導(dǎo)熱油加熱控制系統(tǒng)的研究與改進(jìn)

劉文科 譚 娜 張俊華

（萬華化學(xué)（寧波）有限公司，浙江 寧波 315812）

化工行業(yè)在生產(chǎn)工程中經(jīng)常需要穩(wěn)定的高溫?zé)嵩?，傳統(tǒng)熱源大多以蒸汽加熱方式為主。由于水蒸氣在其產(chǎn)生、傳送、熱交換過程中存在著嚴(yán)重的能量流失現(xiàn)象，蒸汽加熱逐漸被導(dǎo)熱油加熱所取代。導(dǎo)熱油加熱器由于能在較低的運(yùn)行壓力下獲得較高的工作溫度，降低了用熱設(shè)備的受壓等級(jí)，可提高系統(tǒng)的安全性。導(dǎo)熱油有良好的導(dǎo)熱性能，在傳熱過程中熱量損失較小，節(jié)能效果顯著。電加熱系統(tǒng)為油加熱器的核心，其控制方式大多為DCS 輸出4～20mA 信號(hào)控制可控硅，為開環(huán)控制，控制精度不高，容易振蕩。本文介紹的系統(tǒng)為萬華化學(xué)（寧波）有限公司的一套廢水裂解加熱系統(tǒng)，連鎖及控制均由PLC 完成，采用閉環(huán)控制，精度高且不會(huì)振蕩超調(diào)。

1 系統(tǒng)流程及原理

導(dǎo)熱油加熱控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功率1350kW，加熱器內(nèi)部采用集束式管狀電熱元件，每支電熱管4.68kW，加熱介質(zhì)為Therminol66 導(dǎo)熱油，設(shè)定加熱溫度為305℃。

本系統(tǒng)流程（見圖1），圖中實(shí)線部分是正常加熱過程中導(dǎo)熱油循環(huán)的路線，導(dǎo)熱油經(jīng)由加熱器—換熱器—冷凝器—導(dǎo)熱油泵形成循環(huán)，導(dǎo)熱油泵提供動(dòng)力將導(dǎo)熱油打循環(huán)；圖中最外層虛線是導(dǎo)熱油量不足或者過多時(shí)的路線，當(dāng)導(dǎo)熱油量不足時(shí)，齒輪泵啟動(dòng)，將低位槽中的導(dǎo)熱油打入油氣分離器，送入系統(tǒng)從而保持系統(tǒng)油量充足。

圖1

導(dǎo)熱油加熱器自身的一些控制特性對(duì)快速升溫、精確控溫帶來困難，如滯后慣性大，從低溫開始加熱時(shí)，離目標(biāo)溫度較遠(yuǎn)，溫升相對(duì)緩慢，具有較大的慣性環(huán)節(jié)。冷卻過程完全依靠自然冷卻，升溫與降溫過程表現(xiàn)出截然不同的動(dòng)態(tài)特性，一旦出現(xiàn)溫度超調(diào)，即使完全切斷電源，降溫時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)。根據(jù)油加熱器的特性，溫度調(diào)節(jié)算法采用PID 算法，對(duì)自身存在的加熱時(shí)間長(zhǎng)、震蕩和超調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使出口油溫滿足工藝要求。

2 數(shù)學(xué)模型的建立和仿真

2.1 電加熱器的數(shù)學(xué)模型

電加熱器的模型是由熱力學(xué)知識(shí)推導(dǎo)而得

式中，u為電加熱管兩端的電壓；M為電熱管的質(zhì)量；C為電熱管的比熱容；H為傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；T0為加熱器內(nèi)初始溫度；T1為加熱器內(nèi)測(cè)量溫度；Qi為電熱管單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

在零初始條件下，對(duì)微分方程兩邊進(jìn)行拉普拉斯變換即可得加熱器內(nèi)變化量對(duì)控制電壓變化量之間的加熱器（被控對(duì)象）傳遞函數(shù)為

查閱設(shè)計(jì)圖紙：電壓u=380V，傳熱系數(shù)H=0.97，發(fā)熱量為1.83W/cm2，單支加熱管功率為1350kW/ 288=4687W，每組加熱器有24 根加熱管，從而面積A=4687/1.83=0.2561m2。

電熱管的CMΔT可等效為導(dǎo)熱油的CMΔT，導(dǎo)熱油從300℃加熱到305℃需要10min，此過程由四組固定級(jí)和兩組可調(diào)級(jí)加熱，加熱過程中可控硅輸出電壓變化4.8V，由公式

為方便計(jì)算，取增益K=100，則加熱器的傳遞函數(shù)則為

2.2 可控硅的數(shù)學(xué)模型

本系統(tǒng)中可控硅控制方式為相位控制，控制其導(dǎo)通角使可控硅主回路產(chǎn)生正弦全波的部分波形，在控制系統(tǒng)中可看成一階慣性環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)應(yīng)用的是臺(tái)灣樺特的W5TP4V230-24J 電力調(diào)整器，緩沖上升時(shí)間可在1～22s 調(diào)節(jié)，晶閘管的觸發(fā)時(shí)間為毫秒級(jí)和緩沖上升時(shí)間相比可以忽略，因此可控硅的時(shí)間常數(shù)可看成緩沖上升時(shí)間為3S，故其傳遞函數(shù)可寫成：

2.3 Matlab 仿真

未加PID 校正時(shí)的系統(tǒng)如圖2、圖3所示。

圖2 無PID

圖3 無PID--階躍響應(yīng)

可見未加PID 校正時(shí)，系統(tǒng)有1.4 倍的超調(diào)，會(huì)震蕩，而且調(diào)整時(shí)間比較長(zhǎng)。根據(jù)數(shù)學(xué)建模，增加了PID 控制參數(shù)，按工程經(jīng)驗(yàn)整定法整定的參數(shù)為Kp=15、Ti=0.3min、Td=0.1min，校正后的系統(tǒng)圖如圖4、圖5所示。

圖4

圖5 增加PID 校正—階躍響應(yīng)

可見增加PID 調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)不會(huì)由超調(diào)，溫度不會(huì)超過設(shè)定值，且調(diào)整時(shí)間縮短了很多，曲線完全可以滿足工藝要求。

3 升溫程序分析及優(yōu)化

3.1 原升溫程序

升溫程序分自動(dòng)升溫與手動(dòng)升溫。

自動(dòng)升溫，即時(shí)間階梯升溫，以單位時(shí)間為間隔進(jìn)行升溫：

1）升溫過程中的溫度增加間隔為1min，產(chǎn)生持續(xù)30s 高電平30s 低電平的方波脈沖。

2）加熱期間共需要升溫的次數(shù)：升溫時(shí)間(h)*60/脈沖周期=脈沖總數(shù)；每次升溫要升高的溫度：（設(shè)定溫度-實(shí)際溫度）/脈沖總數(shù)。

3）在每個(gè)脈沖的上升沿，每次升溫要升高的溫度+上次PID 設(shè)定溫度值=本次PID 設(shè)定溫度值，起動(dòng)PID 加熱程序，同時(shí)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的脈沖數(shù)量。

4）脈沖數(shù)量達(dá)到脈沖總數(shù)時(shí)，停止自動(dòng)升溫，將DCS 設(shè)定值直接裝入PID 程序，起動(dòng)手動(dòng)加熱程序。

加熱過程中PID 僅能調(diào)節(jié)兩組可調(diào)級(jí)，需要和另外10 組固定加熱級(jí)配合完成升溫過程：

1）PID 輸出數(shù)值范圍為6400～32000，對(duì)應(yīng)AO口模擬量信號(hào)為4～20mA。

2）當(dāng)PID 輸出值>31500(19.68mA)，且實(shí)際溫度<（設(shè)定溫度-固定級(jí)調(diào)節(jié)負(fù)偏差）時(shí)，依次啟動(dòng)固定級(jí)加熱。

3）當(dāng)PID 輸出值<6500(4.06mA)，且實(shí)際溫度>（設(shè)定溫度+固定級(jí)調(diào)節(jié)正偏差）時(shí)，依次關(guān)閉固定級(jí)。

3.2 升溫程序優(yōu)化

本系統(tǒng)原自動(dòng)升溫程序采用的是時(shí)間階梯升溫，變量主要為設(shè)定加熱時(shí)間，目前的自動(dòng)升溫過程對(duì)時(shí)間較為敏感，若時(shí)間設(shè)定過短，可能引起系統(tǒng)震蕩，故加熱時(shí)間一般不能小于5h，不能發(fā)揮加熱器的性能，而且不便于直接對(duì)溫度進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)停車時(shí)間較短，恢復(fù)加熱時(shí)的初始溫度在150℃左右，按原程序升溫，則還需5h，考慮該系統(tǒng)特性，將自動(dòng)升溫程序由原來的時(shí)間階梯升溫，改為溫度階梯升溫，以3℃為單位，在當(dāng)前導(dǎo)熱油溫度下依次升溫，直接對(duì)溫度進(jìn)行控制，既可以節(jié)省時(shí)間降低能耗，又便于控制。

改進(jìn)后的程序具體流程如圖6所示。

圖6 流程圖

1）升溫程序開始前將PID 溫度設(shè)定值設(shè)置為實(shí)際溫度值。

2）升溫開始：①先求出偏差=設(shè)定值-實(shí)際值；②計(jì)算總升溫次數(shù)=偏差÷3；③將升溫次數(shù)整形值換成實(shí)數(shù)值。

3）當(dāng)實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度，保持30S 穩(wěn)定，并且升溫次數(shù)<總升溫次數(shù)，將設(shè)定溫度再提高3℃，依次循環(huán)。

4）當(dāng)離設(shè)定溫度5℃，或加熱次數(shù)達(dá)到總升溫次數(shù)，結(jié)束自動(dòng)升溫，將設(shè)定溫度直接裝入PID 溫度設(shè)定，啟動(dòng)手動(dòng)升溫程序。

4 結(jié)論

本文介紹了基于PLC 的1350kW 防爆導(dǎo)熱油加熱控制系統(tǒng)，通過對(duì)導(dǎo)熱油系統(tǒng)建模，優(yōu)化PDI 參數(shù)，分析了基于PID 理論的溫度控制算法，并提出一種可靠高效的升溫算法，相比于傳統(tǒng)的升溫過程，具有升溫效率高、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的優(yōu)越性。

系統(tǒng)通過熱電偶檢測(cè)加熱器出口溫度，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送給PLC 構(gòu)成閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)加熱精確可調(diào)。其中以S7-200 為核心部件，外加數(shù)字量模擬量擴(kuò)展模塊、電力調(diào)整器SCR 等，并通過觸摸屏界面顯示。PLC 輸出的4～20mA 信號(hào)控制SCR 輸出電壓，從而調(diào)整加熱功率，達(dá)到精確控制的要求。

本系統(tǒng)既可以對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示又可以對(duì)設(shè)定溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到工藝需要的溫度，并使其恒定在設(shè)定溫度。建立在PID 理論上的控制算法，使控制精度完全能滿足系統(tǒng)的要求。實(shí)驗(yàn)證明該溫控系統(tǒng)能達(dá)到0.4℃的靜態(tài)誤差,0.5℃的控制精度，因而本設(shè)計(jì)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

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