加热器控制（精选12篇）
加热器控制 篇1
1 引 言
蒸汽加热器主要是利用蒸汽的冷凝热对工艺介质进行加热,是空分行业、石化工业、食品工业和冶金等工业中应用非常广泛的单元操作设备之一。在蒸汽加热过程中,需要对换热器出口温度进行定值控制,以保证生产过程的正常进行,所以蒸汽加热器出口温度的控制问题便成为工业生产中一项十分重要的内容[1]。
2 直接蒸汽加热器工艺简介
直接蒸汽加热器是一种直接将蒸汽与被加热介质相混合的一种加热方式,当出水温度偏离目标值时,通过调节加热蒸汽量来使出口温度自动恢复到设定目标值范围内。其工艺控制系统流程如图1所示。温度自动控制系统方框图如图2所示。
3 自动控制系统数学模型
3.1 加热器对象模型[2,3]
考查加热器内热量的变化情况,假设在单位时间(dt)内流入加热蒸汽所含热量为qs,流入冷流体所含热量为qc,流出热流体所含热量为qa,其它热损失可忽略不计。根据热量守衡定律,单位时间内热量进入量与热量流出量之差等于加热器内热量积存量U的变化量,即:
dU=(qs+qc-qa)dt (1)
式中:qs、qc、qa、U——中间变量,与流体参数之间的关系是:qs=W·H;qc=Gc·cc·θc;qa=Ga·ca·θa;dU=V·γ·ca·dθa;V——加热器内液体的体积,可假定为常数;γ——流体密度,可假定为常数;W、H——加热蒸汽的流量和热焓;θa、θc——热、冷流体温度;Ga、Gc——热、冷流体流量;ca、cc——热、冷液体的比热,假设近似相等,并统一用cc表示。
则式(1)变为:
undefined
假设蒸汽用量比流体流量小很多,则可忽略不计,则Ga=Gc,从而上式可简化为:
undefined
这里选加热蒸汽流量W为控制变量,并假设冷液体温度θc为干扰变量,即当温度设定值或冷液体温度发生变化而导致热流体温度θa偏离设定值时,温度控制器TIC101通过调节蒸汽调节阀的开度以调整加热量从而使出水温度自动恢复到设定值附近。上式采用前向差分离散化后有:
undefined
式中:H(k)、H(k-1)——液位当前测量值、液位前次测量值。
3.2 调节阀模型
蒸汽调节阀选用线性阀,假定蒸汽压力不变,则蒸汽流量与阀门开度成正比,考虑到执行机构的滞后特性,可表示为:
W(t)=c·M(t-τ) (4)
3.3 测量通道模型
工业上通常可用热电阻或热电偶完成温度信号的测量和转换,通常由于测温元件具有一定的热容性导致温度测量环节的输出信号与温度特性呈一阶惯性的动态关系,其离散关系式可表示为[4,5,6,7]:
undefined
3.4 PID调节器模型[1,2]
undefined
E(t)=R(t)-H(t)
式中:kP——比例放大倍数;TI——积分时间常数;TD——微分时间常数;E(t)——系统余差。
离散化后有:
undefined
E(k)=R(k)-H(k) (7)
通过以上分析,式(3)～式(7)给出了图2所示方框图中各环节的动态输入、输出关系,通过编制程序,即可实现对直接蒸汽加热器温度自动控制系统的仿真。
4 控制系统仿真
直接蒸汽加热器在线仿真结构原理如图3所示。程序运行中随时可接受控制参数及设定值或干扰变量的变化,通过PID运算能自动调整被控变量恢复到设定目标范围内,人机界面与生产过程中实际在线DCS画面一致。
图4中,时间段A为设定值①改变时系统自动调节出口温度②跟随设定值而变化,时间段B是进水温度干扰时系统自动调节出水温度恢复到被控目标范围内的过度过程。由图可知,当PID输出阀位信号⑧发生变化时,由于执行机构滞后的存在,使得蒸汽流量④的变化发生了滞后;另外通过图中仿真曲线可以较为清楚地了解比例作用⑤、积分作用⑥以及微分作用⑦对PID输出⑧的贡献,这对于系统维护人员正确设置和调试PID参数提供了有效的帮助。
注:①——温度设定值;②——温度测量值;③——系统余(偏)差;④——蒸汽流量;⑤——比例输出;⑥——积分输出;⑦——微分输出;⑧——阀位信号
5 结 论
通过机理分析,建立了加热器温度对象和控制通道的数学模型,并分别编制了加热器温度对象、测量环节、PID控制器和调节阀单元模拟程序和基于组态软件的人机接口界面。仿真程序运行过程中可实时修改和调整过程运行参数,从而实现对蒸汽加热器出口温度自动调节过程的在线仿真。在PID控制器微分运算时以被控变量的微分代替偏差的微分,避免了因设定值的变化引起的微分项的输出锐变。仿真过度过程与实际装置控制过程基本吻合,仿真曲线和仿真数据对生产人员维护自控系统具有很高的参考价值。
摘要：以直接蒸汽加热器为研究对象,通过机理分析法建立了直接蒸汽加热器温度控制回路各环节的数学模型。利用组态软件编制仿真界面,通过DDE接口与差分数字化模型程序进行通讯,仿真程序运行过程中可实时修改和调整过程运行参数,从而实现了蒸汽加热器出口温度自动控制过程的在线仿真。
关键词：PID控制器,直接蒸汽加热器,仿真,在线
参考文献
[1]周春晖.化工过程控制原理[M].北京:化学工业出版社,1995.
[2]王骥程,祝和云.化工过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,1988.
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[6]左信,韩建立,殷卫兵,等.PID仿真培训软件的开发及应用[J].化工自动化及仪表,2006,33(2):84-87.
[7]陈积玉.一种基于DCS的工业仿真方法[J].化工自动化及仪表,2004,31(4):1-6.
加热器控制 篇2
（简介）
石油机械设备有限公司
二O一三年十一月
1.概述
本设备是专为防喷器控制装置液压系统保温加热设计制造的，在冬季对防喷器控制装置液压系统内的液压油进行保温加热，保证在北方冬季低温的环境下防喷器控制装置能够正常的工作。
选用油箱外部循环加热原理，在油箱外加装一套液压油循环系统及一套PTC控温加热系统，能够自动限制温度,并随被加热温度变化自动调节输出功率。PTC控温加热系统是新一代电加热产品,可24小时连续使用而无高温过热及烧毁之虑,产品通过国家防爆电气设备质量监督检测中心防爆检测,取得防爆合格证。
本设备由防爆液压油循环系统和防爆PTC控温加热系统等部分组成。
2.用途
适用于防喷器控制装置液压系统内的液压油进行冬季保温加热工作。
3.特点
3.1适合所有的防喷器控制装置。
3.2采用液压油外循环加热，电功率直接作用于液压油无损耗，解决了原来控制箱内加装电暖气且功耗大、温度丢失严重、加温速度慢等问题。
3.3选用PTC加热材料能够自动限制加热温度,并随被加热温度变化自动调节输出功率,且无须任何控温附加设备，可24小时连续使用而无高温过热及烧毁现象。
3.4节约电能；
3.5间歇操作时，升温启动快速；
3.6安装维护简便；
3.7便于自动化管理；
3.8无环境污染。
4.安装示意图
（安装示图1）液压油循环系统 PTC控温加热系统 温度控制箱温度数字显示
原柱三缸塞泵吸油管路
吸油管 温度传感器
（系统吸油管连接示图）
（回油管连接示图）带温油回油管
5、主要技术参数
标称功率:9.75kw
最高温度：20C°（可设定）环境温度:最低-40℃ 额定电压：380VAC
导电塑料层:
防爆证号：No.CJEX07.185U 外形尺寸：
多晶铸锭炉炉双电源加热控制 篇3
【关键词】多晶硅铸锭炉；保温板；加热器；功率单元；变压器
【中图分类号】TF063
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0181-01
多晶硅铸锭炉是用于生产多晶硅锭的主要设备，该设备用于生产多晶硅锭，是多晶电池光伏产业链的源头设备，目前主要的设备厂家有，美国GT公司、浙江晶盛机电、精工科技、以及京运通等，多晶设备国产化步伐的加快，也加速了行业成本的下降，同时新技术的引进、设备升级改造，双电源等控制方式的推出使得
1 多晶铸锭炉简介
1.1 工作原理
多晶硅铸锭炉控制原理简述如下：
通过工控机设置合理的工艺条件和预设定参数后，将信息送达SNAP智能控制器。把通过SiN涂布处理的坩埚里装入多晶硅料，并将其放置在具有作用的DS块上；闭合炉体及各阀门并抽真空。然后通过触发板调整可控硅来控制变压器输出3800A左右的电流加到加热器，并通过SNAP智能控制器，自动温度控制，加热若干小时后使的多晶硅料熔化。当多晶硅料完全熔化后，根据工艺设定要求，缓慢提升隔热笼高度，暴露出DS块，使能量可以藉辐射方式散发至炉体，再通过炉体中的冷却水将热量带走，DS块的温度下降会使硅溶液形成垂直的温度梯度，此温度梯度控制硅由底部开始凝固结晶。当所有硅料凝固结晶后，硅锭再经过热退火，供入惰性气体（氩气），控制冷却方式等步骤消除热应力，以避免铸块出现裂缝及减少差排的发生。冷却到规定温度后，开炉出料。
1.2 多晶硅铸锭炉的重要构成
炉体：多晶硅铸锭炉炉体主要由中空的不锈钢炉体，采用上下炉体两部分构成，冷却水在中空管路中，对于炉体内进行冷却，有些厂家铸锭炉采用底部气冷、或者利用百叶加水冷铜盘的方式增加了底部冷却，利于类单晶的实验项目。
热场：多晶硅铸锭炉由变压器、顶侧加热器、隔热笼保温层、ds块等部分构成，一些厂家加热系统，进行优化，顶测加热器分开控制。
真空系统：由真空泵组、真空管路、比例阀、闸板阀等构成
监测系统：测温热电偶、红外仪、压力计、流量计、泄露检测等
氩气：铸锭炉用氩气对于硅锭进行除杂、以及惰性环境的生成。质量流量控制器是有效控制氩气流量的通用器件。
2 多晶铸锭炉双电源加热
2.1 多晶铸锭炉电源加热简介
多晶铸锭炉加热系统主要由功率单元、可控硅、变压器、石墨加热器、铜电极、以及绝缘垫片构成。
普通的铸锭炉采用一套功率单元触发机构，铸锭炉通过设定的工艺控制方式，由PLC发送信号到功率单元，功率单元发送触发电压到可控硅控制器，通过控制可控硅控制器的导通和关断来控制主电源与变压器之间三相电的导通与关断，通过可控硅的三项电源经过变压器的电磁互感线圈后，再利用顶测双三角形加热方式，对顶部和侧部加热器同时进行加热控制。
加载到加热器上的三项电分别作用到6个铜电极上，（如图所示）然后电源瞬间加载到与铜电极相连的石墨电极上，利用三角型连接的加热器进行加热，通过绝缘瓦片将加热器与炉体绝缘，完成加热控制。
加热器：多晶铸锭炉加热器由顶部加热器和侧部加热器构成，加热器材质为高纯石墨，电阻级别为毫欧级。
绝缘机构：铸锭炉加热器和炉体绝缘是通过半圆形的一对瓦片和一对垫片组成，材料通常是高纯度氮化硼，通常绝缘效果在兆欧级以上。
2.2 双电源控制原理
双电源控制方式：双电源系统由两套独立的功率单元控制，能够根据设定要求通过触发板分开控制两条线路的导通与关断，两条线路经过对应的变压器后分别加载到顶部、侧部加热器上如图所示，顶部加热器为①③⑤三个电极控制，侧部加热器为②④⑥三个电极控制，从而实现了顶侧加热器分开的控制系统。
2.3 双电源控制优势
①更加的节能，双电源控制可以有效的减少侧部加热器长晶段加热时间，从而达到减少加热电力的目的，同时减少单位时间内冷却水带走的热量，从而间接地减少了动力制冷设备的负荷。
②更好的控制热场，双电源控制可以轻松实现顶侧加热器分开加热，通过调节顶侧系数来达到控制热场的目的。
③对于晶体生长有很大改进，双电源控制有利于在铸锭炉内部形成更均匀的垂直梯度，从而更好的控制长晶速率，使得长晶界面更加平缓，从而减少阴影、红区等不利因素。
④减轻主线路电流承载负荷，双电源控制可以有效的减少主线路电流叠加，从而减少线路负载量，对于母线、配电室有一定的保护作用。
⑤延长内部热场使用寿命，生长段调节顶侧系数后，减少侧部加热器对于相邻保温板的热接触，从而延长内部保温板热场使用寿命。
加热器控制 篇4
青海盐湖股份有限公司化工分公司化肥厂尿素装置生产工艺使用的是Stamicarbon传统的二氧化塔汽提法工艺技术, 原设计高压氨泵一开一备, 共2台;高压甲铵泵一开一备, 共2台。该4台泵控制原理完全相同, 均是由上海大隆机器有限公司提供卧式三缸单作用往复泵, 泵设计成连续运转型。
1 概述
高压泵运行过程中, 轴瓦与曲轴之间采用润滑油进行润滑, 且轴瓦采用的是巴氏合金, 该材质对润滑油温度要求较高, 一般不能超过100℃。同时润滑油温度高低对泵的运动部件使用寿命尤为重要。油温过高, 油粘度降低, 油膜较薄, 达不到润滑作用。油温过低, 油粘度过高, 油膜也不易形成, 同样不能起到良好的润滑作用, 因此, 必须保证润滑油油温在一定的范围 (10~30℃) , 才能有效保护泵运动部件的安全运行。该泵在泵体上设置有油加热器, 油温通过油池底部的温度测量变送器输出4~20mA信号, 送至高压泵PLC控制器中进行控制, 当油温过低时, 可以手动启动PLC控制器操作台上的油加热器按钮进行加热, 当加热到所需温度时, 手动停止油加热器。为了保护泵的安全运行, 在设计中, 将油温高低作为泵是否具备启动条件之一, 并与泵启动挂联锁, 温度过低或过高, 泵均不允许启动。
2 运行过程中出现的问题
原设计高压泵油加热器在油泵启动情况下, 现场手动/自动开关打到自动状态下, 且油温低于5℃的条件下, 油加热器只有通过手动才能启动。当加热到需要温度时, 通过PLC控制面板上的HMI停止按钮手动停止油加热器 (但是为了保护设备及能均匀加热润滑油, 当油加热器运行时, 无论是油泵故障停止或手动停止, 油加热器也会停止加热) 。该控制原理 (修改前的逻辑图如图一所示) 中由于对油温没有设置高线, 由于油加热器为手动启停, 这无形中增加了操作人员的劳动强度, 当操作人员责任心不强, 及容易容易使油温超温, 甚至还可能导致润滑油碳化。
2012年试车以来, 在操作时曾多次将油池中的润滑油温度加热过高, 超过100℃, 这对设备的轴瓦安全、长周期运行造成严峻的考验。2013年5月, 对高压泵进行检修时, 发现3台泵轴瓦都有损坏。试车一年多, 多次将油温加热到100多度, 致使润滑油碳化变质, 引起油管路上的过滤器堵塞。自试车至2013年10月, 曾因润滑油碳化变质, 引起了油管路上的过滤器堵塞, 造成高压泵因过滤器出口压力低低 (≤0.15MPa) 而连锁跳车3次, 严重影响生产及设备的稳定运行。经过分析和车间讨论, 决定将尿素高压泵油加热器程序进行修改。
3 修改前的情况
3.1 PLC工作过程
尿素高压泵使用的PLC硬件系统选用的是S7-300, 编程软件选用的是西门子STEP7.0, 梯形图中的网格是以纵向扫描, 即信号流向是从左到右, 从上到下进行。
修改前的逻辑图以高压氨泵B泵 (即2#液氨泵) 为例进行说明 (修改前的逻辑图如图一所示) 。
现场手动/自动开关打到自动状态下, 输出信号“1”, 放到手动状态下, 输出信号“0”;油泵启动时, 输出信号为“1”, 油泵停止时, 输出信号为“0”;油温低于5℃时, 输出信号为“1”, 油温高于5℃时, 输出信号为“0”;当所有输出信号均为“1”时, AND输出全为“1”, PLC控制器操作台上油加热器开关开时, 输出信号为“1”。只有所有条件同时输出“1”时, 油加热器开关才能起作用。当其中一个信号输出为“0”, 油加热器均不能启动。
3.2 2#液氨泵油加热器启动说明
修改前油加热器的启动程序梯形图如图二所示, 现场手动/自动开关在自动状态下, 常闭触点是闭合的, M1.0位存储器输出“1”;油泵启动时, 常开触点是闭合的, M2.0位存储器输出“1”;油温低于5℃时, 常开触点是闭合的, M50.0位存储器输出“1”;PLC控制器操作面板上油加热器开关HMI启动时, 常闭触点是闭合的, M8.0位存储器输出“1”。只有所有条件同时输出“1”时, 给Q6.5一个脉冲“1”信号, 同时I/O卡件输出“1”数字量, 同时保持输出“1信号”, 油加热器启动, 一直加热。
3.3 2#液氨泵油加热器停止说明
修改前油加热器的停止程序梯形图如图2所示, 现场开关放到现场手动时, 常闭触点是断开的, M1.0位存储器输出“0”;油泵不启动或故障停止时, 常开触点是断开的, M2.0位存储器输出“0”;PLC控制器操作台上油加热器开关HMII处于停止时, 常开触点是断开的, M8.0位存储器输出“0”。当其中任何一个条件输出为“0”时, 给Q6.5一个脉冲“0”信号, 同时I/O卡件输出“0”数字量, (R) 置位, 油加热器停止加热。
4 修改后的情况
在工艺操作台画面上增加油加热器软开关操作按钮, 并将PLC控制器操作台上的油加热器控制开关通讯到DCS工程师站上, 同时对油加热器的原设计程序进行更改, 其控制原理同样以高压氨泵B泵 (06J0104B) 为例进行说明 (其修改后的控制逻辑图如图三所示) , 修改后在DCS操作台上增加手动/自动启停油加热器软开关, 当油泵启动情况下, 现场手动/自动开关无论打到什么位置, 当软开关放在自动时, 在油泵启动状态下, 只要温度小于10℃, 油加热器均可自动启动, 当温度高于15℃时, 油加热器自动停止。油加热器在手动启停状态时, 现场手动/自动开关无论放到什么位置, 在油泵启动状态下, 只要温度小于10℃, 油加热器均能手动启停, 当温度高于10℃后, 人为可以手动停止加热器, 也可不停止加热器, 当不停止油加热器时, 加热到30℃后自动停止加热。
4.1 2#液氨泵中控软开关处于自动状态时的说明
修改后软开关处于自动状态的梯形图如4所示, 当PLC控制面板上的HMI按钮处于启动状态时, 常开触点闭合, M8.0位存储器输出“1”;2#液氨泵中控软开关取得自动控制权时, 常开触点闭合, M1.7位存储器输出“1”;油泵启动时, 常开触点是闭合的, M2.0位存储器输出“1”;油温低于10℃时, 常开触点是闭合的, M50.0位存储器输出“1”, 此时所有条件同时输出“1”时, 给Q6.5一个脉冲“1”信号, 同时I/O卡件输出“1”数字量, 同时保持输出“1信号”, 油加热器启动, 一直加热。同样, 当PLC控制面板上的HMI按钮处于停止状态时, 常闭触点闭合, M8.0位存储器输出“1”, 只要其他条件满足, 油加热器也可自动启动。
当PLC控制面板上的HMI按钮处于启动时, 常开触点闭合, M8.0位存储器输出“1”;2#液氨泵中控软开关取得自动控制权时, 常开触点闭合, M1.7位存储器输出“1”;油泵故障或手动停止时, 常开触点是断开的, M2.0位存储器输出“0”;此时, 油加热器将输入一个“0”的脉冲信号, 油加热器自动停止。当油温高于15℃时, 常开触点是断开的, M50.0位存储器输出“0”, 此时, 油加热器输入一个“0”的脉冲信号, 油加热器也可自动停止。同样当HMI按钮处于停止状态时, 常闭触点闭合, 输出“1”, 但是当油温高于15℃或油泵停止时, 也可以实现油加热器停止。
4.2 2#液氨泵中控软开关处于手动状态时的说明
修改后软开关处于手动状态的梯形图如5所示, 当PLC控制面板上的HMI按钮处于启动状态时, 常开触点闭合, M8.0位存储器输出“1”;2#液氨泵中控软开关取得手动启动控制权时, 常开触点闭合, M1.8位存储器输出“1”;油泵启动时, 常开触点是闭合的, M2.0位存储器输出“1”;油温低于10℃时, 常开触点是闭合的, M50.0位存储器输出“1”, 此时, 油加热器自动启动。同样, 当PLC控制面板上的HMI按钮处于停止状态时, 常闭触点闭合, M8.0位存储器输出“1”, 只要其他条件满足, 油加热器也可自动启动。
当PLC控制面板上的HMI按钮处于启动时, 常开触点闭合, M8.0位存储器输出“1”;HMI按钮处于停止状态时, 常闭触点闭合, 输出“1”。当温度高于10℃, 后, 可以对2#液氨泵中控软开关手动停止控制权进行控制, 当停止油加热器时, 常开触点断开, M1.7位存储器输出“0”, 此时, 油加热器输入一个“0”的脉冲信号, 油加热器停止。如果不手动停止油加热器, 当油温高于30℃时, 常开触点是断开的, M50.0位存储器输出“0”, 此时, 油加热器输入一个“0”的脉冲信号, 油加热器也将自动停止。
油泵在运行过程中, 当故障或人为手动停止时, 常开触点是断开的, M2.0位存储器输出“0”;此时, 油加热器输入一个“0”的脉冲信号, 油加热器自动停止。
5 取得的效果
2013年10月通过对控制程序进行改造后, 通过一年多的运行, 再没有出现过因温度被加热高于100℃的情况发生, 通过2014年设备检修, 泵轴瓦全部完好。同时也没有因润滑油碳化致使高压泵跳车的情况发生。本次对油加热器程序的修改后, 取得了良好的效果, 实现了设备的安全运行, 同时也为工艺的稳定运行夯实基础。
6 结束语
PTC陶瓷加热器的工作原理 篇5
PTC加热器原理及功能
PTC型陶瓷加热器采用PTC陶瓷发热组件与波纹铝条经高温胶粘组成。该类型PTC加热器有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。它的一大突出特点在于安全性能上，任何应用情况下均不会产生如电热管类加热器的表面“发红”现象，从而引起烫伤，火灾等安全隐患。
最显着的特点是：
1．PTC型陶瓷加热器省成本，长寿命。
不需要专门的温控器和热电阻热电偶等温度传感器进行温度反馈即能对加热器进行发热控制，它的温度调节是靠自身的材料特性，从而使产品具有远大于其它加热器的使用寿命。
2．PTC型陶瓷加热器安全，绿色环保。
加热器本体的设计加热温度在200摄氏度以下的多档次，任何情况下本 体均不发红且有保护隔离层，任何应用场合均不需要石棉等隔热材料进 行降温处理，可放心使用不存在对人体烫伤和引发火灾的问题。
3．PTC型陶瓷加热器节约电能。
比较电热管和电阻丝加热产品，本产品是靠材料自身的特性，根据环境温度的改变来调节自身的热功率输出，所以它能将加热器的电能消耗优化控制在最小，同时高发热效率的材料也大幅提升了电能的利用效率。
·升温迅速、遇风机故障时也能自控温度、使用寿命长
·电压使用范围宽，可在12V-380V之间根据需要设计
·设计方便，可从小功率到大功率任意设计，外形也可按要求设计
·不燃烧，安全可靠，PTC发热时不发红、无明火
在中小功率加热场合，PTC 加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等传统发热组件无法比拟的优势，在电热器具中的应用越来越受到研发工程师的青睐。
PTC型陶瓷加热器使用注意
(1)PTC 加热片具有自动恒温的特点，不需要温度控制系统，将 PTC 加热片直接通电即可。
(2)当 PTC 加热片用来加热液体（如水）时，液体烧干后，PTC 加热片不会损坏。
(3)若 PTC 加热片用来加热冷风，不送风时，PTC 加热片不会损坏。(5）使用寿命长，正常环境下使用，寿命可达 10 年以上。
(6）工作可靠，利用 PTC 加热片内部特性控温，永远不会超温。
加热器控制 篇6
关键词： 半导体制冷器； 模糊PID； 温度控制
中图分类号： TP 273.4文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.02.015
FuzzyPID temperature control system of the
room temperature sample furnace
HE Xi1， HAN Jun1， CHEN Wenjian2
（1.School of Optoelectronic Engineering， Xi′an Technological University， Xi′an 710021， China；
2.Xi′an Institute of Applied Optics， Xi′an 710065， China）
Abstract： According to the test requirements of spectral emissivity of the infrared stealth materials， a room temperature sample furnace system based on thermoelectric cooler is proposed. Characteristics of the furnace system are analyzed and simulation model based on the fuzzy PID algorithm is established. Both the simulation and experiment results show that the temperature control system based on fuzzy PID algorithm demonstrates a good stability and response time. The error between the actual temperature and the setup temperature is ±0.20 ℃ and ±1.00 ℃ under heating or cooling. Problems of the room temperature sample heating furnace such as low antijamming capability or poor stability are therefore solved.
Key words： thermoelectric cooler； fuzzy PID； temperature control
引言 光谱发射率及定向发射率是研究红外隐身材料性能隐身性能的重要指标。红外隐身材料的光谱发射率的测量主要集中在大气窗口8～14 μm内，对应的温度范围约为-30～70 ℃。能量对比法是目前广泛采用的精度较高的光谱发射率测量法，该方法依据发射率的定义在同一温度下用同一探测器分别测量绝对黑体及样品的光谱辐射功率，两者之比就是材料的光谱发射率值[12]。采用能量法进行材料光谱发射率测量时，需要根据不同的温度范围设计不同结构的样品加热炉，再根据不同的样品加热炉的加热体特性设计相应的温度控制方法。样品加热炉的温控控制精度直接影响到最后的测量结果。实验表明，在近室温范围内，当标准黑体炉与样品加热炉的温差为2 ℃时，测量结果的相对误差会增加1%[3]。针对这一问题文中提出了一种基于半导体制冷器的近室温样品加热炉系统，对于这样一个工作在近室温范围内的加热炉系统，系统具有很大的非线性、滞后性以及时变性，采用传统的PID算法很难用理论建立精确的数学模型。本文采用模糊算法与PID算法相结合的算法，该算法既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精确度高的特点。1样品加热炉设计近室温样品加热炉要求系统具有高的测量与控制精度和高的稳定性。根据近室温样品加热炉温度测量和控制的技术要求，系统共分为两部分：样品加热炉结构模块、温度控制模块[4]。
1.1结构设计
1.1.1半导体制冷器半导体制冷器是一种热电制冷器（Thermoelectric cooler），它是由半导体按照特殊的结构组成的一种加热制冷装置，能集加热与制冷为一体。基于半导体制冷器的样品加热炉系统无需将加热与制冷分离。半导体制冷技术主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用，能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出，这种吸收或放出的热量通常叫做帕尔帖热。从热端到冷端的传导热为：Qc=K（T1-T2）（1）其中：K为半导体制冷器的导热率；T1，T2为半导体制冷器热端和冷端的温度。常规的半导体制冷器两端的温差约为60～70 ℃，特殊情况下可达到150 ℃。针对半导体制冷器的这一特性，文中选用半导体制冷器作为样品加热炉的加热体。半导体制冷器控制面如图1所示。此结构中包含纵横排列的半导体制冷器，每排串联3个半导体制冷器，排与排之间并联成列共3排。采用该结构一方面可以提高半导体制冷器的效率，另一方面可以构成较为均匀的温度场。光学仪器第35卷
第2期何茜，等：近室温样品加热炉温度的模糊PID控制研究
图1半导体制冷器控制面
Fig.1TEC control surface图2样品加热炉结构
nlc202309011224
Fig.2Sample furnace structure
1.1.2炉体结构样品加热炉的结构如图2所示，最外层的辐射面是被测样品材料，材料上钻有插孔用于放置Pt100热电阻，材料的表面积为140 mm×140 mm的正方形；其次为半导体制冷器控制面，此结构中包含纵横排列的半导体制冷器；再次为液体回流装置，用于减小半导体制冷器两个面上的温差，且将其基础温度限定在安全温度范围。因为当半导体制冷器在较大温差下工作时，制冷系数迅速下降，制冷工况也会迅速恶化，液体回流装置如图3所示；最后是散热层，散热层的作用是将多余的热量带走，不影响整个系统正常工作。
1.2温度控制系统设计温度测量系统的硬件电路系统由下位机和上位机构成，下位机硬件主要由温度传感器Pt100、功率放大器AD620构成的调理电路、A/D转换器AD574A和半导体制冷器的H桥驱动电路以及单片机组成，上位机为PC机，系统原理图如图4所示。数据采集过程为：在12 V恒流源的激励下，Pt100的阻值随温度的变化转换成电压的变化，调理电路对电压信号进行放大、变换，输出标准信号，经A/D转换送下位机，再通过串行通信上传给PC机进行存储、显示和图形化。对温度的控制不是根据预先设定的温度值，而是根据设定值与采样值的偏差e以及偏差变化率ec，当偏差大于0时加热，偏差小于 0时制冷。图3液体回流装置
1.2.1温度采集模块铂电阻温度计因其测温范围宽、准确度高、性能稳定、组成测控温系统灵活而在温度测量领域得到了广泛的应用，其测量范围为-200～850 ℃。常用的Pt100电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将Pt100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除，本文采用三线制接法，如图5所示。测温原理：电路采用D1和电位器R5调节产生4.096 V的参考电源；采用R1、R2、R6、Pt100构成测量电桥（其中R1=R2=2 kΩ，R6为100 Ω精密电阻），当Pt100的电阻值和R6的电阻值不相等时，电桥输出一个mV级的压差信号，这个压差信号经过AD620放大后输出期望大小的电压信号，该信号可直接连AD转换芯片。
1.2.2通信模块采用89C52作为温度控制器，温控器通过RS232与PC机通讯，接受PC机发送的温控指令，并将实测的温度数据上传给PC机。温控器的通讯系统包括下位机软件和上位机软件两部分。下位机程序包括主程序、显示子程序、A/D 转换子程序和D/A 转换子程序等，实现了对 A/D、D/A 以及键盘显示的驱动。另外，在A/D采样过程中还加入了显示报警功能，当采样温度值超出设定的温度范围，温控器报警信号灯就会闪烁并停止对 TEC的驱动。上位机软件主要是通过串行口RS232实现对温控仪的控制，对实时输入的温度数据进行控制并显示输出，通信过程如图4所示。
1.2.3制冷器驱动半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态，因此需对半导体制冷器提供一个大小、方向可调节的电流，通过调整电流的大小来调整半导体制冷器制冷制热的强度，通过调整电流的方向实现加热和制冷的转换。文中采用H桥驱动电路，对半导体制冷器进行驱动，如图6所示：Q1和Q4为P沟道型MOS管，Q2和Q3为N沟道型MOS管，VCC为12V。当Q1和Q2导通时，电流经半导体制冷器由左至右流过；当Q3和Q4导通时，电流经半导体制冷器由右至左流过。通过控制Q1和Q4导通时间来控制半导体制冷器的工作时间。
2样品加热炉温控系统仿真及实验
2.1模糊PID控制原理及设计模糊PID是文中的核心部分，温度模糊控制器结构采用二维模糊控制器，即以实际温度对设定温度的误差e及误差的变化率ec作为模糊控制系统的输入模糊变量[5]，语言变量值取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7个模糊值；选择输出语言变量为Δkp、Δki、Δkd语言变量值也取{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}7个模糊值，建立Δkp、Δki、Δkd的模糊规则，控制规则如表1、表2及表3所示：
2.3仿真及实验结果分析在恒定室温下（20 ℃）对加热炉系统进行实验验证。在加热情况下，将样品加热炉的预设温度设置为T=50 ℃，制冷情况下，将预设温度设置为T=-10 ℃，当系统稳定后测量不同温度下的系统输出。仿真结果与实验结果如图8、图9所示。
加热器控制 篇7
DSP输出的数字信号通过MAT芯片转换后按RS485准则与上位计算机进行通讯。本装置可以在强磁干扰环境中正常工作且整体外观尺寸仅为200X200X100mm,12VDC电源供电。实验表明,本装置在10000VAC,12～60°C,2～70%RH,强电磁干扰,以最快1次/S的速度对高压变电柜所处环境的温度、湿度和受电设备(电弧加热器)的冷却水流量、进气压力和漏电电流等参数进行监测,系统监测误差在2级左右。
1技术领域
本装置涉及高压变电柜技术,具体涉及一种集成化高压变电柜工作状态自动控制装置。
2背景技术
以等离子体电弧加热器为核心的防热材料地面模拟实验系统中,高压变电柜是为加热器提供电源的关键装置,其工作状态是整个系统的安全与稳定工作的决定性因素。等离子体电弧加热器工作过程中需要持续的10000V、800A交流电源供电,高压变电柜负责将工业电网中的电压与电流进行转换为加热器提供电源。
由于工作电压和电流极大,高压变电柜对其工作过程中所处的环境温度、湿度等条件要求较高:同时,处于对电弧加热器工作安全的考虑,需要高压变电柜能够在加热器冷却系统、气源系统和加热器本身发生异常口做出反应。电弧加热器在工作过程中会对周围空间电子设备产生很强的电磁干扰,因此高压变电柜控制装置需要具有良好的电磁屏蔽能力。
现阶段高压变电柜控制装置大多采用“分散监测、人为控制”的方式,采用大量传感器监测高压变电柜工作环境参数和受电设备工作状态,采用中央控制台集中处理传感器信号并提示操作人员做出反应,这种控制方式存在现在线路复杂、自动化程度低、抗干扰能力差和不能及时对异常情况做出反应等不足。而具有集成化、小型化、自动化程度高、反应灵敏等特色的新型高压变电柜控制装置还未见报道。
3本装置内容
本装置的目的在于提供一种能够自动高压变电柜及受电设备工作环境与状态进行实时监测,根据用户预先设置参数自主控制变电柜工作的集成化、智能化、小型化的适用于电弧加热器的高压变电柜自动控制装置。
本装置的目的是这样实现的:它包括设置在外壳的DSP单元,DSP单元外围定时器、1个温度传感器、1个湿度传感器、3个A/D转换器和外界电源回路,由3个A/D转换器、1个温度传感芯片和1个湿度传感芯片与DSP单元共同构成输入回路,由继电器、接触器和DSP单元共同构成控制输出回路,有定时器和DSP单元组成时间控制回路,DSP单元控制信号的输出端通过继电器连接接触器控制端,接触器控制端的输出端连接高压变电柜真空开关,DSP与上位计算机之间的通信线路上串联有光电隔离装置。
技术特征:
(1)所述的上位计算机的控制信号按RS485同新准则通过信号传输线路连接串行通信接口的两个通信管脚,两个通信管脚分别接入MAX芯片的两个通信管脚,MAX芯片的电源正极管脚和电源负极管脚分别接入外接电源回路的正极和负极,AMX芯片的两个通信输出端口管脚分别接入DSP单元的两个通信端口管脚,DSP芯片的电源管脚分别接人外接电源回路正极和负极,外界电源回路的电源输入管脚上接外界电源正极,另一管脚接外界电源负极。
(2)所属的温度传感器的输出端通过数据端口经由数据总线接口,湿度传感器的输出端通过通信端口经数据总线连接DSP单元总线接口。
(3)所述的装置还包括安装在电弧加热器冷却系统处的流量传感器,流量传感器的正极和负极分别接入流量信号输入端口管脚,流量输入端口管脚分别接人A/D转换器的输入管脚,A/D转换器的电源正极管脚和电源负极管脚分别外接电源回路正极和负极,A/D转换器的数字量信号输出端通过其数字端口经由数据总线连接DSP单元总线接口。
(4)所述的装置还包括安装在电弧加热器气源系统进气处的压力传感器,压力传感器的信号正极和负极分别接入压力信号输入端口管脚,压力输入端口管脚分别接入A/D转换器的输入管脚,A/D转换器的电源正极管脚和电源负极管脚分别接入装置的电源回路正极和负极,A/D转换器的数字量信号输出端通过数字端口经由数据总线连接DSP总线接口。
(5)所属的装置还包括安装在电弧加热器处的漏电电流传感器,漏电电流传感器的正极和负极分别接入漏电电流信号输入端口管脚,漏电电流输入端口管脚分别接入A/D转换器的输入管脚,A/D转换器的电源正极管脚和电源负极管脚分别接入外接电源回路正极和负极,A/D转换器的数字量信号输出端通过数字端口经由数据总线连接DSP单元总线接口。
(6)所属的定时器通过其两个输出端口管脚分别连接DSP单元的两个DSP触发端口管脚。
(7)所述的DSP单元通过其两个控制端口管脚连接继电器,继电器的控制端管脚直接接入外接电源回路负极,其另一控制端管脚经过DSP单元的控制输出端端口管脚接入装置电源正极,继电器输出端管脚直接接入接触器端管脚,继电器的另一个输入端管脚接入外接电源正极,接触器的控制端管脚接入外接电源负极,其两输出端管脚分别通过控制输出端口管脚连接高压变电柜真空开关。
本装置还具有以下几个主要特征:
(1)本装置以DSP芯片为核心,通过总线方式集成了定时器、温度传感芯片、湿度传感芯片和3组A/D转换器,能够同时监测环境温、湿度信息和外围设备水流量、气压和漏电电流等信息。通过用户预设参数可以实时监控周围环境和设备工作异常,并自主做出反应,同时可以通过RS422串行通信准则与上位计算机保持实时通信,使整个装置实现了高度的智能化和集成化,可以更为有效地提高高压变电柜和受电设备的工作安全性和可靠性。
(2)本装置采用优质铝合金外壳封装内部元器件,整个外壳通过铜线接地,保证装置可以在电弧加热器工作时产生的强空间磁场环境中稳定工作。
(3)本装置通过光电隔离装置实现了与计算机通信线路之间的物理隔段,不但有效地消除了噪声电压干扰,而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配等问题,同时也可以在被测设备短路时保护系统不受损坏。
因此本装置涉及的是一种集成化高压变电柜工作状态自动控制装置,具体地说是一种能够自动识别变电柜所处工作环境的温度、湿度等环境信息和工作时间,按用户预先设定的参数控制变电柜工作状态的装置。
经在防热材料地面模拟电弧加热实验系统实验表明,本装置在10000VAC,12～60°C,2～70%RH,强电磁干扰,以最快1次/S的速度对高压变电柜所处环境的温度、湿度和受电设备(电弧加热器)的冷却水流量、进气压力和漏电电流等参数进行监测,系统监测误差在2级左右。能够在监测参数超出用户预定安全值后1S内做出反应,可以有效的保护高压变电柜、用电设备和操作人员的安全。
摘要：高压变电柜自动控制装置体积小,涉及高压变电柜技术,能够自动对高压变电柜及受电设备工作环境与状态进行实时监测。文章介绍了其背景技术,装置内容的设计及技术特征,仅供参考。
关键词：DSP,定时器,温度传感器,湿度传感器,高压柜
参考文献
[1]郝瑞祥,郑琼林,游小杰,郭文杰.电气传动. 2007年第04期.
加热器控制 篇8
环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备,其加热质量直接影响钢管的质量,其能耗和氧化烧损直接影响钢管的成本,其设备状况和操作水平直接影响钢管的产量[3,4]。因此,保证环形加热炉的最优生产状况是无缝钢管生产的关键。环形加热炉作为一种特殊的连续加热炉,具有步进式加热炉的很多特点,而且环形加热炉能够满足多种加热制度的要求,使之更能适应现代化生产的需要[5]。在自动控制方面,少数发达国家早在20世纪80年代中期就已经开始开发以数学模型为基础的优化控制策略,我国在这方面的研究虽然起步较晚,但发展较快,近几年已有多篇关于环形加热炉离线数学模型及以数学模型作为在线监控的报道,而完全以数学模型为基础实现其在线优化加热控制的报道尚不多见。
天津钢管有限责任公司使用的1#环形加热炉主要用于管坯穿孔前加热,环形炉中径48 m,内宽5.2 m,全炉共分9个控制段,一级控制系统采用西门子S7-400控制系统,在原有的控制系统中无二级系统。为了进一步提高钢管的产量和质量、降低生产成本,必须进一步提高环形加热炉的控制水平。因此,利用文献[1]和[2]提供的环形加热炉数学模型,在实现基础燃烧控制的环形加热炉上开发了一套“基于环形加热炉数学模型的管坯优化加热控制系统”,并于2006年11月在天津钢管有限责任公司1#环形加热炉上成功应用。从投运效果来看,实现了预期的攻关目标,取得了良好的控制效果。
1 硬件配置
环形加热炉控制系统设计了三种不同的功能级:即零级系统、一级和二级系统,其中零级系统包括现场装置和仪表等,一级系统包括环形加热炉使用的电气和仪表控制系统。环形炉二级控制系统是应用在零级系统、一级系统之上的。整个环形炉控制系统配置如图1所示。
2 主要功能及实现
环形加热炉计算机优化控制系统的控制目标可表述为:在满足轧机产量的情况下,使钢坯出炉温度最接近目标值,钢坯截面温差最小,减少操作人员或降低劳动强度,加热炉设备得以保护而且可以达到环保要求的指标。其主要功能包括管坯位置跟踪、管坯温度跟踪、炉温优化设定及动态优化、环形炉待轧过程优化控制等。
2.1 管坯位置跟踪
加热炉内钢坯位置跟踪范围从钢坯装入加热炉开始,到出加热炉为止,管坯炉内位置在线实时跟踪是环形加热炉优化加热控制的基础。加热炉二级过程控制计算机根据来自基础自动化的各钢坯装料的装入行程和步进梁每周期的移动量等信号,实时跟踪加热炉内各钢坯在加热炉的位置,同时在数据库中存储每根管坯的位置信息,并在界面显示所有钢坯的真实位置。环形加热炉二级控制系统炉内管坯位置跟踪界面见图2。用鼠标左键点击任何一根管坯,与这根管坯相对应的属性就动态显示在右侧属性栏中,包括:炉号、批号、钢种、长度、直径、炉内位置、上部点温度、中心点温度、下部点温度、表面平均温度、温差等参数。同时,环形炉二级控制系统还具有管坯位置修正功能,鼠标右键点击任何一根管坯,会出现管坯参数修改界面,可对该管坯进行入炉时参数的修改。
2.2 管坯温度跟踪
管坯温度跟踪主要功能是根据在线监测的各段炉温、煤气流量、空气流量以及物料跟踪信息,由管坯加热过程在线控制数学模型,以适当的频率计算出炉内所有管坯在计算时刻的温度分布。管坯加热过程在线控制数学模型以位置跟踪为基础,通过读取当前位置的炉温,由总括热吸收率法计算出管坯的外部热流,然后由交替隐式格式的TDMA(三对角方程追赶法数值求解技术)数值计算方法计算出管坯内部的温度分布,从而实现全炉管坯温度的在线跟踪计算,为炉温优化设定提供坚实的理论依据。加热过程在线控制数学模型计算框图如图3所示。
环形加热炉二级控制系统炉内管坯温度在线跟踪界面见图4。温度跟踪界面上棒形图的高度与炉内管坯的温度对应,界面上横轴的位置即代表管坯离开装料口的距离。用鼠标点击任何一根管坯的棒形图,这根管坯对应的属性就会动态显示在右侧属性栏中,包括:炉号、批号、钢种、长度、直径、炉内位置、上部点温度、中心点温度、下部点温度、表面平均温度、温差等信息。
2.3 炉温优化设定及动态优化
加热炉二级控制系统按照预先设定的时间,根据当前在不同炉区内的管坯参数(如管坯的尺寸、钢种、管坯的当前温度等)搜索管坯加热优化炉温数据库(数据库为离线仿真软件计算得到),从数据库中找到相应的优化结果后,根据管坯的预测温度值对其进行修正,修正以环形加热炉各段烧嘴分布及模型计算为依据,各段具体修正幅度见表1。表1中:第1段和第2段为预热段,基本不做修正;第3～第6段为加热段,表中的修正值为模型预测出炉温度每出现10 ℃偏差,各段增加或减少的温度,其中第5段为主力加热段,调节幅度较大;第7～第9段为均热段,表中的修正值为模型预测出炉最大温差每出现10 ℃偏差,各段增加或减少的温度。
最后将修正好的加热制度发送给环形加热炉基础燃烧控制系统并在炉温优化设定界面显示。
系统针对一些特殊钢种(如该厂自行研制的含硒元素较多的钢种)设置了自动和手动两种工作状态,如果处于自动状态,环形加热炉的炉温设定值将采用二级控制系统优化的炉温设定值;如果处于手动状态,则对炉温进行人工设定,设定时以二级控制系统优化的炉温设定值作为参考,人工设定好以后可将设定好的加热制度保存到数据库内,作为炉温数据库的基础。
℃
2.4 环形炉待轧过程优化控制
加热炉是轧钢工序中重要的组成部分之一,在实际生产过程中,加热炉生产受到许多动态因素(产品规格、产量、待轧等)的影响,因此待轧在实际生产过程中不可避免。二级控制系统会根据输入的待轧时间,搜索相关炉段所对应管坯的待轧保温温度数据库,把各段保温温度显示在界面上,操作人员也可以在此基础上调整各段保温温度。系统会分别计算各段升温所需时间,为保证在待轧结束时各段都恢复到待轧前的炉温制度,升温时刻采用各段中最早的升温时刻,同时把待轧开始时刻、待轧时间、待轧升温时刻显示在界面上,给操作人员以提示。
3 运行效果及分析
天津钢管公司环形加热炉二级控制系统自2007年11月投入运行以来,为了检验环形加热炉在线控制系统数学模型的准确性和可靠性,在实际生产中,针对产量较大的管线管、气瓶管和套管,将数学模型模型计算的管坯表面温度和实测值进行对比验证。实测值为出料口红外辐射高温计测量值,验证时在整炉管坯每隔10根管坯选取1根(全炉340根中共选取34根),出炉时进行摔钢以使其氧化铁皮脱落,然后用红外高温计进行近距离测量管坯温度,同时与在线数学模型的计算值进行对比,其验证结果如图5所示。图中连续曲线为不同种类管坯的工艺目标温度,空心离散点为数学模型计算的管坯表面温度,实心离散点为红外辐射高温计测量的管坯表面温度。从图中可以看出,数学模型计算值与实际测量值吻合很好,其最大绝对误差为10 ℃,最大相对误差仅为0.8%。由此可见,基于数学模型的环形加热炉计算机控制系统炉温优化设定值满足加热工艺要求,模型计算的管坯温度与实测的管坯温度也满足实际生产的要求。
在完善的数学模型基础上,经过持续不断的功能开发,控制系统很好地完成了管坯位置跟踪、模型计算管坯温度、炉温优化设定、待轧处理等功能,目前已成为环形加热炉生产设备中必不可少的一部分,实时性大为提高,取得了显著成果。
参考文献
[1]苏福永,张旦天,温治,等.环形加热炉管坯加热二维传热数学模型的研究[J].工业炉,2005,27(3):4-7.SU Fu-yong,ZHANG Dan-tian,WEN Zhi,et al.Study ontwo-dimension heat transfer process mathematical modelfor the annular furnace of steel tube[J].Industry FurnaceSteel,2005,27(3):4-7.
[2]冯双杰,温治,苏福永,等.环形加热炉管坯三维传热数学模型的研究[J].冶金自动化,2007,31(5):26-29.FENG Shuang-jie,WEN Zhi,SU Fu-yong,et al.Studyon three-dimensional heat transfer mathematic model fortube rounds in ring shaped furnace[J].Metallurgical In-dustry Automation,2007,31(5):26-29.
[3]温勇.管坯环形加热炉的技术特点及控制水平[J].工业炉,2000,22(4):45-49.WEN Yong,Technical Features and control level of theannular heating furnace for pipe billet[J].Industry Fur-nace,2000,22(4):45-49.
[4]周韵玲,汪光阳,卿济民,等.环形加热炉自动控制系统[J].工业炉,2001,23(3):25-27.ZHOU Yun-ling,WANG Guang-yang,QING Ji-min,etal.Automatic control system for rotary reheating furnaceplant[J].Industry Furnace,2001,23(3):25-27.
加热炉设备控制方案研究 篇9
加热炉是工业生产部门最重要的设备工具之一, 它具有高耗能的特点。对加热炉进行理想的设备控制, 不仅可以促进工业生产部门的经济效益, 而且可以节约能源, 改善我国的生态环境, 实现经济与资源、环境的可持续发展。
1 加热炉设备控制流程
本文以我国冶金企业所使用的加热炉为例, 介绍加热炉设备的控制流程。冶金企业在使用加热炉时, 加热炉的炉口因为受热而温度变高, 炉口温度的高低会影响和制约着其它工序的操作效果。比如, 当炉口温度过高时, 部分材料会在加热炉内发生化学反应, 这样极有可能破坏加热炉的炉管, 影响加热炉的正常使用, 其它工序也会因此遭受牵连。所以, 有必要严格控制加热炉出口的温度。同时, 加热炉还可以传送热量。在使用加热炉时, 通过金属管壁, 热量可以直接地传送到加热炉里的能源介质上, 加热炉在传送热量过程中, 具有滞后性的特点。比如炉膛, 因为其热容量比较大, 滞后性故而也比较明显。
2 加热炉设备自动控制方案
加热炉自动控制, 主要是指实行对加热炉出口温度、燃烧过程以及联锁保护等的自动控制。目前, 我国冶金企业采用的加热炉大多都是比较大型的, 这种大型的加热炉不仅可以自动有效地控制出口温度, 提高加热炉的燃烧效率, 使加热炉热量损失相对较少, 而且在加热炉的使用过程中还增加了安全联锁保护系统, 确保冶金企业的生产活动能够安全的运行。因此加热炉设备控制方案应注意出口温度控制、燃烧过程控制以及联锁保护系统等方面。
2.1 出口温度控制
加热炉的出口温度受诸多因素的影响, 由于加热炉在加热过程中的动态反映比较慢, 所以冶金企业加热炉的温度控制大多都选择串级控制方案与前馈控制方案。串级控制方案主要是依据加热炉的不同干扰位置, 构建多参数、多元化的串级控制系统。在冶炼金属过程中, 若需要应用气体燃料时, 则必须换掉串级控制中的副调节器, 对此, 冶金企业可以选择浮动阀来代替, 还可以在使用气体燃料前, 改变燃料气的压力波动, 减少其对出口温度的热作用。由于串级控制方案和前馈控制方案在实践操作过程中简单易行, 因此在冶金企业部门得到广泛的应用。
2.2 燃烧过程控制
加热炉在使用过程中, 要尽可能地降低炉里剩余的空气量, 这样, 加热炉才有可能进行充分的燃烧。因此在加热炉使用时, 必须对加热炉的燃烧过程进行自动控制。加热炉燃烧过程的自动控制, 我们可以采取比较简单的方法。比如, 通过加热炉里的含氧量信号, 可以进行比值系数的修正。加热炉含氧量控制系统包括两个方面, 即检测机构与执行机构, 它们是加热炉含氧量控制系统安全运行的关键因素。在加热炉含氧量检测机构上, 我国大多冶金企业都选择氧化锆测氧技术。在使用氧化锆测氧技术检测加热炉烟道气中的含氧量时, 应正确选择测量点, 注意参比气体的流量, 控制锆管里的温度。目前, 我国冶金企业在加热炉燃烧控制系统中的执行机构比较落后, 其性能不完善, 影响和制约整个系统的稳定运行。对此, 冶金企业可以采用注入阻尼滞后的办法来提高燃烧控制的质量, 或者增加非线性环节来改善整体的品质。
2.3 联锁保护系统
冶金企业在使用加热炉时, 经常发生回火事故。当能源介质因为流量低于标准而致使烧嘴中断、火焰熄灭时, 就有可能发生回火事故。此外, 加热炉内燃料的管道压力低于标准时也经常引发回火事故, 相反, 当燃料管道压力高于标准时又有可能出现脱火事故。
加热炉联锁保护系统由多个部分组成, 包括温度调节器、压力调节器、火焰检测器、流量变送器以及低选器等等。若加热炉内的燃料管道压力比规定的压力大时, 加热炉无法进行正常的压力调节工作, 压力调节系统此时会选择低选器来进行相关的操作, 这样很容易引起加热炉出口温度的变动, 影响加热炉的整体质量。因此, 必须保证压力调节系统科学、有效的运行, 避免燃料管道压力过高, 防止脱火事故的发生。只有管道压力符合标准时, 温度调节系统才会使用低选器进行正常的操作工作, 金属燃料出口温度才得以恢复正常。金属燃料在进入加热炉时的流量低于标准时, 加热炉联锁保护系统就会出现双位信号, 以便控制加热炉的电磁阀, 取消加热炉里的燃料气供给量, 这样可以避免回火事故的发生。
3 加热炉设备自动控制的发展趋势
当前, 我国的节能技术日益发展, 在节约能源方面的贡献也是越来越大。加热炉就是在这样的背景下, 不断完善其节能控制系统。加热炉节能控制系统的完善主要根据燃烧过程的数学模型来寻找最优秀的燃烧过程计算机控制方案。目前, 我国大部分冶金企业已经实现这一方案, 比如, 有些冶金企业在生产过程中依据燃烧过程数学模型来构建微机控制系统, 有些冶金企业充分运用高科技完成约束控制, 确保加热炉安全、有效地进行。越来越多的冶金企业开始追求燃烧模型的工作方案, 将高科技引入到加热炉的运用中, 加热炉设备的控制方案也在不断地完善。
4 结论
加热炉是工业生产部门不可缺少的设备之一, 它影响着我国工业部门节能工程的实施。因此, 有必要研究最佳的加热炉设备控制方案, 实行加热炉设备的最佳燃烧控制。加快我国工业部门节能工程的进展, 实现经济与资源、环境的可持续发展。
摘要：加热炉是工业生产部门最主要的设备工具之一, 在我国工业生产过程中得到广泛的运用。本文从加热炉设备控制流程入手, 分析研究加热炉设备的控制方案。
关键词：加热炉,设备控制,方案研究
参考文献
[1]张香炜, 冯良, 姜娣.燃气比例阀的控制方案分析[J].煤气与热力, 2009 (2) :B4-26.
[2]吴波, 张静, 向勇.箱式热处理炉温度控制系统设计[J].热加工工艺, 2007 (14) :79-82.
加热炉温度控制系统 篇10
关键词：加热炉,温度控制,炉温优化
0 引言
国内某钢铁厂热轧1580mm生产线的加热炉采用的是蓄热燃烧技术, 使用高、焦以及转炉混合煤气做为燃料, 炉体分为四个燃烧段:预热段, 第一、第二加热段和均热段燃烧控制, 每段又分为上下共八段燃烧温度控制方案。可以通过空气/煤气比自寻优模型, 来实现煤气流量和空气流量的最佳配比控制, 使燃烧达到最充分的状态, 从而可以准确地控制温度。
1 温度控制方法
炉温控制是加热炉的核心控制部分, 它由执行器自动调节, 再配以空燃比等各项辅助控制以提高炉子的加热效率。每一个燃烧段的上部和下部炉温由安装在左右两侧炉墙上的热电偶来检测。在正常生产中, 控制系统可以自动选择温度较高的热电偶作为炉温控制的设定值;操作人员也可以选择其中任何一侧的热电偶作为炉温控制的设定值;另外当一只热电偶出现故障时, 可以自动切换到另一支热电偶进行温度测量。热电偶实际测量的温度可以给温度控制器提供参考, 使其产生一个信号, 这个信号可以作为空气流量和煤气流量控制器的设定值, 达到控制空气和煤气的流量的目的。加热炉的高质量控制对加热炉的生产起着非常重要的作用。在板坯加热过程中, 必须要控制好加热炉的各项指标, 否则大风量操作不仅会产生过多的废气, 还会带走很多的热能, 并造成板坯表面氧化层的增加, 从而延长了加热时间, 造成了能源的浪费, 降低了热效率。
2 温度控制策略
加热炉的温度控制包括加热、保温、再加热等多个过程, 每个过程都要求加热温度按照轧制要求进行升温或保温。通过控制煤气和热空气的流量, 能够调节设定的温度, 使炉温的动态性能和静态性能都满足轧钢的工艺要求。
2.1 煤气-空气双闭环控制 (煤气-空气分离控制)
加热炉燃烧过程中, 如果温度控制的比较平稳, 可以采取煤气-空气双闭环控制方案来控制煤气流量和空气流量。煤气流量是主动量, 空气流量是从动量。在稳定状态下, 煤气流量和空气流量按一定的空燃比进入加热炉中。当需要根据轧制要求升降温度时, 炉温控制器的输出一方输入煤气流量控制器进行煤气流量的控制;另一方经空燃比控制器后作为空气控制器的设定值, 进行空气流量控制, 煤气和空气双闭环比值控制开始作用。
当炉温稍高于设定温度时, 炉温控制器是反作用, 此时输出和空气流量的设定值都会减少, 且煤气流量的测量值不会发生变化, 利用煤气流量控制器控制煤气调节阀开度减小, 使温度降低;同时空气流量控制器输出也减小, 控制空气调节阀开度减小。当炉温稍低于设定温度时, 炉温控制器也是反作用, 此时输出和空气流量的设定值都会增大, 且煤气流量的测量值不会发生变化, 利用煤气流量控制器控制煤气调节阀开度增大, 使温度升高;同时空气流量控制器输出也增大, 控制空气调节阀开度增大。
如果需要快速升温, 可以改进为温度控制器输出直接给煤气控制器作设定值;空气设定由生产率计算得出, 通过前馈控制器发送给空气控制器。 (图1)
然而, 煤气-空气双闭环比值控制在温度发生急剧减少或增加的情况下就不能发挥作用了, 可能会产生过氧燃烧或缺氧燃烧现象, 使加热炉的热效率大大降低。为了保持煤气、空气的最佳燃烧, 可采用双交叉限幅控制来弥补双闭环控制系统动态比特性上的缺陷:即在双闭环比值控制的基础上, 在温度控制器后增加双交叉限幅功能。
2.2 煤气-空气双交叉限幅控制
双交叉限幅控制对副回路的煤气流量和空气流量的设定值的限幅控制是通过利用煤气流量和空气流量的实测值来实现的, 在温度发生剧烈变化时, 利用两者的相互制约能够有效的防止煤气或空气过剩。利用双交叉限幅控制, 副回路控制器可以为自己选取一个合理的数值来作为设定值, 如此一来, 能够有效的控制煤气流量和空气流量, 保证空燃比的合理性。
双交叉限幅控制能有效地限制空气过剩率, 保证系统工作在最佳燃烧范围内;但同时由于双交叉限幅控制响应速度慢, 限幅较死, 有时并不能满足现场要求, 可灵活视生产情况由上位机选择采用哪种控制方案。
3 炉温的优化
加热炉的燃烧控制是针对炉温而言的, 但实际上真正需要控制的是板坯温度, 由于钢坯内部温度难于测量, 因此需要建立一种模型来监控和计算每块板坯的温度状况, 这种模型被称为数学模型。数学模型一般以炉内板坯的尺寸、位置、被加热时间以及炉温为基准, 对温度进行连续计算。计算出来的板坯温度与设定加热温度相比较, 差值用来校正区域内的温度设定, 从而使加热过程按照理想设定值进行。它实质上是在炉温自动控制的基础上, 对炉温设定值的一种实时校正。数学模型的基本思想是跟据生产率及实际出钢温度的变化情况, 实时修正炉温设定值。但由于每个供热段负荷不同, 导致其各段模型系数也不一样, 在调整模型系数时应该考虑到其实际情况。
数学模型原理:
各段炉温数学模型计算公式为:
参数说明如表1。
4 结束语
加热炉采用这些先进的控制策略的目的是使煤气和空气充分燃烧以提高加热质量, 使其作为轧机延迟时温度控制, 并确保温度自动控制的稳定性。故加热炉的温度控制对于整个轧制过程来说是相当重要的, 温度控制准确, 板坯的温度才能满足轧制的技术要求。
参考文献
[1]乐建波.温度控制系统[M].北京:化学工业出版社, 2007.
[2]朱佳娜, 张加易.改进型双交叉控制在热处理炉中的应用[J].中国测试技术, 2004, 30 (4) :43245.
[3]蔡乔方.加热炉[M].北京:冶金出版社, 2008.
[4]曹树卫.钢坯步进梁式加热炉工艺设计及装备[J].钢铁研究, 2007 (01) .
探析电厂热网加热器的优化设计 篇11
关键词：新型热网加热器；，优化设计；设计计算
中图分类号： TM621 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）22-175-2
1 热网加热器的设计参数
2 新型换热器结构设计
2.1 热网加热器结构选型
热网加热器主要利用汽轮机或锅炉引来的蒸汽（加热介质）来加热热水供应系统里的循环水，作为热网系统的关键设备，传统结构上一般采用管壳式换热器。而列管式换热器中，以U形管换热器和固定管板式换热器较为普遍。对比U形管换热器，U形换热管的布管相比并不均匀，抗震性能不好，坏管率相比直管要高。而固定管板式换热器，管程清洗方便，换热管损坏时更方便堵管或更换。所以新型热网加热器的结构选择在固定管板式换热器结构的基础上进行优化设计。
2.2 水室设计
考虑热网加热器的实际运行环境，选用椭圆形封头水室，封头顶部设置HG/T521521标准人孔，同时在水室内设置分程隔板，分程隔板上设有把手，以便于设备的清洗与维护[1]，为了保证水室的使用寿命，在分程隔板均设有加强筋，避免在循环水长期的冲蚀下，分程隔板发生变形，影响设备的正常运行。分程隔板的位置取决于换热器的实际布管情况。
2.3 管束的设计
2.3.1 换热管的选择
换热管通常选取不锈钢材质和碳钢材质，对比在相同的换热面积下进行设计，满足设计要求的碳钢管为：19x2.0，不锈钢焊接换热管为19x0.9，选用不锈钢换热管的管束重量将比碳钢管换热管重量减少51%左右。其次，根据国内大型热网加热器的运行使用情况来看，不锈钢换热管的运行情况最好[2]。综合考虑设备的运输，运行维护成本，以及使用寿命等因素，不锈钢焊接管为优先选择。
2.3.2 换热器布管
在蒸汽入口侧，考虑蒸汽入口侧流量较大，同时按照GB/150.3-2011不另行补强的最大开孔直径要求，选择在壳程筒体上开有两个蒸汽抽气孔。这样做的优点在于简化了筒体的结构，增加了蒸汽的流通面积，而且便于设备的清洗与维护。为了减少蒸汽的阻力，在换热管与壳程之间预留了合理的流通面积，以增强热网加热器的换热效率。在蒸汽入口处的换热管位置设有防冲板，以保护换热管。
为增强换热器的换热效率，在布管方面与传统的固定管板式换热器有所区别。由于在结构和性能上对比，热网加热器与冷凝器较为相似。所以布管上采取三段式布管。将管束设计为过热段，冷凝段和疏冷段。这样设计的优点是使得壳程内介质的流动更为稳定，提高换热器的传热效率。设置疏冷段区间主要是防止疏水排空造成危险[3]。
1.管板2.定距管3.防冲板4.定距管5.换热管6.支撑板7.防冲板8.拉杆9.螺栓10.管板11.分程隔板12.隔板13.挡板14折流板15～17挡板18.定距管19支撑结构
换热管布管区自上而下分别为过热段区间，凝结段区间和疏冷段区间。设计时在壳程内采用隔板件15～17分隔出用于监测疏冷段工况的区间，对热网加热器实时监控，保证换热器的使用安全。
2.3.3 壳体设计
固定管板式换热器的壳体的热膨胀补偿性能不及U形管式换热器，需要在壳体上设置膨胀节。膨胀节按结构上主要分为轴向型，平面铰链型，万向铰链型，曲管压力平衡型，和拉杆型几种型式。从结构上进行选择，单式轴向U型膨胀节满足设计要求。但是对于热网加热器，在壳体上如果设置单式轴向型波纹膨胀节，在补偿处容易造成沉积物的积累，而且不便于壳程的清洗，影响其实际理论的热膨胀补偿效果。而且在制造阶段进行水压试验后，在U形处容易造成试压水排放不净，影响设备运行后膨胀节的使用寿命。所以在膨胀节的设计过程中采用了半U型不锈钢膨胀节，并对其进行有限元分析。
2.3.4 对新型结构热网加热器进行设计计算
经计算，所设计新型热网加热器满足GB150.0～150.4压力容器的要求，同时也符合TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程的规定。
3 结语
该新型热网加热器结合了以往对大型热网加热器的优化设计经验，同时采用了三段式布管：过热段，输冷段和凝结段。该热网加热器于2016年开始投运，运行状况良好。
参 考 文 献
[1] 杨明勇，蒋光涛.U形管式高压加热器水室设计[J].压力容器，2006，23（6）：52-54.
[2] 刘国军，王洪昌，孔令勤.大型热网加热器设计运行经验[J].电站系统工程，1999，15（6）：24-26.
道路沥青加热装置控制系统探究 篇12
在道路建设中,沥青不止单纯作为胶结料使用,而是必须要与砂石料混合在一起,在砂石表面形成一层黏膜,使松散的砂石材料黏结在一起,形成板体,达到一定的强度。沥青是一种温感性较强的材料,只有在一定的温度下,才有较好的流动性,才能与松散的石料混合在一起,起到黏结的作用。因此,在进行混合料生产时必须对沥青进行加热,使之达到一定的温度,更好地与砂石料结合,形成沥青薄膜,增加石料间的黏结力。
沥青加热方式多种多样,但根据其加热原理可分为热传导、热对流和热辐射3种。热传导和热对流主要是根据热量由高温向低温物体传导,达到加热的目的;热辐射是利用红外线或微波等先进手段进行沥青加热,其主要是增加分子间的相对运动使其达到加热的目的。目前主要的加热方式有明火加热、重燃油加热、水加热、导热油加热、红外加热等。其加热方式不同,但加热过程中控制系统大致一样,最主要的便是温度的控制。本文主要介绍了沥青加热系统的控制过程,并进行相应的理论分析。
1沥青加热系统结构
沥青加热系统主要由加热炉、沥青脱水罐、沥青加热罐、输送管道、控制阀等组成,其系统结构框图如图1所示。
加热炉主要进行燃料的燃烧,将燃料转化为热能,以便后续设备使用。燃油泵是以燃油为燃料,对燃料进行加压雾化使其与空气充分混合,形成足以燃烧的油气混合气,并且经点火装置点燃,释放热量。火管主要是燃烧后热气的通道,由于燃料燃烧使其温度增高,为了更合理地利用热量,可以将火管设置到沥青脱水罐中,对沥青进行加热或保温。由于沥青的工作温度一般比较高,因此在沥青流动管道和沥青加热罐周围都进行保温处理,以提高其保温性能,降低散热量。常用的保温材料有膨胀珍珠岩、玻璃丝或岩棉纤维板等,其导热性比较差,可以减少热量的散失。沥青脱水罐主要用来除去沥青中渗入的水分,防止沥青的加热质量及物化性能下降。在脱水过程中,脱水温度应控制在100 ℃～120 ℃范围内进行,并通过搅拌,使水蒸气迅速蒸发、排放,完成脱水过程。沥青加热罐是沥青加热的最后工序,也是最重要的程序,由于沥青在高温下存放时间过长,会改变和影响沥青的物化性能,从而影响沥青路面工程的施工质量,因此必须严格控制加热和存放时间,尽可能快地使沥青加热到所要求的温度。
2沥青加热设备温度控制系统
沥青加热设备控制系统中最重要的是温度控制。通常是配备一套智能温度控制系统对加热设备中各分块进行温度控制来实现加热系统温度的严格控制,保证沥青加热质量。其温度控制过程一般是在温度控制仪表中设定一个温度范围为所需要的沥青温度的目标值,在测量位置安装有温度传感器(热电偶)进行实时监控,并且时刻将温度值反馈至控制器,以便采取相应的措施,保证合理的温度。加热系统温度控制结构图如图2所示。
2.1 沥青加热罐温度控制回路
沥青加热罐主要是将已经脱水的沥青进行升温,使其达到工作所需要的温度(170 ℃～180 ℃)。如果温度控制不当,不仅影响成品沥青的质量,也会增加成本,造成资源的浪费,因此该回路中设有反馈回路,通过沥青罐内的温度传感器实时监控沥青温度,使其在合理的范围内。当温度超出设定范围时,反馈信号传入控制器,控制器发出指令信号来控制燃油泵的转速或排量,减少燃油的供应,同时还将调整鼓风机的通风量,使其与燃油保持最佳的混合比,以保证燃料的充分燃烧,尽可能提高热量利用率。当温度低于设定温度的下限时,则将继续供热或增加燃油量和通风量,以更快地提高沥青加热温度。
2.2 沥青脱水罐温度控制回路
该回路主要是用来预加热沥青并且将沥青中含有的水分排出。沥青脱水罐中的温度控制主要是防止沥青温度过高、贮存时间过长而导致沥青发生老化,严重影响沥青的物化性能。其控制过程与沥青加热系统类似,使其在一定的温度范围内变化,当温度超过设定的范围时,由传感器向控制器发出反馈信息,使其调节阀门的变化,减少热量的通入;当温度低于设定值时,将继续保持增加热量,尽可能提升沥青温度,减少沥青加热时间,保证沥青的物化性能。其温度控制回路结构图如图3所示。该系统还可以利用烟气温度增加能量的利用率。在加热时注意用火的调节,当温度达到80 ℃左右时,应改用弱火,这样可以使沥青中的水分完全蒸发且不易造成资源的浪费。因为如果继续使用强火加热,常使水分来不及汽化蒸发而导致溢流现象发生,极易造成浪费和事故。因此,应严格控制沥青的加热温度,保证其正常的使用性能。
2.3 排烟温度的控制
排烟温度的合适与否能够反映系统的能源利用情况,当排烟温度过高时,易造成能量的散失,降低能源利用率,因此,需要采取相应的措施进行排烟温度的控制。目前主要由两种方式进行排烟控制:增加烟道的长度(烟道成卷曲状态,盘旋在加热系统中)和控制烟气的排放速率(使烟气尽可能的加热沥青)。前者易于实现,但是需要合理布置排烟管道,后者需要增加烟道的抗压能力,以避免由于排烟不畅造成局部压力上升,使烟道破损。图4为排烟系统温度控制结构图。
2.4 辅助系统的控制
为保证沥青加热系统正常运行还有其他需要控制的因素。当采用导热油作为中间介质加热时,需保证导热油在加热过程中造成的管道压力的上升值不超过管道的承受力,并且导热油容器容积的大小须满足其体积膨胀的变化;导热油在加热过程中是不断循环作业的,这需要热油泵能够正常工作,并对其排量和转速进行调节,以保证沥青加热的效率和温度。当采用中压水作为传热介质时,还应对水的压力进行控制,使其能够满足沥青加热所需要的温度。因此,要保证整个系统能够正常工作,不仅要考虑主要系统的控制问题如沥青温度的控制,还要保证其他辅助部件的正常工作;否则,不仅增加施工成本,还不能保证施工的正常进行。
3结论
(1) 沥青加热系统温度控制是该系统的核心,尤其是要检测沥青加热罐中的温度变化,使其保持在合适的温度范围内。当温度达到所需要求时,则尽快将高温沥青排出,输送至成品罐中进行下一循环的加热。
(2) 对脱水罐中的沥青要进行相应的温度控制,并且严格控制加热用火的大小(温度低于80 ℃时,应尽量使用强火加热,以提高加热速度;温度高于80 ℃时,应该用弱火加热,可以使沥青中的水分尽可能地完全排出,以免影响后续沥青的使用),使其温度不致过高,以免加热时间过长造成沥青的过分老化。
(3) 排烟温度不能过高,以避免造成热量的浪费;还要尽量增加烟道的长度,保证热量尽可能地被利用,提高资源的利用率。
参考文献
[1]熊世陵.路用沥青加热设备技术浅谈[J].中国公路,2005(4):93.