CN110586639B - 一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统及其控制方法，伺服节能控制系统与加热井的天然气控制阀、用于探测加热井周围土壤实时土壤温度的第一温度传感器及用于探测加热井出口实际温度的第二温度传感器连接，系统包括随动计算单元和主燃烧控制单元，随动计算单元根据第一温度传感器检测得到的实时土壤温度T_s，通过计算得出所测加热井出口温度期望值T'_fo；主燃烧控制单元接收第二温度传感器检测到的加热井出口温度实际值T_fo以及随动计算单元输出的加热井出口温度期望值T'_fo，主燃烧控制单元依据加热井出口温度实际值与期望值的偏差输出天然气流量值u₁。经过随动计算单元的调节，可设置较低的加热井出口温度期望值，输出天然气流量较小，从而降低能耗，达到节能加热的目的。

Description

一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统及其控制方法，该控制系统可以根据土壤温度以及土壤升温速率实时调节天然气流量，实现节能加热的同时保证项目工期的要求。

背景技术

改革开放以来，我国经济快速发展，城市化进程不断推进，环境问题却接踵而至，大量污染物不经处理直接排放到土壤中，造成严重的土壤污染。根据全国首次土壤污染状况调查，我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出，可见在我国开展土壤修复工作的重要性和迫切性。同时由于土壤污染的严重性及其修复的高难度性，污染土壤修复已成为当今环境科学研究的热点和极具挑战性的领域。在众多土壤修复技术中，原位热脱附因其耗时短、可同时处理多种污染物、对不同土质具有较强适应性等优点得到快速发展和广泛应用。原位热脱附技术的主要机理是通过加热土壤至足够高的温度，使土壤中污染物挥发并与土壤介质相分离，再通过抽提装置对挥发的污染物进行抽提回收并处理。可见，温度是原位热脱附过程的一个重要影响因素，为了保证污染物的高去除率，必须使土壤达到一定温度。

根据能量源的不同，可以将原位热脱附中的加热装置分为天然气加热和电加热，在天然气土壤加热装置中，通过在燃烧器中将天然气和空气混合燃烧产生高温烟气，高温烟气流经加热井实现对土壤的加热。原位热脱附可使土壤达到较高的温度，可用于处理沸点较高的半挥发性有机物，但是在其工程应用中，面临着成本过高的问题，其中能源消耗成本占了较大比例，因此如何实现对土壤的节能加热成为一个亟需解决的问题。

而目前关于土壤加热过程中能源管控的研究较少，工程中对于天然气加热装置中的流量控制主要有两种，如图1、图2所示。图1中是直接给定天然气控制阀的开度，即在加热之前设定好天然气流量，整个加热过程中保持天然气流量不变；图2是提前设定加热井的期望出口温度，然后通过控制器依据加热井出口温度期望值与实际值的偏差来调节天然气控制阀的开度，进而实现在加热过程中对天然气流量的控制，即在整个加热过程中保持加热井的出口温度不变。但是这两种控制方式都没有考虑土壤温度变化对加热过程的影响，土壤温度不同时升温过程对能耗的需求是不同的，而现有的控制系统都没有考虑这一因素，而是在整个加热过程中设置同一参数，造成能量的大量浪费，同时，如果参数设置不当，甚至会造成烧管、土壤温度无法上升至目标值等问题。

发明内容

本发明的目的在于解决目前天然气土壤加热装置能耗较大、成本较高的技术问题，为此，本发明提供一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统及其控制方法，可以根据土壤实时温度及实时升温速率调整天然气流量，实现土壤节能加热。

所采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统，所述伺服节能控制系统与加热井的天然气控制阀、用于探测加热井周围土壤实时土壤温度的第一温度传感器及用于探测加热井出口实际温度的第二温度传感器连接，所述系统包括：

一随动计算单元，其根据所述第一温度传感器检测得到的实时土壤温度T_s，通过计算得出所测加热井出口温度期望值T′_fo；

一主燃烧控制单元，接收所述第二温度传感器检测到的加热井出口温度实际值T_fo以及所述随动计算单元输出的加热井出口温度期望值T′_fo，所述主燃烧控制单元依据加热井出口温度实际值与期望值的偏差输出天然气流量值u₁。

所述随动计算单元中通过叠加算法计算加热井期望出口温度即T′_fo＝T_s+ΔT，其中：ΔT需要依据加热土壤质地、土壤含水率以及加热目标温度等参数进行设置，ΔT取值范围200～300℃。

所述主燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₁，

其中：e₁＝T′_fo-T_fo，

K_P1、T_I1、T_D1分别为所述主燃烧控制单元PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

所述系统还包括：

一升温计算单元，根据所述第一温度传感器检测得到的实时土壤温度T_s，计算得到土壤的实时升温速率l；

一辅助燃烧控制单元，输入包括土壤升温速率的给定值l′以及所述升温计算单元输出的实时升温速率l，所述辅助燃烧单元依据给定值l′与实时升温速率l的偏差输出天然气流量值u₂；

一综合计算单元，将所述主燃烧控制单元和所述辅助燃烧控制单元输出的天然气流量值u₁和u₂进行综合计算，得到最终天然气流量值u，并输出天然气控制阀的控制信号，调节土壤加热过程中所述天然气控制阀的流量。

所述升温计算单元中通过如下升温速率计算公式得到土壤升温速率l，

式中：τ为时间。

所述辅助燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₂，

其中：e₂＝l′-l，

式中K_P2、T_I2、T_D2分别为所述辅助燃烧控制单元中PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

所述综合计算单元通过综合计算得到最终天然气流量值u，u＝αu₁+βu₂，其中α+β＝1，

式中：α、β分别表示在天然气流量计算中土壤温度和升温速率的影响程度，根据土壤质地、目标温度、加热工期等参数可以在0～1之间选取。

另一方面，本发明还提供了通过第一温度传感器将所检测到的实时土壤温度传输给随动计算单元，得到加热井出口温度期望值；通过第二温度传感器将所检测到的加热井出口温度实际值传输至主燃烧控制单元，根据加热井出口温度实际值与加热井出口温度期望值间的偏差得到天然气流量值u₁；根据天然气流量值u₁控制加热井的天然气控制阀输出天然气流量。

所述方法还包括：将第一温度传感器所检测到的实时土壤温度传输至升温计算单元，得到土壤实时升温速率；将土壤升温速率的给定值以及土壤实时升温速率的实际值输入至辅助燃烧控制单元，根据土壤升温速率给定值与土壤实时升温速率实际值间的偏差得到天然气流量值u₂；通过对天然气流量值u₁和u₂进行综合计算，得到最终天然气流量值u；根据天然气流量值u控制加热井的天然气控制阀输出天然气流量。

本发明技术方案具有如下优点：

A.本发明在控制系统中设置了随动计算单元、主燃烧控制单元及第一温度传感器和第二温度传感器，经过随动计算单元的调节，加热井期望出口温度是随着土壤温度的升高逐渐增大的，而不是传统控制系统中保持不变，在前期土壤温度较低时，升温过程对能量需求较低，因此可设置较低的加热井出口温度期望值，输出天然气流量较小，从而降低能耗，达到节能加热的目的。

B.本发明还在系统中进一步增加了升温计算单元、辅助燃烧控制单元和综合计算单元，可以保证工程项目工期的要求。工程项目对工期都有一定要求，因此对于天然气土壤加热装置而言，需要保证在一定的时间内将土壤加热至目标温度。本发明根据第一温度传感器检测的土壤实时温度计算土壤实时升温速率，同时依据工期及目标温度设定土壤升温速率的期望值，辅助燃烧控制单元会根据期望值与实际值的偏差调节天然气流量，从而保证在一定时间内将土壤加热至目标温度，满足项目中工期的要求。

C.本发明还可以实现防止加热过程中烧管等现象的发生。在实际应用中，天然气土壤加热装置可能会出现烧管的问题，土壤温度无法上升至目标值，同时加热井中的钢管由于较高的温度而烧坏。这是由于现有的控制系统中没有考虑土壤温度的影响，在整个加热过程中设置天然气流量或加热井出口温度不变，会有过量的天然气在燃烧器中燃烧，而土壤能吸收的能量是有限的，导致有相当一部分热量被钢管吸收，使管道发生变形。本发明中天然气流量是随着土壤温度逐渐升高的，避免了过多天然气的流入，从而防止加热过程中烧管等现象的发生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是天然气土壤加热装置的其中一种传统控制方式的原理图；

图2是天然气土壤加热装置的另一种传统控制方式的原理图；

图3是本发明所提供的伺服节能控制系统流程图；

图4是本发明中的伺服节能控制系统组成图。

附图标记说明：

100-伺服节能控制系统

101-随动计算单元；102-主燃烧控制单元；103-升温计算单元；104-辅助燃烧控制单元；105-综合计算单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在原位热脱附技术的天然气加热装置中，包括天然气站、天然气控制阀、燃烧器、加热井、尾气管口和风机。控制系统控制天然气控制阀来调节天然气流量，使天然气和空气在燃烧器中混合燃烧产生高温烟气，高温烟气在风机产生的负压下流经加热井以及尾气管口，加热井置于地表以下，土壤温度随着加热井的加热逐渐升高，之后烟气经检测达到排放标准后进行排放。

参见图4所示，根据本发明的一个实施例的天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统100，包括随动计算单元101、主燃烧控制单元102、升温计算单元103、辅助燃烧控制单元104和综合计算单元105。

本发明中通过第一温度传感器可以检测得到实施土壤温度T_s，向土壤随动计算单元101中输入土壤温度T_s，根据计算输出为加热井期望出口温度T′_fo，通过随动计算单元101的计算，加热井期望出口温度会随着土壤温度的升高而增大。计算方法具有多种选择，本发明可设置为简单的叠加算法，即T′_fo＝T_s+ΔT，ΔT需要依据加热土壤质地、土壤含水率以及加热目标温度等参数进行设置，根据加热场地及项目要求的不同ΔT可以在200～300℃之间进行选取。

向主燃烧控制单元102输入检测得到的加热井实际出口温度T_fo以及随动计算单元101计算得到的加热井期望出口温度T′_fo，输出为天然气流量值u₁。主燃烧控制单元102的控制器可以优选简单的PID控制，通过加热井出口温度期望值与实际值的偏差调节天然气流量，即

式中K_P1、T_I1、T_D1分别为主燃烧控制单元102PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

当然，可以通过所得到的天然气流量值u₁,对天然气控制阀进行开度大小控制，即在不同的土壤温度下输出不同的天然气流量，可满足温度不同时土壤升温的不同需求，可以大大降低土壤加热过程的能耗，实现节能。在前期土壤温度较低时，升温过程对能量需求较低，因此可设置较低的加热井出口温度期望值，输出天然气流量较小，从而降低能耗，达到节能加热的目的。

本发明不仅检测加热井的出口温度作为控制对象，同时检测土壤温度，根据土壤加热过程中的温度变化情况判断土壤所处状态，根据不同状态土壤升温所需能量实时调节天然气流量。

为了保证工程项目工期的要求，对于天然气土壤加热装置而言，需要保证在一定的时间内将土壤加热至目标温度。在整个控制系统中还包括升温计算单元103、辅助燃烧控制单元104和综合计算单元105，向升温计算单元103中输入土壤中第一温度传感器检测得到的土壤温度T_s，输出为土壤升温速率l，升温速率的计算公式可采用

式中τ为时间。

向辅助燃烧控制单元104中输入升温计算单元103计算得到的土壤实际升温速率l和升温速率给定值l′，l′可由工程人员依据土壤地质条件、目标温度以及加热工期进行设定，考虑到随着土壤温度的升高，加热土壤的难度逐渐增大，因此l′可设定为一个常数，亦可设定为关于时间的函数，随时间逐渐减小。辅助燃烧控制单元104的控制器也可以优选简单的PID控制器，通过土壤升温速率给定值与实际值的偏差来调节天然气流量，即

式中K_P2、T_I2、T_D2分别为辅助燃烧控制单元104PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

再通过综合计算单元105依据主燃烧控制单元102和辅助燃烧控制单元104输出的天然气流量值u₁和u₂，进行综合计算后得到的最终天然气流量值u。

u＝αu₁+βu₂

式中α、β分别表示在天然气流量计算中土壤温度和升温速率的影响程度，根据土壤质地、目标温度、加热工期等参数可以在0～1之间选取，α+β＝1。

本发明中的综合计算单元105依据最终得到的天然气流量值u输出控制信号至天然气控制阀，从而实现对天然气流量的调节。通过调节天然气流量随土壤温度进行变化，可实现对土壤的节能加热，同时避免过多天然气的燃烧，使天然气燃烧产生的热量相对充分地被土壤吸收，防止加热过程中烧管等现象的发生，此外依据土壤升温速率调节天然气流量，可保证工程项目中对工期的严格要求，在一定的时间内将土壤加热至目标温度。

本发明所采用的伺服节能控制方法如下步骤：

步骤1，通过第一温度传感器实时将所检测到的实时土壤温度分别传输给随动计算单元和升温计算单元，分别得到加热井出口温度期望值和土壤实时升温速率；

步骤2，通过第二温度传感器实时将所检测到的加热井出口温度实际值传输至主燃烧控制单元，根据加热井出口温度实际值与加热井出口温度期望值间的偏差得到天然气流量值u₁；

步骤3，将土壤升温速率的给定值以及土壤实时升温速率的实际值输入至辅助燃烧控制单元，根据土壤升温速率给定值与土壤实时升温速率实际值间的偏差得到天然气流量值u₂；

步骤4，通过对天然气流量值u₁和u₂进行综合计算，得到最终天然气流量值u；

步骤5，根据天然气流量值u控制加热井的天然气控制阀输出天然气流量。

综合计算单元将两个天然气流量值进行综合计算可得到最终的天然气流量，进而调节天然气控制阀在土壤加热过程的不同时刻输出适当的天然气至燃烧器。本系统可调节天然气流量随土壤温度进行变化，从而达到节能的效果，同时避免过多天然气的流入，使天然气燃烧的能量相对充分地被土壤吸收，防止加热过程中烧管等现象的发生；此外，天然气流量也会随土壤升温速率发生变化，控制加热速度，实现工程项目中对工期的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统，其特征在于，所述伺服节能控制系统(100)与加热井的天然气控制阀、用于探测加热井周围土壤实时土壤温度的第一温度传感器及用于探测加热井出口实际温度的第二温度传感器连接，所述系统包括：

一随动计算单元(101)，其根据所述第一温度传感器(106)检测得到的实时土壤温度T_s，通过计算得出所测加热井出口温度期望值T′_fo；

一主燃烧控制单元(102)，接收所述第二温度传感器(107)检测到的加热井出口温度实际值T_fo以及所述随动计算单元(101)输出的加热井出口温度期望值T′_fo，所述主燃烧控制单元(102)依据加热井出口温度实际值与期望值的偏差输出天然气流量值u₁；

所述随动计算单元中通过叠加算法计算加热井期望出口温度即T′_fo＝T_s+△T，其中：△T需要依据加热土壤质地、土壤含水率以及加热目标温度参数进行设置，△T取值范围200～300℃；

所述主燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₁，

其中：e₁＝T′_fo-T_fo，

K_P1、T_I1、T_D1分别为所述主燃烧控制单元(102)PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

2.根据权利要求1所述的天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统，其特征在于，所述系统还包括：

一升温计算单元(103)，根据所述第一温度传感器(106)检测得到的实时土壤温度T_s，计算得到土壤的实时升温速率l；

一辅助燃烧控制单元(104)，输入包括土壤升温速率的给定值l'以及所述升温计算单元(103)输出的实时升温速率l，所述辅助燃烧控制 单元依据给定值l'与实时升温速率l的偏差输出天然气流量值u₂；

一综合计算单元(105)，将所述主燃烧控制单元(102)和所述辅助燃烧控制单元(104)输出的天然气流量值u₁和u₂进行综合计算，得到最终天然气流量值u，并输出天然气控制阀的控制信号，调节土壤加热过程中所述天然气控制阀的流量；所述升温计算单元(103)中通过如下升温速率计算公式得到土壤升温速率l，

式中：τ为时间；

所述辅助燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₂，

其中：e₂＝l'-l，

式中K_P2、T_I2、T_D2分别为所述辅助燃烧控制单元(104)中PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

3.根据权利要求2所述的天然气土壤加热装置的伺服节能控制系统，其特征在于，所述综合计算单元(105)通过综合计算得到最终天然气流量值u，u＝αu₁+βu₂，其中α+β＝1，

式中：α、β分别表示在天然气流量计算中土壤温度和升温速率的影响程度，根据土壤质地、目标温度、加热工期参数在0～1之间选取。

4.一种天然气土壤加热装置的伺服节能控制方法，其特征在于，通过第一温度传感器将所检测到的实时土壤温度T_s 传输给随动计算单元，得到加热井出口温度期望值T ′ _fo ；通过第二温度传感器将所检测到的加热井出口温度实际值T_fo 传输至主燃烧控制单元，根据加热井出口温度实际值与加热井出口温度期望值间的偏差得到天然气流量值u₁；根据天然气流量值u₁控制加热井的天然气控制阀输出天然气流量；

所述随动计算单元中通过叠加算法计算加热井期望出口温度即T′_fo＝T_s+△T，其中：△T需要依据加热土壤质地、土壤含水率以及加热目标温度参数进行设置，△T取值范围200～300℃；

所述主燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₁，

其中：e₁＝T′_fo-T_fo，

K_P1、T_I1、T_D1分别为所述主燃烧控制单元(102)PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

5.根据权利要求4所述的天然气土壤加热装置的伺服节能控制方法，其特征在于，所述方法还包括：将第一温度传感器所检测到的实时土壤温度传输至升温计算单元，得到土壤实时升温速率；将土壤升温速率的给定值以及土壤实时升温速率的实际值输入至辅助燃烧控制单元，根据土壤升温速率给定值与土壤实时升温速率实际值间的偏差得到天然气流量值u₂；通过对天然气流量值u₁和u₂进行综合计算，得到最终天然气流量值u；根据天然气流量值u控制加热井的天然气控制阀输出天然气流量；

所述升温计算单元(103)中通过如下升温速率计算公式得到土壤升温速率l，

式中：τ为时间，

所述辅助燃烧控制单元中的控制器为PID控制器，其通过如下计算公式得到天然气流量u₂，

其中：e₂＝l'-l，

式中K_P2、T_I2、T_D2分别为所述辅助燃烧控制单元(104)中PID控制器的比例增益、积分时间常数和微分时间常数。

Images