężenia przepływu F2 (rys. 5). Spowoduje to powolny wzrost kontrolowanej zmiennej. Bez pętli kontrolującej natężenie przepływu fbTC nie wykona prawidłowych korekcji aż do momentu, gdy wpłynie to na wartość temperatury na wyjściu medium.
Dzięki adaptacji sterowania kaskadowego pętla sprzężenia zwrotnego sterująca przepływem pary wodnej (fbFC) szybko dopasuje pozycje zaworu w przypadku zmiany natężenia przepływu pary. Akcja taka przywróci żądaną wartość natężenia przepływu w warunkach ustalonych (wartość natężenia dana przez sterownik temperatury nie uległa zmianie, ponieważ nie zdążyła się zmienić temperatura na wyjściu), zapobiegając zmianie temperatury na wyjściu.
Warto zwrócić uwagę, że pętla sterująca przepływem pary musi działać dużo szybciej od pętli sterującej temperaturą – w celu usunięcia skutków zmiany przepływu w odniesieniu do wartości temperatury końcowej podgrzewanego medium.
<—newpage—>Sterowanie z pętlą sprzężenia w przód
W odróżnieniu od pętli sprzężenia zwrotnego omawiane sterowanie wprowadza korektę do układu, gdy nastąpią zakłócenia. Sterowanie z pętlą sprzężenia w przód nie „widzi” zmiennej kontrolowanej. Odczytuje jedynie zakłócenia w układzie i reaguje na ich pojawienie się. Pozwala to układowi sterującemu na szybką i bezpośrednią kompensację efektów powodowanych przez zakłócenia (rys. 6).
By zaadaptować powyższy rodzaj sterowania, niezbędna jest znajomość modelu procesu i bezpośrednich zależności pomiędzy zakłóceniami i zmienną kontrolowaną.
Dla wymiennika ciepła, w którym panują ustalone warunki, prawdziwe jest równanie opisujące żądaną wartość natężenia przepływu pary: 
F2sp = F1 × (T1OUTsp  T1IN) × (Cp/∆H) 
gdzie:
F2sp – żądane natężenie przepływu pary wodnej, przesłane do sterownika fbFC
F1 – zmiana wartości natężenia przepływu medium
T1OUTsp – żądana wartość temperatury medium na wyjściu z układu
T1IN – wartość temperatury medium na wejściu do wymiennika ciepła
Cp – ciepło właściwe medium (wartość znana)
∆H – ciepło utajone parowania pary (znane)
Zastosowanie tego równania do obliczenia żądanego natężenia przepływu pary jest wystarczające, by skompensować zmiany w natężeniu przepływu i temperatury medium. W przypadku idealnego modelu teoretycznego, z kilkoma ulepszeniami modelu układu, sterownik z pętlą sprzężenia w przód wystarczy, by w sposób idealny kontrolować proces. Niestety, rzeczywiste układy wymiany ciepła różnią się od ich teoretycznych modeli.
Oczywistą zaletą użycia prezentowanego tu rodzaju sterowania jest wprowadzanie korekcji, zanim równowaga procesu zostanie zachwiana. Wadę stanowi wysoki koszt budowy układu, ponieważ każda wartość musi zostać zmierzona, zwiększając tym samym ilość potrzebnego sprzętu i powiązanej z nim pracy inżyniera.
W dodatku zaadaptowanie takiego sterowania wymaga większej wiedzy na temat procesu. Nie zawsze najlepszym rozwiązaniem jest poleganie tylko na układzie z pętlą sprzężenia w przód, bez pomiaru zmiennej kontrolowanej.
<—newpage—>Podejście zintegrowane
Rys. 7 przedstawia układ zintegrowany, wykorzystujący różne układy sterowania: ze sprzężeniem zwrotnym, sprzężeniem w przód oraz kaskadowym. Taka konfiguracja jest w stanie spełnić wymagania stawiane wymiennikom ciepła:
-> sterowanie z pętlą sprzężenia w przód skompensuje poważne zakłócenia w układzie;
-> kaskadowy układ sterujący będzie odpowiednio reagował na skoki ciśnienia pary i problemy związane z zaworem;
-> pętla sprzężenia zwrotnego skoryguje wszystkie inne zakłócenia.
Integracja wszystkich trzech technik sterowania w celu optymalizacji kontroli temperatury wymiennika ciepła jest niezbędna do zapewnienia niezmienności procesu, zwiększenia jakości produktu oraz zapewnienia sprawności energetycznej całego procesu w zastosowaniach petrochemicznych.
Autor: Shady Yehia jest założycielem i autorem The Control Blog (thecontrolblog.com), specjalistą od oprzyrządowania, sterowania i automatyzacji, menedżerem w katarskiej firmie zajmującej się integracją technologii procesu, działającej na obszarze Europy, Bliskiego Wschodu i Afryki.
Tekst pochodzi z dodatku "ENERGIA 2016". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.