崔國(guó)民  杜娟麗 盧洪波 李美玲  張勤
（1.上海理工大學(xué)熱工程研究所432信箱，上海200093; 2.東北電力學(xué)院動(dòng)力系，吉林吉林132012）
作者簡(jiǎn)介:崔國(guó)民（1969--），男，吉林雙遼人，教授，從事能源系統(tǒng)優(yōu)化和控制、數(shù)值傳熱及工業(yè)目動(dòng)化控制研究.
1前言
    任何一臺(tái)換熱器都是針對(duì)其特定工況設(shè)計(jì)和制造的，因此，保證設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的性是其zui基本的要求。但是，任何的工業(yè)過(guò)程都是一定范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，*靜止于設(shè)計(jì)工況的情況是十分罕見(jiàn)的。那么，當(dāng)實(shí)際的工況在設(shè)計(jì)工況附近發(fā)生長(zhǎng)期或者短時(shí)間的偏離后，換熱器的性能會(huì)發(fā)生怎樣的變化?流體出口的工藝參數(shù)是否會(huì)產(chǎn)生的大的偏離?這些都是在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常遇到和需要解決的問(wèn)題。
    另一方面，換熱器的設(shè)計(jì)是決定其投資和運(yùn)行費(fèi)用以及保證生產(chǎn)工藝的zui重要環(huán)節(jié)之一，好的設(shè)計(jì)方案直接決定了其投資和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，因此，關(guān)于換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)尸直是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)外許多大公司都相繼推出了自己的換熱器設(shè)計(jì)軟件.鑒于此，本文在分析現(xiàn)有換熱器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析換熱器自身的柔性，提出了基于變工況的柔性設(shè)計(jì)思想，旨在融合換熱器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，為換熱器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種新的思路。
2換熱器的柔性
    當(dāng)給換熱器提供穩(wěn)定的工況參數(shù)后，換熱器將進(jìn)入一種運(yùn)行的平衡狀態(tài)一一穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其各種參數(shù)及自身狀態(tài)都處于平衡，不再隨時(shí)間變化。但是，當(dāng)有外來(lái)作用使其偏離穩(wěn)態(tài)工況后，如果沒(méi)有外界的作用，系統(tǒng)將不能恢復(fù)到原來(lái)的工況的平衡點(diǎn)，換熱器將以偏離工況點(diǎn)和新的出口參數(shù)建立一種新的平衡。據(jù)此，我們分析當(dāng)工況發(fā)生偏離后換熱器性能和出口參數(shù)偏差的變化情況。
    當(dāng)換熱器到達(dá)一個(gè)新的平衡狀態(tài)，其性能和出口參數(shù)都將發(fā)生變化?？紤]到換熱器針對(duì)于設(shè)計(jì)工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在小范圍內(nèi)，我們認(rèn)為其性能處于*，該范圍的大小由優(yōu)化設(shè)計(jì)方法決定。那么，這個(gè)小范圍內(nèi)，能近似地認(rèn)為換熱器性能和出口參數(shù)的變化關(guān)系具有圖1的形狀，即:當(dāng)換熱器偏離原設(shè)計(jì)工況后，其性能將降低、出口參數(shù)偏差將增大。
 
    對(duì)于不同換熱器來(lái)說(shuō)，出口參數(shù)偏差隨著工況變動(dòng)的變化是不一樣的，如圖1所示.圖l（a）的情形表明，當(dāng)偏離很大時(shí)，換熱器性能和出口參數(shù)偏差仍然能夠維持在設(shè)計(jì)工況附近，可以認(rèn)為沒(méi)有發(fā)生變化;而圖1（b）的情形則正好相反，很小的工況偏離就能造成很大的性能和出口參數(shù)偏差變化，即（a）的虛線范圍（參數(shù)近似不變區(qū)間）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（b）。根據(jù)這一通用特性，我們定義換熱器柔性的概念:
    （l）換熱器在偏離設(shè)計(jì)工況或其他穩(wěn)態(tài)工況后，能夠維持原有性能參數(shù)的能力叫做換熱器的柔性;
    （2）當(dāng)工況發(fā)生偏離后，換熱器的性能能夠基本維持不變的工況區(qū)間，稱為柔性區(qū)間;
    （a）柔性區(qū)間的大小反映了換熱器柔性的大小.
    從這些定義可以看出，所謂的換熱器柔性就是指換熱器的變工況或者偏離設(shè)計(jì)工況的能力。因此，我們可以應(yīng)用換熱器柔性的概念來(lái)衡量一個(gè)換熱器的變工況適應(yīng)能力，并且作為換熱器設(shè)計(jì)的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。
3換熱器柔性分析
    如前所述，分析換熱器柔性的目的是為了提高換熱器自身適應(yīng)工況變動(dòng)的能力，并用其指導(dǎo)換熱器的設(shè)計(jì)。因此，本文主要從換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)等方面研究其柔性特性，即這些參數(shù)對(duì)柔性大小的影響。
    以換熱器目標(biāo)流體的出口溫度作為衡量偏離工況的指標(biāo)，即作為柔性參數(shù)，分別討論在不同入口參數(shù)偏離條件下的柔性區(qū)間大小，由于偏離可以來(lái)自于不同的入口參數(shù)的單獨(dú)作用，也可以來(lái)自于多個(gè)入口參數(shù)的同時(shí)作用，這樣就會(huì)得到分別作用下和聯(lián)合作用下的多變量空間，稱這個(gè)空間為換熱器的柔性空間。對(duì)表1所示5通道換熱器及其流體參數(shù)進(jìn)行分析。
    根據(jù)工藝要求，柔性參考指標(biāo)取為0.1℃，可以分別獲得換熱器單獨(dú)入口參數(shù)作用下的柔性區(qū)間，如表2所示。從表中可以看出，當(dāng)其他參數(shù)不發(fā)生變化時(shí)，任何一個(gè)入口參數(shù)都將存在一個(gè)可以上下波動(dòng)的區(qū)間，該參數(shù)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的任何變化不會(huì)對(duì)目標(biāo)流體的出口參數(shù)產(chǎn)生大的影響，即不會(huì)使目標(biāo)流體出口參數(shù)超出工藝要求范圍，因此該區(qū)間即為變化參數(shù)單獨(dú)作用的柔性區(qū)間。另外，對(duì)于不同的入口參數(shù)，其允許變化的區(qū)間有很大的不同，一般來(lái)說(shuō)，輔助流體的柔性區(qū)間總是大于目標(biāo)流體，而溫度的柔性區(qū)間總是小于流量。因此為了保證目標(biāo)流體的工藝條件，對(duì)輔助流體的要求可以適當(dāng)放寬一些，目標(biāo)流體則要求較高;而對(duì)流量的要求低于溫度的要求。
 
    上面是對(duì)單一入口參數(shù)變化所進(jìn)行的柔性分析，但是，換熱器的所有參數(shù)總是同時(shí)在波動(dòng)的，并且參數(shù)之間存在強(qiáng)烈的禍合作用，因此，多參數(shù)聯(lián)合作用而產(chǎn)生的換熱器柔性區(qū)域并不能通過(guò)單一參數(shù)作用柔性區(qū)間的簡(jiǎn)單合成得到，而是要充分考慮參數(shù)間的相互作用。另外，由不同數(shù)目入口參數(shù)而產(chǎn)生的柔性區(qū)域圖形也是不同的，對(duì)于單參數(shù)是線區(qū)間，雙參數(shù)則是面區(qū)域，而三參數(shù)及以上則得到三維柔性空間或多維柔性空間。為了簡(jiǎn)化，認(rèn)為柔性區(qū)間內(nèi)的換熱器特性是線性的，符合疊加原理，則可作圖2和圖3所示的入口流量和入口溫度柔性平面.


    從圖2和圖3可以看出，在雙參數(shù)聯(lián)合作用下，柔性區(qū)間形成一個(gè)狹長(zhǎng)的平面帶狀區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，由于流體的相互作用，使得兩參數(shù)同時(shí)增加或減小的柔性區(qū)域縮小，而兩參數(shù)出現(xiàn)增加和減小匹配情況時(shí)，柔性區(qū)間顯著增大，即可以沿著該趨勢(shì)一直延伸下去，這主要是流體參數(shù)正變化的作用與另一參數(shù)負(fù)變化相抵消的結(jié)果，這就使得內(nèi).柔性分布平面上產(chǎn)生二、四象限區(qū)域增大，而一、三象限區(qū)域減小。然而，實(shí)際的工況盡管存在波動(dòng)，但是，其總是在一定參數(shù)范圍內(nèi)變化的，因此該范圍給出了實(shí)際的柔性空間圖形區(qū)域。因此，在換熱器運(yùn)行中，多參數(shù)產(chǎn)生的同方向小的變化所造成的出口參數(shù)偏差也將大于單參數(shù)大的變化，這是運(yùn)行中更需要注意的問(wèn)題?？傊?，多參數(shù)共同變化的柔性空間內(nèi)，換熱器的目標(biāo)流體溫度將不會(huì)偏離工藝要求，因此說(shuō)在此區(qū)間內(nèi)換熱器具有柔性，工況的偏離可以通過(guò)換熱器自身的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)。
4換熱器柔性對(duì)其設(shè)計(jì)的指導(dǎo)
    根據(jù)前文分析，當(dāng)以兩個(gè)參數(shù)對(duì)換熱器進(jìn)行柔性分析時(shí)，不管以換熱量還是目標(biāo)流體出口溫度，抑或是換熱器的換熱效率等參數(shù)作為柔性參考指標(biāo)，都能得到換熱器的一個(gè)柔性運(yùn)行工作帶，在此帶中的所有工況點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)大致相同的換熱效果。那么，如果換熱器所涉及的所有工況點(diǎn)都分布在該帶內(nèi)部，則在所有工況點(diǎn)中都能達(dá)到換熱要求。這樣，就不必?fù)?dān)心工況點(diǎn)變動(dòng)后換熱性能的惡化問(wèn)題，因此這是多工況點(diǎn)換熱器柔性設(shè)計(jì)的基本指導(dǎo)思想。但是，在實(shí)際中，由于工況點(diǎn)的分布不同，有時(shí)其參數(shù)變化很大，即工況點(diǎn)很分散，而任何一臺(tái)換熱器的柔性是有限的，我們不能通過(guò)針對(duì)任何一個(gè)工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)來(lái)將所有工況點(diǎn)全都包括進(jìn)入柔性運(yùn)行帶，因此，這就又給柔性多工況點(diǎn)設(shè)計(jì)提出了新的問(wèn)題。
4.1多工況點(diǎn)具有相同權(quán)重的虛擬工況點(diǎn)引入
    在實(shí)際運(yùn)行中，有時(shí)換熱器運(yùn)行的多個(gè)不同工況點(diǎn)具有同樣的重要性，即具有相同的權(quán)重，例如，四季交迭的工況點(diǎn)變遷就屬于這種情況.這時(shí)，我們不能忽視任何一個(gè)工況點(diǎn)的性能。這里，我們以兩參數(shù)變化來(lái)研究這種情況的柔性設(shè)計(jì)問(wèn)題.根據(jù)文的分析，針對(duì)任何一個(gè)工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)都可以得到一個(gè)以該點(diǎn)為中心的柔性工作帶，對(duì)于具有相同權(quán)重的工況情況，可以用下圖示出以不同工況點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的柔性工作帶分布情況。
    從圖4四季工況及其可能的柔性運(yùn)行空間分布圖可以看出，當(dāng)以任何一個(gè)工況作為原始設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，都不能使其柔性運(yùn)行空間包括所有的工況點(diǎn):春季工況點(diǎn)的柔性運(yùn)行空間只包含夏季，而將秋冬兩季排除在柔性空間以外;夏季的柔性運(yùn)行空間可以包含春冬兩季，但將秋季排除于柔性空間以外;秋季工況柔性空間只包括冬季，夏季則處于其柔性空間的外邊緣，而秋季則距之很遠(yuǎn);冬季的柔性運(yùn)行空間也只能包含春季一個(gè)工況點(diǎn)。雖然上圖只是一個(gè)示意性的，但其卻反映出一個(gè)換熱器設(shè)計(jì)中的本質(zhì)問(wèn)題，即以任何一個(gè)工況點(diǎn)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，都不能*兼顧所有工況，都會(huì)造成部分工況換熱性能惡化，否則只能以浪費(fèi)換熱面積來(lái)補(bǔ)償。
    鑒于此，我們提出了一個(gè)虛擬運(yùn)行工況的設(shè)計(jì)思想，即在眾多的運(yùn)行工況中間，建立一個(gè)假想的工況點(diǎn)，以此工況點(diǎn)作為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，使其柔性空間能夠包容所有工況點(diǎn).又由于該虛擬工況點(diǎn)只有界于所有工況點(diǎn)之中才能實(shí)現(xiàn)上述目的，因此，以該點(diǎn)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)不會(huì)造成大的換熱性能偏差.虛擬工況點(diǎn)設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

    圖5中，V所代表的工況點(diǎn)為引入的虛擬工況點(diǎn)。從圖中可以看出，虛擬工況點(diǎn)不屬于任何實(shí)際的運(yùn)行工況點(diǎn)，但是，通過(guò)比較圖4和圖5，可以看出，即虛擬工況點(diǎn)必須位于部分實(shí)際工況或全部實(shí)際工況的柔性運(yùn)行空間之內(nèi)，這樣才能保證基于虛擬工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)與針對(duì)實(shí)際工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)具有近似相同的換熱能力，也是選擇虛擬工況點(diǎn)必須遵循的一點(diǎn);另一方面，也可以看出，通過(guò)虛擬工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)，不能實(shí)現(xiàn)任何一個(gè)實(shí)際工況點(diǎn)的*化，但是，卻實(shí)現(xiàn)了所有工況點(diǎn)運(yùn)行性能同處于較優(yōu)水平，這樣就兼顧了所有實(shí)際工況。在這里，設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在所有工況點(diǎn)中間適當(dāng)位置確定虛擬工況點(diǎn)，然后再對(duì)虛擬工況點(diǎn)的柔性空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
4.2不同權(quán)重的主要運(yùn)行工況設(shè)計(jì)法
    與上節(jié)討論的問(wèn)題不同，有時(shí)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，雖然工況點(diǎn)很多，但是，換熱器在多數(shù)時(shí)間只是運(yùn)行于部分工況點(diǎn)處，其他工況點(diǎn)雖然也會(huì)涉及到，只是短時(shí)間和暫時(shí)的，例如，實(shí)際運(yùn)行中的負(fù)荷變動(dòng)過(guò)程、工藝調(diào)節(jié)過(guò)程以及其他的間歇過(guò)程都會(huì)出現(xiàn)這種情況。在這種情況下，如果一味地追求兼顧所有工況，那么就很可能造成主要工況性能變差，次要工況盡管性能得以保證，但是換熱器卻很少光顧，因此造成了無(wú)端的性能下降（如圖6所示），圖中，實(shí)心點(diǎn)是主要工況，空心點(diǎn)為次要工況。從圖中可以看出，盡管兼顧了所有工況點(diǎn)，但是虛擬工況點(diǎn)處于主要工況點(diǎn)一側(cè)，使得設(shè)計(jì)的換熱器性能將很大地偏離主要工況點(diǎn)的*值。
    鑒于此，這里提出了圍繞主要工況點(diǎn)的多點(diǎn)柔性設(shè)計(jì)方法，即:首先對(duì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析，找出主次工況點(diǎn)，使得主次工況點(diǎn)盡量處于同種權(quán)重（主次界限可以由實(shí)際情況具體分析），然后，采用前面的虛擬工況點(diǎn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)圖6所示的情況，可以得到圖7所示的設(shè)計(jì)方案。

    從圖7可以看出，采用圍繞主要運(yùn)行工況點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，雖然沒(méi)能把所有工況點(diǎn)全部包容入柔性工作區(qū)，但卻使虛擬工況點(diǎn)更接近實(shí)際的主要運(yùn)行工況點(diǎn)，因此將很大地提高主要工況點(diǎn)處的運(yùn)行性能，實(shí)現(xiàn)換熱器總體的運(yùn)行。
    總之，柔性設(shè)計(jì)的思想就是要求把設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行結(jié)合起來(lái)，用運(yùn)行來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從而得到具有運(yùn)行性能的設(shè)計(jì)方案。
5結(jié)論
    本文從運(yùn)行和調(diào)節(jié)的角度提出了換熱器柔性的概念，并對(duì)柔性空間及其對(duì)換熱器設(shè)計(jì)的指導(dǎo)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:換熱器的柔性直接關(guān)系到其實(shí)際運(yùn)行的變工況適應(yīng)能力，如果在設(shè)計(jì)換熱器的同時(shí)就將柔性考慮進(jìn)來(lái)，那么對(duì)于獲得性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的換熱器是極其有益的。
    在換熱器設(shè)計(jì)方面，考慮變工況運(yùn)行的柔性設(shè)計(jì)思想，分別對(duì)多工況點(diǎn)等權(quán)重設(shè)計(jì)條件和多工況點(diǎn)不等權(quán)重設(shè)計(jì)條件進(jìn)行了具體分析，并且相應(yīng)地提出了虛擬工況點(diǎn)設(shè)計(jì)方法和主要運(yùn)行工況點(diǎn)決定設(shè)計(jì)工況的方法。該文的柔性設(shè)計(jì)思想為換熱器的設(shè)計(jì)提出了一種新的思路和方法。
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