CN104976602B - 一种蒸汽加热器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽加热器控制方法，是在基于蒸汽加热器串级控制算法的基础上，将蒸汽源的输出压力作为前馈信号，具体步骤包括：(a)前馈建模：建立蒸汽源压力表征的蒸汽流量变化的模型；(b)过程建模：根据能量守恒与物流守恒方程进行机理建模，建立蒸汽量与工艺介质出口温度的数学模型；(c)初值给定；(d)数据采样；(e)参数整定。本发明在主调节器控制工艺介质的出口温度，保证工艺介质的温度要求，副调节器接受主调节器的校正信号和蒸汽阀门之后的蒸汽压力信号的同时，消除因为蒸汽压力的变化而产生的干扰，还能够立刻克服因蒸汽源压力的变动所产生的干扰，是一种能够对工艺介质所需的出口温度进行精确、有效的控制方法。

Description

一种蒸汽加热器控制方法

【技术领域】

本发明涉及加热器控制的技术领域，特别是蒸汽加热器自动控制的技术领域。

【背景技术】

蒸汽加热器的载热体是蒸汽，通过蒸汽冷凝释放热量来加热工艺介质，大部分的蒸汽加热器的控制方案是通过调节加热蒸汽流量来控制工艺介质的出口温度，该方法控制灵敏，但是要求冷凝液排出畅通以确保在加热器内的冷凝液量可以忽略不计。

在某些场合，当被加工工艺介质的出口温度较低时，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量大时，将冷凝量作为操作变量，通过调节蒸汽气相传热面积，以保持出口温度恒定。大多数情况下，当工艺介质较为稳定而且蒸汽源压力变化不大时，采用单回路控制就能满足要求；实际使用时，可根据传热设备滞后较大的特点，控制器采用微分信号以改善调节品质；否则，当工艺介质口流量波动较大或蒸汽源压力变化频繁时，单回路控制方案无法满足控制要求时，则引入前馈控制、串级控制等。

目前也有蒸汽加热器的控制方法，如CN201410635162换热器的控制方法及换热器，该控制方法是将换热器的壳程压力和管程压力之间的压力差值与承压阈值进行比较，根据比较结果调节管程压力，但是并不涉及到自动调节问题，是一种调整试验方法；如CN201310460534蒸汽加热器和该蒸汽加热器的控制方法，主要涉及的是蒸汽加热器的结构与工作方法，对于工艺介质所需要达到的温度控制并没有进行说明。本发明提出的一种蒸汽加热器控制方法，主要针对的是对被控的工艺介质的出口温度的自动调节，从而满足对下一生产过程对工艺介质的初始要求，进一步提高控制的精度和生产效率。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种蒸汽加热器控制方法，可以立刻消除因为蒸汽源压力的变化而产生的干扰作用，而且对工艺介质的输出形成闭合回路，把工艺介质的出口温度反馈给控制器，从而有效地提高过程系统的控制精度，并且易于实现计算机控制。

为实现上述目的，本发明提出了一种蒸汽加热器控制方法，是在基于蒸汽加热器串级控制算法的基础上，将蒸汽源的输出压力作为前馈信号，具体步骤包括：

(a)前馈建模：建立蒸汽源压力表征的蒸汽流量变化的模型，确定前馈控制的数学关系；

(b)过程建模：根据能量守恒与物流守恒方程进行机理建模，建立蒸汽量与工艺介质出口温度的数学表达式；

(c)初值给定：确定工艺介质出口温度的设定值θ_T0；

(d)数据采样：确定采样周期T，采样当前时刻蒸汽阀门前的蒸汽流量、阀门开度、蒸汽阀门后的蒸汽压力、主调节器和副调节器的控制参数；

(e)参数整定：根据工程整定方法，按照“先副环再主环”的原则，整定串级回路的参数。

作为优选，所述蒸汽阀门前的蒸汽流量信号，是根据蒸汽源压力变动的特性不同而不同，在前馈信号建模过程中具有一一对应的特点，具有唯一性。

作为优选，所述一种蒸汽加热器控制方法是在克服蒸汽阀门后的蒸汽压力的扰动下，进一步消除因为蒸汽源压力的变化而产生的干扰作用，是前馈—串级控制方法。

作为优选，所述整参数步骤是先将主调节器的比例带放在100％处，用“衰减曲线法”整定副回路，然后将副回路视为调节系统中的一部分，用同样的方法整定主回路。

本发明的有益效果：本发明通过蒸汽加热器串级控制和蒸汽源压力表征的蒸汽流量作为前馈信号，在主调节器控制工艺介质的出口温度，保证工艺介质的温度要求，副调节器接受主调节器的校正信号和蒸汽阀门之后的蒸汽压力信号的同时，消除因为蒸汽压力的变化而产生的干扰，还能够立刻克服因蒸汽源压力的变动所产生的干扰，是一种能够对工艺介质所需的出口温度进行精确、有效的控制方法，有利于计算机的实时控制与在线校正，对相关控制过程的具有推广意义。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明一种蒸汽加热器控制方法的前馈-串级控制系统方案；

图2是本发明一种蒸汽加热器控制方法的流程图。

【具体实施方式】

参阅图1、图2，本发明一种蒸汽加热器控制方法，具体步骤包括：

步骤一、建立蒸汽源压力表征的蒸汽流量变化的模型，确定前馈控制的数学关系；

步骤二、根据能量守恒与物流守恒方程进行机理建模，建立蒸汽量与工艺介质出口温度的数学表达式；

步骤三、确定工艺介质出口温度的设定值θ_T0；

步骤四、确定采样周期T，采样当前时刻蒸汽阀门前的蒸汽流量、阀门开度、蒸汽阀门后的蒸汽压力、主调节器和副调节器的控制参数；

步骤五、根据工程整定方法，按照“先副环再主环”的原则，整定串级回路的参数。

所述一种蒸汽加热器控制方法是在改进串级控制控制的基础上，考虑蒸汽源的波动，加入前馈信号，从而改善蒸汽加热器的控制效果。

步骤二中，热量平衡关系忽略热损失等次要因素，蒸汽释放出的热量等于工艺介质吸收的热量：

q＝G₂C₂(θ_2i-θ₂₀)＝G₁C₁(θ₁₀-θ_1i)

式中，q为传热速率(J/h)；G为质量流量(kg/h)；C为平均比热[J/(kg·K)]；θ为温度(K)；式中的下标：1为工艺介质，2为蒸汽，i为进口，o为出口。

传热速率关系式为：

q＝UA_mΔθ_m

式中，Δθ_m是平均温差，逆流、单程条件下是一个对数平均数。

当在1/3～3之间时，算术平均值可以表示为：

${\mathrm{\Δ\θ}}_m=\frac{({\mathrm{\θ}}_{20}-{\mathrm{\θ}}_{1i})+({\mathrm{\θ}}_{2i}-{\mathrm{\θ}}_{10})}{2}$

整理可得：

$\frac{{\mathrm{\θ}}_{10}-{\mathrm{\θ}}_{1i}}{{\mathrm{\θ}}_{2i}-{\mathrm{\θ}}_{20}}=\frac{1}{\frac{G_1{C}_1}{{\mathrm{UA}}_m}+\frac{1}{2}(1+\frac{G_1{C}_1}{G_2{C}_2})}$

所述蒸汽阀门前的蒸汽流量信号，是根据蒸汽源压力变动的特性等不同而不同，在前馈信号建模过程中具有一一对应的特点，具有唯一性；所述一种蒸汽加热器控制方法是在克服蒸汽阀门后的蒸汽压力的扰动下，进一步消除因为蒸汽源压力的变化而产生的干扰作用，是前馈—串级控制方法；所述整参数步骤是先将主调节器的比例带放在100％处，用“衰减曲线法”整定副回路，然后将副回路视为调节系统中的一部分，用同样的方法整定主回路。

本发明工作过程：

本发明通过蒸汽加热器PID串级控制和蒸汽源压力表征的蒸汽流量作为前馈信号，在主调节器控制工艺介质的出口温度，保证工艺介质的温度要求，副调节器接受主调节器的校正信号和蒸汽阀门之后的蒸汽压力信号的同时，消除因为蒸汽压力的变化而产生的干扰，还能够立刻克服因蒸汽源压力的变动所产生的干扰，是一种能够对工艺介质所需的出口温度进行精确、有效的控制方法，有利于计算机的实时控制与在线校正，对相关控制过程的具有推广意义。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种蒸汽加热器控制方法，是在基于蒸汽加热器串级控制算法的基础上，将蒸汽源的输出压力作为前馈信号，具体步骤包括：

(a)前馈建模：建立蒸汽源压力表征的蒸汽流量变化的模型，确定前馈控制的数学关系；

(b)过程建模：根据能量守恒与物流守恒方程进行机理建模，建立蒸汽量与工艺介质出口温度的数学表达式；

(c)初值给定：确定工艺介质出口温度的设定值θ_T0；

(d)数据采样：确定采样周期T，采样当前时刻蒸汽阀门前的蒸汽流量、阀门开度、蒸汽阀门后的蒸汽压力、主调节器和副调节器的控制参数；

(e)参数整定：根据工程整定方法，按照“先副环再主环”的原则，整定串级回路的参数。

2.如权利要求1所述的一种蒸汽加热器控制方法，其特征在于：(a)步骤中，所述蒸汽阀门前的蒸汽流量信号，是根据蒸汽源压力变动的特性不同而不同，在前馈信号建模过程中具有一一对应的特点，具有唯一性。

3.如权利要求1所述的一种蒸汽加热器控制方法，其特征在于：所述一种蒸汽加热器控制方法是在克服蒸汽阀门后的蒸汽压力的扰动下，进一步消除因为蒸汽源压力的变化而产生的干扰作用，是前馈—串级控制方法。

4.如权利要求1所述的一种蒸汽加热器控制方法，其特征在于：(e)步骤中，所述参数整定步骤是先将主调节器的比例带放在100％处，用“衰减曲线法”整定副回路，然后将副回路视为调节系统中的一部分，用同样的方法整定主回路。