CN115013977A - 一种有机浆液加热系统控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有机浆液加热系统控制方法，包括：根据当前时刻加热器出口混合流体的流量和温度，通过非线性预测模型获取有限时间域内混合流体的流量和温度对应的预测序列；根据未加热前有机浆液、高温流体和加热器的物理特性，构造有机浆液流量控制和温度控制的多目标优化函数及其约束条件；结合序列二次规划算法得到多目标优化函数的最优序列，当最优序列的第一个值符合预设期望值，则将最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度和高温流体调节阀的开度；当不符合时，继续获取下一时刻加热器出口的流量和温度，修正预测序列中当前时刻对应的预测值；经过多次迭代预测、优化和修正使加热系统自动以最优状态运行。

Description

一种有机浆液加热系统控制方法
技术领域
本发明涉及有机浆液处理技术领域，具体而言，涉及一种有机浆液加热系统控制方法。
背景技术
餐厨垃圾沥水获得的有机浆液提油前需要高温加热到70-80℃，加热后有机浆液有助于液体的油水分离，从而提高提油效率。目前，喷射式加热器主要用于石油、化工、纺织、冶金等行业中，对密度均匀的腐蚀性、易结垢或易结疤的液态物料进行加热体温。然而，对于密度不均匀的有机浆液，由于其加热时存在加热不均匀、粘稠度高等特性，喷射式加热器的传统控制方法很难对有机浆液体的加热进行精准控制，特别涉及有机浆液温度稳定性和流量稳定性等多目标优化的问题。
发明内容
为解决对加热有机浆液的流量和温度进行稳定控制的问题，本发明的目的在于提供一种有机浆液加热系统控制方法。
本发明提供了一种有机浆液加热系统控制方法，所述加热系统包括加热器、有机浆液调节阀和高温流体调节阀，所述方法包括：
根据当前时刻加热器出口混合流体的流量和温度，通过非线性预测模型获取有限时间域内混合流体的流量和温度对应的预测序列；
根据未加热前有机浆液、高温流体和加热器的物理特性，构造有机浆液流量控制和温度控制的多目标优化函数及其约束条件；
根据所述预测序列，结合序列二次规划算法得到所述多目标优化函数的最优序列，并将所述最优序列的第一个值与预设期望值进行比较：
当所述最优序列的第一个值符合所述预设期望值，则将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度和高温流体调节阀的开度；
当所述最优序列的第一个值不符合所述预设期望值，则继续获取下一时刻加热器出口的流量和温度，修正所述预测序列中当前时刻对应的预测值；
以此类推，经过多次迭代预测、优化和修正使加热系统自动以最优状态运行。
作为本发明进一步的改进，所述最优序列的第一个值为当前时刻的最优解，
将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口混合流体的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的有机浆液的流量；
根据有机浆液调节阀的流量与开度的关系曲线得到对应的有机浆液调节阀的开度。
作为本发明进一步的改进，所述最优序列的第一个值为当前时刻的最优解，
将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻高温流体调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口混合流体的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的高温流体的流量；
根据高温流体调节阀的流量与开度的关系曲线得到对应的高温流体调节阀的开度。
作为本发明进一步的改进，所述多目标优化函数及其约束条件为：
Figure BDA0003672848640000021
Figure BDA0003672848640000022
其中，JH为有机浆液优化性能指标，JF为加热器出口流量稳定性，JT为加热器出口温度准确性，
Figure BDA0003672848640000023
为权重因子，k为迭代点，i＝1,2……N，TH为加热器出口温度，QH为加热器出口流量，fsp为有机浆液调节阀的开度，ysp为高温流体调节阀的开度。
作为本发明进一步的改进，当解除加热系统自动控制时，首先解除高温流体调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将高温流体调节阀的开度设置为零；
再解除有机浆液调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将有机浆液调节阀的开度设置为零。
作为本发明进一步的改进，所述加热器为喷射式加热器，所述高温流体为蒸汽。
作为本发明进一步的改进，所述未加热前有机浆液、高温流体和加热系统的物理特性包括：有机浆液的温度、蒸汽的温度、蒸汽的压力和喷射式加热器的喷射系数。
作为本发明进一步的改进，所述方法还包括：判断加热系统是否满足启动条件，所述启动条件包括进入加热器的高温蒸汽满足压力要求，以及有机浆液调节阀和蒸汽调节阀未发出故障报警信号。
作为本发明进一步的改进，所述蒸汽满足的压力要求为0.4-0.6MPa。
作为本发明进一步的改进，所述喷射式加热器为文丘里喷射器。
本发明的有益效果为：通过采用非线性预测模型得到有限时间域内，加热后有机浆液的流量和温度预测序列，再通过二次规划优化算法对预测序列中的预测值进行优化修正，通过多次预测、优化和修正对有机浆液的流量和温度进行精确控制，并使得加热系统处于最优状态自动运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的一种有机浆液加热系统控制方法的流程图；
图2为本发明实施例所述的采用蒸汽对有机浆液进行加热的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本发明的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定所述元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明所述实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本发明所述实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本发明所述原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。
相关技术中，中国是世界上人口最多的国家，饮食消费量巨大。伴随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，餐厨垃圾的数量急剧增长。餐厨垃圾的沥水属于有机浆液的一种，这种有机浆液是收集到的餐厨垃圾沥液经筛选去杂的浆液，包含有机物、各类动植物油脂、辣椒颗粒、花椒颗粒、塑料薄膜细小颗粒、包装袋细小颗粒等轻杂质，以及少量细小玻璃与陶瓷类重杂质。浆液总体显弱酸，并具有高粘性、高盐分且密度不均匀等复杂特性。如果这种浆液若未得到有效处理，在各种病原微生物的作用下，极易滋生寄生虫、霉菌和腐烂变质，甚至会严重危害人民群众的生命健康。此外，这种有机浆液中含有丰富的油脂、有机物和其他微量元素，脱水后热值较高，可以通过处理后将废液资源化。
餐厨垃圾沥水获得的有机浆液提油前需要高温加热到70℃-80℃，加热后的有机浆液有助于液体的油水分离，从而提高提油效率。现有的加热装置主要有夹套式蒸汽加热釜和在沥水储罐内部安装蒸汽加热器。夹套式蒸汽加热釜结构复杂，造价高，后期维护复杂；在沥水储罐内部安装蒸汽加热器，加热效率低，加热不均匀。这两种加热方式都是对整罐物料进行加热，耗时长，加热效率低且蒸汽消耗量较大。
如图1所示，本发明实施例所述的一种有机浆液加热系统控制方法，所述加热系统包括加热器、有机浆液调节阀和高温流体调节阀，通过喷射式加热器对非均匀密度的有机浆液进行加热，所述方法包括：
根据当前时刻加热器出口混合流体的流量和温度，通过非线性预测模型获取有限时间域内混合流体的流量和温度对应的预测序列；
根据未加热前有机浆液、高温流体和加热器的物理特性，构造有机浆液流量控制和温度控制的多目标优化函数及其约束条件；
根据所述预测序列，结合序列二次规划算法得到所述多目标优化函数的最优序列，并将所述最优序列的第一个值与预设期望值进行比较：
当所述最优序列的第一个值符合所述预设期望值，则将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度和高温流体调节阀的开度；
当所述最优序列的第一个值不符合所述预设期望值，则继续获取下一时刻加热器出口的流量和温度，修正所述预测序列中当前时刻对应的预测值；
以此类推，经过多次迭代预测、优化和修正使加热系统自动以最优状态运行。
可以理解的是，有机浆液通过物料调节阀被输送至喷射式加热器中，高温流体通过高温流体调节阀被输送中喷射式加热器中，高温流体和有机浆液在喷射式加热器中接触，由此通过高温流体对有机浆液进行加热。相比传统的夹套式蒸汽加热釜和在沥水储罐内部安装蒸汽加热器的方式，提高了加热效率，且蒸汽消耗量少。
首先，判断加热系统是否具备自动启动条件，如满足自动启动条件，喷射式加热器自动启动，并依次开启有机浆液调节阀和高温流体调节阀，即先开启有机浆液调节阀，当有机浆液能够稳定进行加热器后，再开启高温流体调节阀。根据工艺需求设定加热器出口混合流体的流量和温度的期望值。
通过设置在喷射式加热器出口位置处的流量计和温度传感器获取有机浆液在喷射式加热器出口的流量和温度，将该温度和流量信息作为加热控制系统的实时输入信号。之后根据实时获取的有机浆液在喷射式加热器处理的流量和温度信息，根据非线性预测模型获取有限时间域内有机浆液加热后的流量和温度对应的预测序列；结合有机浆液的物理特性和喷射式加热器内部物理限制等约束条件，构造考虑系统稳定性、准确性和鲁棒性等多目标优化函数，并采用序列二次规划算法对该多目标优化函数的进行优化求解，得到关于有机浆液加热后的流量优化序列和温度优化序列，将流量优化序列和温度优化序列的第一个值与之前设定的有机浆液的流量和温度的期望值进行比较，如该第一值符合该期望值，喷射式加热器继续按照当前时刻工况运行；如该第一值不符合该期望值，继续获取下一时刻喷射式加热器出口有机浆液的温度和流量信息，得到对应该时刻的最优解，并对上一时刻的流量好温度信息进行修正；以此类推，控制系统经过多次迭代预测、优化和修正使得喷射式加热器自动以最优状态运行，使得喷射式加热器出口有机浆液的流量和温度得到精确控制，可以将温度波动范围控制在0.5℃左右。
一种可选的实施方式中，所述多目标优化函数及其约束条件为：
Figure BDA0003672848640000061
Figure BDA0003672848640000062
其中，JH为有机浆液优化性能指标，JF为加热器出口流量稳定性，JT为加热器出口温度温度准确性，
Figure BDA0003672848640000063
为权重因子，k为迭代点，i＝1,2……N，TH为加热器出口温度，QH为加热器出口流量，fsp为有机浆液调节阀的开度，ysp为高温流体调节阀的开度，带有下标min和max分别对应上述参数的最小值和最大值。
采用序列二次规划算法对上述多目标优化函数进行优化求解，将多目标优化问题整理为序列二次规划算法优化的形式为：
Figure BDA0003672848640000071
Figure BDA0003672848640000072
其中，kn为迭代点，Hn为正定矩阵。d为当前迭代点的迭代方向，gi(g)为损失函数的一般形式，ci(g)为损失函数限制的一般形式，d为当前迭代点的迭代方向，
Figure BDA0003672848640000073
和
Figure BDA0003672848640000074
均为损失函数的限制泰勒展开式的梯度。
在采用序列二次规划算法作为非线性预测模型的滚动优化缓解，每一时刻都要对非线性规划问题进行优化求解，尽量达到收敛并寻找最优解，若在达到收敛之前，已达到最大迭代步，此时也可以采用近似解作为最优解。
一种可选的实施方式中，将所述最优序列的第一个值作用于加热器，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口有机浆液的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的有机浆液的流量；
根据有机浆液调节阀的相对流量与相对开度的关系曲线得到对应的有机浆液调节阀的开度。
一种可选的实施方式中，将所述最优序列的第一个值作用于加热器，得到当前时刻高温流体调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口有机浆液的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的高温流体的流量；
根据高温流体调节阀的相对流量与相对开度的关系曲线得到对应的高温流体调节阀的开度。
举例说明，喷射式加热器选用文丘里喷射器，高温流体选用高温蒸汽，即将蒸汽通过高温流体调节阀输送至文丘里喷射器中对有机浆液进行加热。根据质量守恒原理，有机浆液在加热前后满足如下公式：
Gg＝G0+Gh
Gg＝(1+u)G0
其中，G0为蒸汽的质量流量，Gh为有机浆液的质量流量，Gg为加热后混合流体的质量流量，u为文丘里喷射器的喷射系数。
根据能量守恒原理，有机浆液在加热前后满足如下公式：
Q0+uQh＝(1+u)Qg
其中，Q0为进入文丘里喷射器前蒸汽的焓，Qh为进入文丘里喷射器前有机浆液的焓，Qg为加热后混合流体的焓。
结合质量守恒原理得出的等式以及能量守恒原理得出的等式，根据最优解对应的文丘里喷射器出口的混合流体的温度和流量，就可以得出进入文丘里喷射器的有机浆液和蒸汽的流量。之后再根据有机浆液调节阀的相对流量与相对开度的关系曲线以及蒸汽调节阀的相对流量与相对开度的关系曲线，就可以得出有机浆液调节阀的开度和蒸汽调节阀的开度。
可选的，有机浆液调节阀和高温流体调节阀可以为快开流量特性调节阀、线性流量特性调节阀或等百流量特性调节阀。其中，快开流量特性调节阀起初变化大，后面比较平缓；线性流量特性调节阀是阀门的开度跟流量成正比，也就是说阀门开度达到50％，阀门的流量也达到50％，等百流量特性调节阀跟快开式的相反，是起初变化小，后面比较大。可以根据有机浆液的特性或高温流体的物理特性进行选择，确定调节阀类型后，即可根据流量结合其特定的关系曲线得到调节阀的开度。
一种可选的实施方式中，当完成有机浆液处理后需要对加热器的自动控制进行解除，首先解除高温流体调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将高温流体调节阀的开度设置为零，防止加热器出口温度超过安全温度。再解除有机浆液调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将有机浆液调节阀的开度设置为零。
一种可选的实施方式中，所述未加热前有机浆液、高温流体和加热系统的物理特性包括：有机浆液的温度、蒸汽的温度、蒸汽的压力和喷射式加热器的喷射系数。
一种可选的实施方式中，所述方法还包括：判断加热器是否满足启动条件，所述启动条件包括进入加热器的高温蒸汽满足压力要求，以及有机浆液调节阀和蒸汽调节阀未发出故障报警信号。所述蒸汽满足的压力要求为0.4-0.6MPa。当满足启动条件时，加热系统中各设备按照顺序依次开启。
如图2所示，本实施例以蒸汽加热有机浆液为例说明本发明所述一种有机浆液加热系统控制方法的具体流程：
首先，控制系统通过压力检测装置获取高温蒸汽的压力值，判断该压力值是否符合自启动条件，且未检测到设备故障报警，控制系统开启加热系统；根据工艺要求设定加热器出口混合流体的温度和流量的期望值；通过非线性预测模型和二次规划算法得到加热器出口混合流体的温度和流量的最优解，若该最优解符合预先设定的期望值，加热系统按照当前时刻的工况继续稳定运行，如所得最优解不符合预先设定的期望值，控制系统继续获取下一时刻加热器出口混合流体的温度和流量信息，采用非线性预测模型和二次规划算法对上一时刻的流量好温度信息进行修正；以此类推，控制系统经过多次迭代预测、优化和修正使得喷射式加热器自动以最优状态运行。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域普通技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
本领域技术人员应理解，尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种有机浆液加热系统控制方法，所述加热系统包括加热器、有机浆液调节阀和高温流体调节阀，其特征在于，所述方法包括：
根据当前时刻加热器出口混合流体的流量和温度，通过非线性预测模型获取有限时间域内混合流体的流量和温度对应的预测序列；
根据未加热前有机浆液、高温流体和加热器的物理特性，构造有机浆液流量控制和温度控制的多目标优化函数及其约束条件；
根据所述预测序列，结合序列二次规划算法得到所述多目标优化函数的最优序列，并将所述最优序列的第一个值与预设期望值进行比较：
当所述最优序列的第一个值符合所述预设期望值，则将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度和高温流体调节阀的开度；
当所述最优序列的第一个值不符合所述预设期望值，则继续获取下一时刻加热器出口混合流体的流量和温度修正所述预测序列中当前时刻对应的预测值；
以此类推，经过多次迭代预测、优化和修正使加热系统自动以最优状态运行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优序列的第一个值为当前时刻的最优解，
将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻有机浆液调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口混合流体的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的有机浆液的流量；
根据有机浆液调节阀的流量与开度的关系曲线得到对应的有机浆液调节阀的开度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最优序列的第一个值为当前时刻的最优解，
将所述最优序列的第一个值作用于加热系统，得到当前时刻高温流体调节阀的开度，包括：
根据最优解对应的加热器出口混合流体的流量和温度，结合质量守恒原理和能量守恒原理得到进入加热器的高温流体的流量；
根据高温流体调节阀的流量与开度的关系曲线得到对应的高温流体调节阀的开度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多目标优化函数及其约束条件为：
Figure FDA0003672848630000021
Figure FDA0003672848630000022
其中，JH为有机浆液优化性能指标，JF为加热器出口流量稳定性，JT为加热器出口温度准确性，
Figure FDA0003672848630000023
为权重因子，k为迭代点，i＝1,2……N，TH为加热器出口温度，QH为加热器出口流量，fsp为有机浆液调节阀的开度，ysp为高温流体调节阀的开度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当解除加热系统自动控制时，首先解除高温流体调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将高温流体调节阀的开度设置为零；
再解除有机浆液调节阀的自动控制，并在至少延时30秒后，将有机浆液调节阀的开度设置为零。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热器为喷射式加热器，所述高温流体为蒸汽。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述未加热前有机浆液、高温流体和加热器的物理特性包括：有机浆液的温度、蒸汽的温度、蒸汽的压力和喷射式加热器的喷射系数。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：判断加热系统是否满足启动条件，所述启动条件包括进入加热器的高温蒸汽满足压力要求，以及有机浆液调节阀和蒸汽调节阀未发出故障报警信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述蒸汽满足的压力要求为0.4-0.6MPa。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述喷射式加热器为文丘里喷射器。
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