基于模糊自整定的电伴加热装置应用

张 蒙

（中核陕西铀浓缩有限公司生产运行部，陕西 汉中 723312）

0 引言

在铀浓缩供取料厂房中，为了确保气态工作介质在输送过程中不发生相变，防止物料在输送管道、阀门等处发生冷凝，需要为工作压力高于环境温度对应饱和蒸汽压力的工艺管段敷设电伴加热带及其保温层。

目前，供取料厂房使用的温度控制设备基于PID控制，由于工艺工况对工作介质流量要求的变化，电伴加热系统的稳态参数会发生变化，需要对PID控制参数进行整定，而常规PID参数的整定较为烦琐，给工艺参数的控制带来了困难，同时对系统安全稳定运行带来了威胁，因此必须加以研究和优化。

1 电伴加热装置

电伴加热系统由电伴加热带和加热控制系统两部分组成，主要包括电伴加热带、温度传感器、DCS控制设备、输出模块、执行机构等。在需要进行电伴加热的管道和工艺设备表面采用平行或缠绕的方式进行电伴加热带的敷设，按照工艺要求的测点安装Pt100温度传感器，最外层敷设一层橡塑海绵进行保温。由现场控制盘柜、DCS控制站构成闭环控制系统，实现电伴加热带的温度远程监测、调节和超温报警保护等功能。

在电伴加热带进行加热前，首先应估算所敷设管道处散热量，由于工艺工况要求，需根据电伴加热所在管线的管道直径、内表面温度、介质温度、保温层厚度等参数，计算所需电伴加热单位长度的额定功率及电伴加热带长度等[1]。供取料厂房的工艺管道电伴加热主要使用自限温电伴加热带，额定温度105℃，采用厚度为20mm的橡塑海绵作为保温材料。根据工艺要求，管道外表面温度需维持在（70±3）℃，而供取料系统净化设备内管道所处的环境温度约为-20℃，因此要使用温度控制器，通过调节电伴加热带加热功率来控制工艺管道的电伴加热温度。参考《电伴加热设计简明手册》对散热量进行估算，从而确定使用电伴加热带的额定功率、防爆等级等参数。

1.1 计算管道散热损失

由《工业设备及管道绝热工程设计规范》（GB50264—2013）所列散热量计算公式可知，所敷设工艺管线处的散热量为：

式中：Q为单温保温层外表面积的散热量（W/m2）；q为单温管道长度的散热量（W/m）；T0为工艺管线表面温度（℃）；Ta为厂房环境温度（℃）；D0为工艺管道外径（m）；D1为敷设保温层后的管道外径（m）；λ为管道平均温度下导热系数[W/（m·℃）]，取λ=0.031；α为保温层表面散热系数[W/（m2·℃）]。

1.2 连接管散热损失量

取α=27.23W/（m2·℃），将各数据代入公式（1）（2）中得到散热量。由于设备所处环境为密闭低温环境，制冷设备循环风机、低温等因素对电伴加热的保温效果有很大影响，在所得理论散热量基础上附加一值为1.2的保险系数，即将所得理论散热量乘以保险系数，作为管道散热量：q′=1.2q=24.94W/m。

由此确定使用额定功率为25W/m的自限温电伴加热带。

1.3 电伴加热带长度估算

大多数情况下，电伴加热带长度为敷设处工艺管道长度的1.1倍，每增加一个附件，需要增加1m电伴加热带。温度不能满足要求时，采用螺旋缠绕的方式，适当增加电伴加热长度，保证敷设功率满足散热量要求[2]。

2 电伴加热的运行

供取料厂房使用的电伴加热主要用于防止物料冷凝。正常工况下，工艺管道的工作介质流量保持稳定，厂房温度、气压、对流等控制严格，电伴加热系统热传导近似处于一阶稳态。特殊的情况，如本文所述的供取料厂房供料系统净化操作期间，由于工艺管道内部的工作介质流量骤然增加，处于低温状态的工作介质流过敷设有电伴加热的管道时，会从工艺管道吸收大量热量，使得电伴加热温度快速降低。而由于电伴加热控制参数设置不合理，在温度扰动下，电伴加热温度往往会超出运行安全限值，控制过程中会出现较大超调等情况。

本文对铀浓缩厂房供料净化操作期间的工艺管线进行电伴加热实验，记录电伴加热带的温度和管道内工作介质的压力变化情况，如图1所示。

图1 净化期间温度/压力统计图

从图1可以看出，每次净化时，随着供料净化操作开始，工艺管道内的工作介质压力上升，流量增大，介质吸热使得温度快速下降，下降值在10℃左右。而随着压力下降至正常值，温度逐渐恢复。整个过程呈现出降温快、升温缓慢、存在温度超调的特点，温度波动的范围超出了供取料厂房电伴加热温度控制偏差为±3℃的限值。

3 模糊自整定PID控制装置的应用

导致上述温度控制超调大、响应不及时等缺点的主要原因是电伴加热控制参数设置不合理。常规的解决方式是对PID控制参数进行人工整定，而整定过程较为烦琐，且根据工艺工况的不同，会产生较大差异，使得温度控制参数的整定频次增加，给工艺参数的控制带来困难，同时对系统安全稳定运行带来威胁。因此，根据设定的模糊规则，对控制器P、I、D三个控制参数值进行优化，使系统应对环境扰动和自身干扰的性能增强，从而达到满意的控制效果。

伴热温度的提升是依靠电伴加热带输出，降温则是依靠环境自然冷却，在进行临时电伴加热敷设时，由于伴热设备的复杂性和环境因素如温度、对流、保温等因素的多变性，想要精准地建立数学模型就比较困难，因此采用一组固定的P、I、D控制参数进行电伴加热温度控制，在存在较大干扰因素时，实际温度不易达到设定值要求范围，需要根据偏差情况进行参数的优化。

采用模糊自整定算法的加热控制器主要由两部分组成，即常规控制器、PID优化控制算法，从而实现基于设定温度和实际温度偏差的P、I、D参数优化[3]。在运行中通过不断检测实际温度和温度变化率，根据模糊自整定程序对三个参数进行优化，最终得到一组控制效果达到优化条件的参数，使电伴加热温度满足控制要求，提升抗扰动性能。下面对控制器采用了模糊自整定PID算法，其基本模式为两输入、三输出，通过控制器对温度及其变化量进行采样，进行模糊推理后，进行参数自整定。

4 模糊自整定控制下的自限温电伴加热装置应用

如上文所述，采用模糊自整定PID控制的电伴加热系统具有控制在线整定、精度高、超调小、稳定性好等特点，因此本文对该装置进行了试运行。

4.1 模糊自整定控制器优点及应用

模糊自整定PID控制器在温度控制方面具有在线PID参数整定功能，其控制过程无超调，应用技术成熟，安全可靠。本文所应用的控制器采用专用微处理器调节仪表、开关电源和表面贴装技术（SMT），因此具有小巧、可靠等优点。通过智能控制功能和自整定功能，操作者可以通过简单的操作获得良好的参数整定效果[4]。

装置主要功能特点：（1）可支持热电偶、热电阻、模拟量等多种信号自由输入，量程自由设置；（2）软件调零调满度，冷端单独测温，放大器自稳零，显示精度优于0.5%FS；（3）采用模糊自整定PID方法，实现PID控制参数在线整定，与传统PID控制相比，具有控温迅速、响应快、超调小、精度高等特点。

控制器通过比较温度探头测量值和设定值得到偏差以及该偏差的变化速率，根据PID控制参数，将运算结果作为输出信号驱动固态继电器，控制电伴加热带输出接通和断开，从而控制电伴加热带的输出功率调节，以控制加热温度。在净化操作过程中，由于工艺工况发生变化，或由于环境温度变化、保温层老化导致保温性能下降等因素，电伴加热温度控制特性会发生较大变化，原有的PID控制参数不能达到最优的控制效果，使得温度控制超调增加，温度控制稳定性变差，管道温度低于控制限值，容易发生物料在工艺管道处冷凝的问题，阻塞工艺管道，给系统运行带来安全威胁。此时，基于模糊控制规则，可以通过对模糊控制器的PID控制参数进行在线优化，得到一组优化后的控制参数，使得控制系统回归最佳控制效果。

4.2 模糊自整定控制器加热实验

本文使用模糊自整定PID控制器，对控制参数进行在线整定，在与上文同样工况下进行电伴加热实验。

使用常规PID控制参数作为对照组，P、I、D三个控制参数分别为35%、180s、100s，先在对照组参数下进行升温实验，记录温度变化。在同等初始条件下，对P、I、D三个参数进行优化，并将优化后的参数作为新的控制参数，再次进行升温实验，优化后的P、I、D参数分别为40%、249s、62s。图2为实验期间模糊PID控制方式下，供料净化操作时温度与压力的变化情况。

图2 加热实验温度/压力统计图

从图2中可以看出，在与上文同等工况下，通过模糊PID控制器进行在线整定后，控制性能明显提升。随着工作介质压力的增加，电伴加热系统温度下降在3℃以内。当供料净化操作结束，工作介质压力恢复至正常值时，电伴加热温度能够迅速稳定至（控制值±3）℃。温度控制响应迅速，基本做到了无超调，反映出良好的系统稳定性。

5 结论

综上所述，通过使用模糊自整定PID控制器，电伴加热系统能够在保证运行时伴热温度要求的同时，提高运行的稳定性、可靠性。其主要优点如下：

（1）温度维持稳定，满足运行需求。运行期间温度满足（70±3）℃的运行要求。

（2）参数在线整定，提高控制精度。采用模糊自整定PID控制器，在敷设好电伴加热带后，对系统进行在线参数整定，可以提高温度控制精度，系统无超调，动态性能稳定。