鎮(zhèn)江昊能電熱設(shè)備有限公司針對油氣電加熱設(shè)備中多根電加熱棒運行壽命是基本相同的，在不滿負荷運行的情況下，有的一直運行，有的閑置，造成電加熱棒整體使用壽命降低，運用優(yōu)化控制原理建立了電加熱棒循環(huán)工作的方法；針對電加熱輸送油氣出口溫度控制的滯后現(xiàn)象，根據(jù)輸入電能與輸送油氣出口溫度的實測數(shù)據(jù)，建立了系統(tǒng)的數(shù)字預(yù)測回歸模型，用可編程控制器S7-200實現(xiàn)了電加熱棒的優(yōu)化調(diào)度和預(yù)估控制，提高了油氣電加熱設(shè)備的整體壽命，改善了系統(tǒng)的性能指標，為提高油氣電加熱的優(yōu)化控制提供了理論依據(jù)。
一、油氣電加熱工藝流程
在油氣儲運過程的加熱過程中，石油儲備庫油罐長期儲存易凝高黏油垢，天然氣在對管道的分輸時需要調(diào)壓，而調(diào)壓過程中天然氣的溫度會降低，易出現(xiàn)結(jié)冰堵塞管道的現(xiàn)象，所以輸轉(zhuǎn)作業(yè)時需要對油氣進行加熱，才能保證很好的流動狀態(tài)，油氣電加熱設(shè)備是常用的方法之一。本文將潿洲6-8平臺項目對油氣電加熱設(shè)備的工藝要求和天津盛大電加熱設(shè)備有限公司專門用來加熱流動的天然氣、石油氣等易燃易爆氣體的電加熱設(shè)備組成的系統(tǒng)為背景，研究了天然氣、石油氣等類的介質(zhì)在液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)或高壓力轉(zhuǎn)為低壓力時要求補充大量熱量的技術(shù)問題和電加熱的工藝流程。
一般油氣混合物進口溫度為55℃，出口溫度為71-73℃，允許溫差±2℃，被加熱介質(zhì)（冷態(tài)）經(jīng)進口管入分流室，使介質(zhì)沿器體內(nèi)壁四周流入加熱室，通過各層電加熱元件的縫隙，使介質(zhì)被加熱升溫，然后匯合流入混流室，混合后以均勻的溫度從出口管中流出。電加熱器混流室處裝有測溫傳感器采集溫度信號傳至電氣控制系統(tǒng)，經(jīng)計算機溫度控制電加熱器實現(xiàn)自動控溫。在介質(zhì)流量小時，被加熱介質(zhì)變少，溫度就會上升，這時加熱器可自動減小電熱元件的功率輸出，流量增大時功率增大。由于對象存在滯后大的現(xiàn)象，常規(guī)PID控制很難滿足精度控制指標的要求[1]，采用計算機溫度控制系統(tǒng)和預(yù)估控制方法能有效地解決此類問題，但該方法必須有數(shù)學(xué)模型，本文用回歸方法建立。
電加熱棒的投入采用開關(guān)量控制，根據(jù)實際流量Q1確定電加熱棒的根數(shù)Z1，滿足
Z1=Q1N/Q
式中：N為加熱器的總棒數(shù)；Q為額定流量，Z1的值往往帶有小數(shù)，舍去小數(shù)部分后的整數(shù)Z才是投入加熱棒的根數(shù)，同時存在一個問題，取整時的余量就會使加熱器的出口溫度維持在一個相對比較大的范圍內(nèi)。當(dāng)流量穩(wěn)定時，設(shè)定被加熱介質(zhì)提高的溫度為ΔT，則每根棒承載的溫度為ΔTM，所以控制的最大溫差是ΔT2M。為了提高精度只能減小每根棒的功率，這樣在不減小總功率的前提下，只能增加棒數(shù)，但是這樣做會相應(yīng)提高生產(chǎn)的成本。從此看來，這個控制方法是不可取的。為提高控制精度，用一根電加熱棒采用數(shù)字連續(xù)控制，如預(yù)估或PID控制，本文采用預(yù)估控制。
二、預(yù)估控制回歸模型的建立
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物體或者系統(tǒng)內(nèi)部由于溫度不同而造成熱量轉(zhuǎn)移的過程，稱為熱量的傳遞，簡稱傳熱。根據(jù)傳熱機理的不同，傳熱分為三種基本方式：熱傳導(dǎo)；熱對流；熱輻射。熱傳導(dǎo)的定義：熱量從物質(zhì)中溫度較高的部分傳熱到溫度較低的部分，或者從高溫物質(zhì)傳導(dǎo)到與之相鄰的低溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象。
油氣電加熱裝置運用的就是熱傳導(dǎo)的原理。它通過加熱棒將導(dǎo)熱油溫度提高，當(dāng)溫度高于要求的出口溫度時就成了定義中的高溫物質(zhì)，而需要加熱的油氣物質(zhì)進入加熱器中，是由于溫度低于導(dǎo)熱油的溫度，所以熱量就會傳遞到需要加熱的油氣物質(zhì)中，從而達到給油氣物質(zhì)加熱的目的。
油氣電加熱器裝置屬于殼管式換熱器。它的主要形式是間壁式換熱器。殼管式換熱器的傳熱面由管束構(gòu)成。一種流體在管子內(nèi)部流動，稱為管程，另一種流體在管子與換熱器殼體之間流動，稱為殼程[2]。而現(xiàn)在研究的是換熱器還略有不同，管束是一頭聯(lián)通導(dǎo)熱油箱的，別一頭封死的，管束里面是導(dǎo)熱油以及給導(dǎo)熱油加熱的電加熱棒。
?。ǘ┗貧w模型階數(shù)的確定
任何一種控制算法在正式實施之前，都必須經(jīng)過參數(shù)整定這一環(huán)節(jié)。由于各種因素的影響和種種條件的限制，在工業(yè)現(xiàn)場進行控制參數(shù)的整定往往比較困難，因而參數(shù)整定就成為在實驗室里進行仿真實驗的重要目的和內(nèi)容之一。重要的控制參數(shù)包括預(yù)測時域長度（P），控制時域長度（M）等。
M在優(yōu)化性能指標中表示優(yōu)化變量的個數(shù)。一般M≤P[3]。M越小，越難保證在各采樣點上的輸出準確跟蹤設(shè)定值，對于動態(tài)復(fù)雜的對象，不易得到良好的動態(tài)響應(yīng)。增大M值，則表示有較多的優(yōu)化變量，增大了控制的能力，因而能夠獲得較好的性能指標和快速的動態(tài)響應(yīng)，但控制的靈敏度將相應(yīng)提高，影響了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在選擇M時，必須兼顧控制的快速性和穩(wěn)定性，一般取M=1-3。
結(jié)論：介于計算機的工作量和預(yù)測的準確，可以采用P=5，M=3。
?。ㄈ崪y電功率和控制溫度數(shù)據(jù)
采樣時間T的選擇原則上應(yīng)大于2倍系統(tǒng)的截止頻率。由于此系統(tǒng)滯后時間為3s，故選擇T=1比較合適。
（四）運用MALTAB確認模型的參數(shù)θ
MATLAB是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者兩者混合時間域里進行建模，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。
用MATLAB計算出模型確定所需的向量θ，從而確認系統(tǒng)的動態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型。
三、預(yù)估控制方法的應(yīng)用
本方案在潿洲6-8平臺項目中應(yīng)用，油氣電加熱設(shè)備出口溫度的設(shè)定值為72℃，在現(xiàn)場對出口溫度進行了實時記錄，以便于和前期此項目中油氣電加熱設(shè)備傳統(tǒng)控制方式出口溫度進行對比。
預(yù)估控制方式和傳統(tǒng)控制方式現(xiàn)場出口溫度，記錄時間為51分鐘，采樣周期為3分鐘，預(yù)估控制的出口溫度在溫度上升過程迅速而且沒有出現(xiàn)超調(diào)量，在達到設(shè)定值之后能夠平穩(wěn)運行，溫度控制偏差在±1℃，更好地達到了工藝要求；而傳統(tǒng)控制的出口溫度在溫度上升過程中出現(xiàn)了一定程度的超調(diào)量，而且溫度控制偏差在±3℃，應(yīng)用實際結(jié)果表明，計算機溫度預(yù)估控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)控制方式。 四、基于油氣電加熱裝置優(yōu)化調(diào)度方法設(shè)計與實現(xiàn)
?。ㄒ唬﹥?yōu)化調(diào)度方法的設(shè)計
為了體現(xiàn)方案的通用性，假設(shè)電加熱器上有N個電加熱棒，在正常工作時，電加熱器的N個電加熱棒一開始會全部工作，可是當(dāng)系統(tǒng)最后穩(wěn)定時只會有一部分使用到。設(shè)有Z（Z≤N）運行，電加熱棒運行T小時后進行切換，開始運行為1、2、…、Z，運行T小時后，運行為2、3、…、Z、Z+1，運行2T小時后，運行為3、4、…、Z+1、Z+2，以此類推，當(dāng)運行到Z+N時，經(jīng)過的時間是NT小時，但所有電加熱棒都運行了ZT小時，再繼續(xù)運行，應(yīng)是1、2、…、Z電加熱棒再次投入運行。
若按原方法，有Z根運行了NT小時，有N-Z根沒投入運行，使電加熱棒運行時間不均，長期運行的話就會造成油氣電加熱設(shè)備整體壽命降低或維修次數(shù)增加，這是企業(yè)不希望的。采用上述方法，隨著時間的推移，N個電加熱棒始終有Z個投入運行的情況下，運行NT小時后，且使每個電加熱棒均運行ZT小時。使電加熱棒整體運行壽命提高了（N-Z）T小時，長期運行，優(yōu)勢更明顯。根據(jù)此優(yōu)化控制原理，在相同的條件下，獲得了最佳的效果。
?。ǘ﹥?yōu)化調(diào)度方法的PLC實現(xiàn)
由于油氣電加熱器裝置較小，采用S7-200可編程控制器就可實現(xiàn)N個加熱棒循環(huán)工作，提高了電加熱器的整體壽命。
根據(jù)電加熱器的基本工作情況和控制要求，采用了S7-200系列的CPU222為主機模塊，配以一塊EM231模擬量輸入模塊，一個TD200構(gòu)成了該油氣電加熱設(shè)備的控制系統(tǒng)。
選取N個狀態(tài)寄存器S1、S2、…、SN，對應(yīng)N個電加熱棒的運行狀態(tài)，“1”表示電加熱棒投入運行，“0”表示電加熱棒沒投入運行，將狀態(tài)寄存器S1、S2、…、SN中，隨意選取Z個置“1”，其余置“0”每經(jīng)過T小時，左移或右移一位，但必須始終往一個方向移，以8根電加熱棒投入5根為例，選連續(xù)5根投入運行。
運行8T小時后，又回到了初始的運行狀態(tài)，按電加熱棒的運行狀態(tài)，每個均運行了5T小時，這也說明了該方法是正確的。
五、結(jié)論
本文針對電加熱輸送油氣出口溫度控制的滯后現(xiàn)象和設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型難以建立的問題，根據(jù)輸入電能與輸送油氣出口溫度的實測數(shù)據(jù)，建立了系統(tǒng)的預(yù)測回歸模型，為提高油氣電加熱溫度控制精度提供了理論依據(jù)，實現(xiàn)了計算機油氣電加熱溫度預(yù)估控制，改善了系統(tǒng)的性能指標，克服了對象滯后時間對溫度控制精度的影響，提高了油氣電加熱設(shè)備的精度，為該類設(shè)備的廣泛應(yīng)用具有理論和使用價值。
