基于模糊自整定的電伴加熱裝置應(yīng)用

引言

在鈾濃縮供取料廠(chǎng)房中,為了確保氣態(tài)工作介質(zhì)在輸送過(guò)程中不發(fā)生相變,防止物料在輸送管道、閥門(mén)等處發(fā)生冷凝,需要為工作壓力高于環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓力的工藝管段敷設(shè)電伴加熱帶及其保溫層。

目前,供取料廠(chǎng)房使用的溫度控制設(shè)備基于PID控制,由于工藝工況對(duì)工作介質(zhì)流量要求的變化,電伴加熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化,需要對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定,而常規(guī)PID參數(shù)的整定較為煩瑣,給工藝參數(shù)的控制帶來(lái)了困難,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了威脅,因此必須加以研究和優(yōu)化。

1電伴加熱裝置

電伴加熱系統(tǒng)由電伴加熱帶和加熱控制系統(tǒng)兩部分組成,主要包括電伴加熱帶、溫度傳感器、DCS控制設(shè)備、輸出模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在需要進(jìn)行電伴加熱的管道和工藝設(shè)備表面采用平行或纏繞的方式進(jìn)行電伴加熱帶的敷設(shè),按照工藝要求的測(cè)點(diǎn)安裝Pt100溫度傳感器,最外層敷設(shè)一層橡塑海綿進(jìn)行保溫。由現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)柜、DCS控制站構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)電伴加熱帶的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)和超溫報(bào)警保護(hù)等功能。

在電伴加熱帶進(jìn)行加熱前,首先應(yīng)估算所敷設(shè)管道處散熱量,由于工藝工況要求,需根據(jù)電伴加熱所在管線(xiàn)的管道直徑、內(nèi)表面溫度、介質(zhì)溫度、保溫層厚度等參數(shù),計(jì)算所需電伴加熱單位長(zhǎng)度的額定功率及電伴加熱帶長(zhǎng)度等。供取料廠(chǎng)房的工藝管道電伴加熱主要使用自限溫電伴加熱帶,額定溫度105℃,采用厚度為20mm的橡塑海綿作為保溫材料。根據(jù)工藝要求,管道外表面溫度需維持在(70士3)℃,而供取料系統(tǒng)凈化設(shè)備內(nèi)管道所處的環(huán)境溫度約為-20℃,因此要使用溫度控制器,通過(guò)調(diào)節(jié)電伴加熱帶加熱功率來(lái)控制工藝管道的電伴加熱溫度。參考《電伴加熱設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)》對(duì)散熱量進(jìn)行估算,從而確定使用電伴加熱帶的額定功率、防爆等級(jí)等參數(shù)。

1.1計(jì)算管道散熱損失

由《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50264一2013)所列散熱量計(jì)算公式可知,所敷設(shè)工藝管線(xiàn)處的散熱量為:

式中:Q為單溫保溫層外表面積的散熱量(w/m2):g為單溫管道長(zhǎng)度的散熱量(w/m):T0為工藝管線(xiàn)表面溫度(℃):Ta為廠(chǎng)房環(huán)境溫度(℃):D0為工藝管道外徑(m):D1為敷設(shè)保溫層后的管道外徑(m):入為管道平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)[w/(m·℃)],取入=0.031:a為保溫層表面散熱系數(shù)[w/(m2·℃)]。

1.2連接管散熱損失量

取a=27.23w/(m2·℃),將各數(shù)據(jù)代入公式(1)(2)中得到散熱量。由于設(shè)備所處環(huán)境為密閉低溫環(huán)境,制冷設(shè)備循環(huán)風(fēng)機(jī)、低溫等因素對(duì)電伴加熱的保溫效果有很大影響,在所得理論散熱量基礎(chǔ)上附加一值為1.2的保險(xiǎn)系數(shù),即將所得理論散熱量乘以保險(xiǎn)系數(shù),作為管道散熱量:g'=1.2g=24.94w/m。

由此確定使用額定功率為25w/m的自限溫電伴加熱帶。

1.3電伴加熱帶長(zhǎng)度估算

大多數(shù)情況下,電伴加熱帶長(zhǎng)度為敷設(shè)處工藝管道長(zhǎng)度的1.1倍,每增加一個(gè)附件,需要增加1m電伴加熱帶。溫度不能滿(mǎn)足要求時(shí),采用螺旋纏繞的方式,適當(dāng)增加電伴加熱長(zhǎng)度,保證敷設(shè)功率滿(mǎn)足散熱量要求。

2電伴加熱的運(yùn)行

供取料廠(chǎng)房使用的電伴加熱主要用于防止物料冷凝。正常工況下,工藝管道的工作介質(zhì)流量保持穩(wěn)定,廠(chǎng)房溫度、氣壓、對(duì)流等控制嚴(yán)格,電伴加熱系統(tǒng)熱傳導(dǎo)近似處于一階穩(wěn)態(tài)。特殊的情況,如本文所述的供取料廠(chǎng)房供料系統(tǒng)凈化操作期間,由于工藝管道內(nèi)部的工作介質(zhì)流量驟然增加,處于低溫狀態(tài)的工作介質(zhì)流過(guò)敷設(shè)有電伴加熱的管道時(shí),會(huì)從工藝管道吸收大量熱量,使得電伴加熱溫度快速降低。而由于電伴加熱控制參數(shù)設(shè)置不合理,在溫度擾動(dòng)下,電伴加熱溫度往往會(huì)超出運(yùn)行安全限值,控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大超調(diào)等情況。

本文對(duì)鈾濃縮廠(chǎng)房供料凈化操作期間的工藝管線(xiàn)進(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn),記錄電伴加熱帶的溫度和管道內(nèi)工作介質(zhì)的壓力變化情況,如圖1所示。

從圖1可以看出,每次凈化時(shí),隨著供料凈化操作開(kāi)始,工藝管道內(nèi)的工作介質(zhì)壓力上升,流量增大,介質(zhì)吸熱使得溫度快速下降,下降值在10C左右。而隨著壓力下降至正常值,溫度逐漸恢復(fù)。整個(gè)過(guò)程呈現(xiàn)出降溫快、升溫緩慢、存在溫度超調(diào)的特點(diǎn),溫度波動(dòng)的范圍超出了供取料廠(chǎng)房電伴加熱溫度控制偏差為±℃3的限值。

3模糊自整定PID控制裝置的應(yīng)用

導(dǎo)致上述溫度控制超調(diào)大、響應(yīng)不及時(shí)等缺點(diǎn)的主要原因是電伴加熱控制參數(shù)設(shè)置不合理。常規(guī)的解決方式是對(duì)℃ID控制參數(shù)進(jìn)行人工整定,而整定過(guò)程較為煩瑣,且根據(jù)工藝工況的不同,會(huì)產(chǎn)生較大差異,使得溫度控制參數(shù)的整定頻次增加,給工藝參數(shù)的控制帶來(lái)困難,同時(shí)對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅。因此,根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則,對(duì)控制器P、I、D三個(gè)控制參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化,使系統(tǒng)應(yīng)對(duì)環(huán)境擾動(dòng)和自身干擾的性能增強(qiáng),從而達(dá)到滿(mǎn)意的控制效果。

伴熱溫度的提升是依靠電伴加熱帶輸出,降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻,在進(jìn)行臨時(shí)電伴加熱敷設(shè)時(shí),由于伴熱設(shè)備的復(fù)雜性和環(huán)境因素如溫度、對(duì)流、保溫等因素的多變性,想要精準(zhǔn)地建立數(shù)學(xué)模型就比較困難,因此采用一組固定的P、I、D控制參數(shù)進(jìn)行電伴加熱溫度控制,在存在較大干擾因素時(shí),實(shí)際溫度不易達(dá)到設(shè)定值要求范圍,需要根據(jù)偏差情況進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化。

采用模糊自整定算法的加熱控制器主要由兩部分組成,即常規(guī)控制器、℃ID優(yōu)化控制算法,從而實(shí)現(xiàn)基于設(shè)定溫度和實(shí)際溫度偏差的P、I、D參數(shù)優(yōu)化[℃]。在運(yùn)行中通過(guò)不斷檢測(cè)實(shí)際溫度和溫度變化率,根據(jù)模糊自整定程序?qū)θ齻€(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到一組控制效果達(dá)到優(yōu)化條件的參數(shù),使電伴加熱溫度滿(mǎn)足控制要求,提升抗擾動(dòng)性能。下面對(duì)控制器采用了模糊自整定℃ID算法,其基本模式為兩輸入、三輸出,通過(guò)控制器對(duì)

溫度及其變化量進(jìn)行采樣,進(jìn)行模糊推理后,進(jìn)行參數(shù)自整定。

4模糊自整定控制下的自限溫電伴加熱裝置應(yīng)用

如上文所述,采用模糊自整定℃ID控制的電伴加熱系統(tǒng)具有控制在線(xiàn)整定、精度高、超調(diào)小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),因此本文對(duì)該裝置進(jìn)行了試運(yùn)行。

4.1模糊自整定控制器優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

模糊自整定℃ID控制器在溫度控制方面具有在線(xiàn)℃ID參數(shù)整定功能,其控制過(guò)程無(wú)超調(diào),應(yīng)用技術(shù)成熟,安全可靠。本文所應(yīng)用的控制器采用專(zhuān)用微處理器調(diào)節(jié)儀表、開(kāi)關(guān)電源和表面貼裝技術(shù)(SMT),因此具有小巧、可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)智能控制功能和自整定功能,操作者可以通過(guò)簡(jiǎn)單的操作獲得良好的參數(shù)整定效果。

裝置主要功能特點(diǎn):(1)可支持熱電偶、熱電阻、模擬量等多種信號(hào)自由輸入,量程自由設(shè)置:(2)軟件調(diào)零調(diào)滿(mǎn)度,冷端單獨(dú)測(cè)溫,放大器自穩(wěn)零,顯示精度優(yōu)于0.5%FS:(℃)采用模糊自整定℃ID方法,實(shí)現(xiàn)℃ID控制參數(shù)在線(xiàn)整定,與傳統(tǒng)℃ID控制相比,具有控溫迅速、響應(yīng)快、超調(diào)小、精度高等特點(diǎn)。

控制器通過(guò)比較溫度探頭測(cè)量值和設(shè)定值得到偏差以及該偏差的變化速率,根據(jù)PID控制參數(shù),將運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器,控制電伴加熱帶輸出接通和斷開(kāi),從而控制電伴加熱帶的輸出功率調(diào)節(jié),以控制加熱溫度。在凈化操作過(guò)程中,由于工藝工況發(fā)生變化,或由于環(huán)境溫度變化、保溫層老化導(dǎo)致保溫性能下降等因素,電伴加熱溫度控制特性會(huì)發(fā)生較大變化,原有的PID控制參數(shù)不能達(dá)到最優(yōu)的控制效果,使得溫度控制超調(diào)增加,溫度控制穩(wěn)定性變差,管道溫度低于控制限值,容易發(fā)生物料在工藝管道處冷凝的問(wèn)題,阻塞工藝管道,給系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)安全威脅。此時(shí),基于模糊控制規(guī)則,可以通過(guò)對(duì)模糊控制器的PID控制參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)優(yōu)化,得到一組優(yōu)化后的控制參數(shù),使得控制系統(tǒng)回歸最佳控制效果。

4.2模糊自整定控制器加熱實(shí)驗(yàn)

本文使用模糊自整定PID控制器,對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)整定,在與上文同樣工況下進(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn)。

使用常規(guī)PID控制參數(shù)作為對(duì)照組,P、I、D三個(gè)控制參數(shù)分別為35%、180S、100S,先在對(duì)照組參數(shù)下進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn),記錄溫度變化。在同等初始條件下,對(duì)P、I、D三個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并將優(yōu)化后的參數(shù)作為新的控制參數(shù),再次進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn),優(yōu)化后的P、I、D參數(shù)分別為40%、249S、62S。圖2為實(shí)驗(yàn)期間模糊PID控制方式下,供料凈化操作時(shí)溫度與壓力的變化情況。

從圖2中可以看出,在與上文同等工況下,通過(guò)模糊PID控制器進(jìn)行在線(xiàn)整定后,控制性能明顯提升。隨著工作介質(zhì)壓力的增加,電伴加熱系統(tǒng)溫度下降在3℃以?xún)?nèi)。當(dāng)供料凈化操作結(jié)束,工作介質(zhì)壓力恢復(fù)至正常值時(shí),電伴加熱溫度能夠迅速穩(wěn)定至(控制值±3)℃。溫度控制響應(yīng)迅速,基本做到了無(wú)超調(diào),反映出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5結(jié)論

綜上所述,通過(guò)使用模糊自整定PID控制器,電伴加熱系統(tǒng)能夠在保證運(yùn)行時(shí)伴熱溫度要求的同時(shí),提高運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)溫度維持穩(wěn)定,滿(mǎn)足運(yùn)行需求。運(yùn)行期間溫度滿(mǎn)足(70±3)℃的運(yùn)行要求。

(2)參數(shù)在線(xiàn)整定,提高控制精度。采用模糊自整定PID控制器,在敷設(shè)好電伴加熱帶后,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)參數(shù)整定,可以提高溫度控制精度,系統(tǒng)無(wú)超調(diào),動(dòng)態(tài)性能穩(wěn)定。