基于模糊自整定的電伴加熱裝置應用

張 蒙

（中核陜西鈾濃縮有限公司生產運行部，陜西 漢中 723312）

0 引言

在鈾濃縮供取料廠房中，為了確保氣態工作介質在輸送過程中不發生相變，防止物料在輸送管道、閥門等處發生冷凝，需要為工作壓力高于環境溫度對應飽和蒸汽壓力的工藝管段敷設電伴加熱帶及其保溫層。

目前，供取料廠房使用的溫度控制設備基于PID控制，由于工藝工況對工作介質流量要求的變化，電伴加熱系統的穩態參數會發生變化，需要對PID控制參數進行整定，而常規PID參數的整定較為煩瑣，給工藝參數的控制帶來了困難，同時對系統安全穩定運行帶來了威脅，因此必須加以研究和優化。

1 電伴加熱裝置

電伴加熱系統由電伴加熱帶和加熱控制系統兩部分組成，主要包括電伴加熱帶、溫度傳感器、DCS控制設備、輸出模塊、執行機構等。在需要進行電伴加熱的管道和工藝設備表面采用平行或纏繞的方式進行電伴加熱帶的敷設，按照工藝要求的測點安裝Pt100溫度傳感器，最外層敷設一層橡塑海綿進行保溫。由現場控制盤柜、DCS控制站構成閉環控制系統，實現電伴加熱帶的溫度遠程監測、調節和超溫報警保護等功能。

在電伴加熱帶進行加熱前，首先應估算所敷設管道處散熱量，由于工藝工況要求，需根據電伴加熱所在管線的管道直徑、內表面溫度、介質溫度、保溫層厚度等參數，計算所需電伴加熱單位長度的額定功率及電伴加熱帶長度等[1]。供取料廠房的工藝管道電伴加熱主要使用自限溫電伴加熱帶，額定溫度105℃，采用厚度為20mm的橡塑海綿作為保溫材料。根據工藝要求，管道外表面溫度需維持在（70±3）℃，而供取料系統凈化設備內管道所處的環境溫度約為-20℃，因此要使用溫度控制器，通過調節電伴加熱帶加熱功率來控制工藝管道的電伴加熱溫度。參考《電伴加熱設計簡明手冊》對散熱量進行估算，從而確定使用電伴加熱帶的額定功率、防爆等級等參數。

1.1 計算管道散熱損失

由《工業設備及管道絕熱工程設計規范》（GB50264—2013）所列散熱量計算公式可知，所敷設工藝管線處的散熱量為：

式中：Q為單溫保溫層外表面積的散熱量（W/m2）；q為單溫管道長度的散熱量（W/m）；T0為工藝管線表面溫度（℃）；Ta為廠房環境溫度（℃）；D0為工藝管道外徑（m）；D1為敷設保溫層后的管道外徑（m）；λ為管道平均溫度下導熱系數[W/（m·℃）]，取λ=0.031；α為保溫層表面散熱系數[W/（m2·℃）]。

1.2 連接管散熱損失量

取α=27.23W/（m2·℃），將各數據代入公式（1）（2）中得到散熱量。由于設備所處環境為密閉低溫環境，制冷設備循環風機、低溫等因素對電伴加熱的保溫效果有很大影響，在所得理論散熱量基礎上附加一值為1.2的保險系數，即將所得理論散熱量乘以保險系數，作為管道散熱量：q′=1.2q=24.94W/m。

由此確定使用額定功率為25W/m的自限溫電伴加熱帶。

1.3 電伴加熱帶長度估算

大多數情況下，電伴加熱帶長度為敷設處工藝管道長度的1.1倍，每增加一個附件，需要增加1m電伴加熱帶。溫度不能滿足要求時，采用螺旋纏繞的方式，適當增加電伴加熱長度，保證敷設功率滿足散熱量要求[2]。

2 電伴加熱的運行

供取料廠房使用的電伴加熱主要用于防止物料冷凝。正常工況下，工藝管道的工作介質流量保持穩定，廠房溫度、氣壓、對流等控制嚴格，電伴加熱系統熱傳導近似處于一階穩態。特殊的情況，如本文所述的供取料廠房供料系統凈化操作期間，由于工藝管道內部的工作介質流量驟然增加，處于低溫狀態的工作介質流過敷設有電伴加熱的管道時，會從工藝管道吸收大量熱量，使得電伴加熱溫度快速降低。而由于電伴加熱控制參數設置不合理，在溫度擾動下，電伴加熱溫度往往會超出運行安全限值，控制過程中會出現較大超調等情況。

本文對鈾濃縮廠房供料凈化操作期間的工藝管線進行電伴加熱實驗，記錄電伴加熱帶的溫度和管道內工作介質的壓力變化情況，如圖1所示。

圖1 凈化期間溫度/壓力統計圖

從圖1可以看出，每次凈化時，隨著供料凈化操作開始，工藝管道內的工作介質壓力上升，流量增大，介質吸熱使得溫度快速下降，下降值在10℃左右。而隨著壓力下降至正常值，溫度逐漸恢復。整個過程呈現出降溫快、升溫緩慢、存在溫度超調的特點，溫度波動的范圍超出了供取料廠房電伴加熱溫度控制偏差為±3℃的限值。

3 模糊自整定PID控制裝置的應用

導致上述溫度控制超調大、響應不及時等缺點的主要原因是電伴加熱控制參數設置不合理。常規的解決方式是對PID控制參數進行人工整定，而整定過程較為煩瑣，且根據工藝工況的不同，會產生較大差異，使得溫度控制參數的整定頻次增加，給工藝參數的控制帶來困難，同時對系統安全穩定運行帶來威脅。因此，根據設定的模糊規則，對控制器P、I、D三個控制參數值進行優化，使系統應對環境擾動和自身干擾的性能增強，從而達到滿意的控制效果。

伴熱溫度的提升是依靠電伴加熱帶輸出，降溫則是依靠環境自然冷卻，在進行臨時電伴加熱敷設時，由于伴熱設備的復雜性和環境因素如溫度、對流、保溫等因素的多變性，想要精準地建立數學模型就比較困難，因此采用一組固定的P、I、D控制參數進行電伴加熱溫度控制，在存在較大干擾因素時，實際溫度不易達到設定值要求范圍，需要根據偏差情況進行參數的優化。

采用模糊自整定算法的加熱控制器主要由兩部分組成，即常規控制器、PID優化控制算法，從而實現基于設定溫度和實際溫度偏差的P、I、D參數優化[3]。在運行中通過不斷檢測實際溫度和溫度變化率，根據模糊自整定程序對三個參數進行優化，最終得到一組控制效果達到優化條件的參數，使電伴加熱溫度滿足控制要求，提升抗擾動性能。下面對控制器采用了模糊自整定PID算法，其基本模式為兩輸入、三輸出，通過控制器對溫度及其變化量進行采樣，進行模糊推理后，進行參數自整定。

4 模糊自整定控制下的自限溫電伴加熱裝置應用

如上文所述，采用模糊自整定PID控制的電伴加熱系統具有控制在線整定、精度高、超調小、穩定性好等特點，因此本文對該裝置進行了試運行。

4.1 模糊自整定控制器優點及應用

模糊自整定PID控制器在溫度控制方面具有在線PID參數整定功能，其控制過程無超調，應用技術成熟，安全可靠。本文所應用的控制器采用專用微處理器調節儀表、開關電源和表面貼裝技術（SMT），因此具有小巧、可靠等優點。通過智能控制功能和自整定功能，操作者可以通過簡單的操作獲得良好的參數整定效果[4]。

裝置主要功能特點：（1）可支持熱電偶、熱電阻、模擬量等多種信號自由輸入，量程自由設置；（2）軟件調零調滿度，冷端單獨測溫，放大器自穩零，顯示精度優于0.5%FS；（3）采用模糊自整定PID方法，實現PID控制參數在線整定，與傳統PID控制相比，具有控溫迅速、響應快、超調小、精度高等特點。

控制器通過比較溫度探頭測量值和設定值得到偏差以及該偏差的變化速率，根據PID控制參數，將運算結果作為輸出信號驅動固態繼電器，控制電伴加熱帶輸出接通和斷開，從而控制電伴加熱帶的輸出功率調節，以控制加熱溫度。在凈化操作過程中，由于工藝工況發生變化，或由于環境溫度變化、保溫層老化導致保溫性能下降等因素，電伴加熱溫度控制特性會發生較大變化，原有的PID控制參數不能達到最優的控制效果，使得溫度控制超調增加，溫度控制穩定性變差，管道溫度低于控制限值，容易發生物料在工藝管道處冷凝的問題，阻塞工藝管道，給系統運行帶來安全威脅。此時，基于模糊控制規則，可以通過對模糊控制器的PID控制參數進行在線優化，得到一組優化后的控制參數，使得控制系統回歸最佳控制效果。

4.2 模糊自整定控制器加熱實驗

本文使用模糊自整定PID控制器，對控制參數進行在線整定，在與上文同樣工況下進行電伴加熱實驗。

使用常規PID控制參數作為對照組，P、I、D三個控制參數分別為35%、180s、100s，先在對照組參數下進行升溫實驗，記錄溫度變化。在同等初始條件下，對P、I、D三個參數進行優化，并將優化后的參數作為新的控制參數，再次進行升溫實驗，優化后的P、I、D參數分別為40%、249s、62s。圖2為實驗期間模糊PID控制方式下，供料凈化操作時溫度與壓力的變化情況。

圖2 加熱實驗溫度/壓力統計圖

從圖2中可以看出，在與上文同等工況下，通過模糊PID控制器進行在線整定后，控制性能明顯提升。隨著工作介質壓力的增加，電伴加熱系統溫度下降在3℃以內。當供料凈化操作結束，工作介質壓力恢復至正常值時，電伴加熱溫度能夠迅速穩定至（控制值±3）℃。溫度控制響應迅速，基本做到了無超調，反映出良好的系統穩定性。

5 結論

綜上所述，通過使用模糊自整定PID控制器，電伴加熱系統能夠在保證運行時伴熱溫度要求的同時，提高運行的穩定性、可靠性。其主要優點如下：

（1）溫度維持穩定，滿足運行需求。運行期間溫度滿足（70±3）℃的運行要求。

（2）參數在線整定，提高控制精度。采用模糊自整定PID控制器，在敷設好電伴加熱帶后，對系統進行在線參數整定，可以提高溫度控制精度，系統無超調，動態性能穩定。