廖陽明
(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545004)
熱處理車間溫度控制系統(tǒng)研究
廖陽明
(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545004)
針對熱處理車間中液體溫度的控制需求,文章提出了一種基于膜片式的溫度控制方案。詳細(xì)介紹了該溫度控制系統(tǒng)的基本原理,并對膜片式熱交換器建立模型,對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析,測試結(jié)果表明溫度控制方案穩(wěn)定有效,達(dá)到了預(yù)期效果。
熱處理車間;溫度控制系統(tǒng);膜片式熱交換器;監(jiān)測器;調(diào)校
在熱處理車間中,需要將高溫的液體進(jìn)行溫度控制,當(dāng)其溫度超過預(yù)先設(shè)定的警戒值時,通過一定的措施使其溫度快速下降,達(dá)到預(yù)期要求。當(dāng)然,如果液體的溫度不夠,也需要升高其溫度。在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案中,往往是選擇膜片式熱交換器實(shí)現(xiàn)上述溫度控制過程。該方案的制冷劑從兩個制冷劑罐提供給熱交換器,一個制冷劑罐的溫度稍高,另一個制冷劑罐的溫度稍低。通過改變兩種制冷劑的混合比率能夠控制制冷劑的溫度,該方法能夠達(dá)到恒溫控制,然而兩個冷卻罐需要充足的空間來進(jìn)行安裝,除此之外,還需要大量的能耗來冷卻兩個罐中的制冷劑。在控制過程中,溫度控制通過PID控制器實(shí)現(xiàn)。然而,PID控制器的響應(yīng)速度較慢,且在干擾條件下不夠穩(wěn)定。
為此,本文提出了一種新的制冷方法,制冷單元提供的制冷劑直接供給膜片式熱交換器。為了提高響應(yīng)速度和控制的精確性,在控制中引入了監(jiān)測器和調(diào)校器。盡管仿真和實(shí)驗(yàn)在真實(shí)的工廠中進(jìn)行,但本文提出的方法可以應(yīng)用于真實(shí)的熱處理車間。
溫度控制的目標(biāo)有三個:一是實(shí)現(xiàn)1~15℃這樣較大范圍的溫度控制;二是能夠保持溫度穩(wěn)定,上下浮動范圍不超過1℃;三是當(dāng)負(fù)荷或者液體流量變化時仍能保持溫度恒定。
本文提出了如圖 1所示的溫度控制框圖。該方法不需要制冷劑罐,直接應(yīng)用制冷單元的膜片式熱交換器。通過改變制冷劑流量控制熱交換器出口處液體的溫度,使用旁通閥調(diào)校制冷劑流量。為了提高響應(yīng)時間和控制的精確性,本文使用了一個監(jiān)測器和一個調(diào)校器。
圖1 基于膜片式熱交換的溫度控制框圖
本文給出了膜片式熱交換器的模型,膜片式熱交換器由多個膜片構(gòu)成。在熱處理車間,膜片式熱交換器的膜片總共4個,液體和制冷劑在膜片間的間隙中相向流動,彼此交換熱量。由于熱交換器有多個間隙,總的路徑比較長,因此膜片式熱交換器模型由四個單元組成,如圖2所示。
圖2 膜片熱交換器模型
根據(jù)圖2所示的模型,可以建立液體在交換器中的熱交換關(guān)系式:
式中T0是熱交換器入口處液體的溫度,T1T2T3T4分別是四個單元出口處的液體溫度,Tb0是熱交換器入口處的制冷劑溫度,Tb1Tb2Tb3Tb4分別是四個單元出口處的制冷劑溫度,Tm1Tm2Tm3Tm4分別是每個熱交換單元的膜片溫度,C是液體的特定熱量,是液體的重力,G是液體的重量流量。V1V2V3V4分別是熱交換器每個單元的容量,h1h2h3h4分別是熱交換器每個單元的熱傳導(dǎo)率,hb1hb2hb3hb4分別是熱交換器每個單元的液體的表面熱傳導(dǎo),Ab1Ab2Ab3Ab4分別是熱交換器每個單元制冷劑的熱傳導(dǎo)率, Cm是特定膜片的質(zhì)量,Gm1Gm2Gm3Gm4分別是熱交換器每個單元的膜片質(zhì)量。
在此模型中,監(jiān)測器估算熱交換器內(nèi)的液體和制冷劑溫度,這些內(nèi)部狀態(tài)作為反饋信號完成控制。另外,量測的液體溫度和制冷劑溫度表示如下,其中T是溫度計(jì)的時間常量。
方程1到方程10合并后可以得到膜片熱交換器模型關(guān)系式:
x是狀態(tài)向量
u是控制向量,w是干擾向量。
Qw是液體流量,T0是熱交換器入口處液體流量的溫度,Tb0是熱交換器入口處制冷劑的溫度。
觀測向量表示如下:
狀態(tài)向量x(t)是監(jiān)測器的估計(jì)值,用如下方程表示:
其中K是監(jiān)測器增益。
控制框圖如圖3所示,輸出向量 是熱交換器出口處液體流的溫度,因此:
相應(yīng)地,
圖3 溫度控制系統(tǒng)中調(diào)校器控制流程
為了使偏差為零,使用如下積分:
由此得出:
從方程19和方程20,可以得到如下狀態(tài)方程:
其中:
制冷劑流量u(t)如下表示,其中是調(diào)校器增益。
f是積分器的反饋增益, F是狀態(tài)向量x的狀態(tài)反饋增益。狀態(tài)向量x(t)由監(jiān)測器輸出得到。
為了測試本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)定控制方案的性能,本文進(jìn)行了仿真和測試。在仿真中,主要驗(yàn)證了以下情況:常量負(fù)荷與浮動負(fù)荷下的表現(xiàn),不同的目標(biāo)溫度下制冷劑溫度的浮動情況。
仿真條件設(shè)置如下:
液體初始溫度30℃,制冷劑初始溫度-1℃,溫度計(jì)時間常量是5秒。
液體的目標(biāo)溫度設(shè)定為 1℃,負(fù)荷也就是液體流量,從100%(500L/s)變?yōu)?%。100%流量持續(xù)120秒,0%流量持續(xù)80秒,按如此流量圖案重復(fù)進(jìn)行。
仿真結(jié)果如圖 4所示。通過仿真,我們可以看到在開始的幾秒鐘,液體溫度在±0.5℃幅度內(nèi)浮動。在仿真的開始階段,制冷劑的溫度會較劇烈變化,其原因是熱交換膜片的溫度和制冷劑的溫度不同所引起。因此,需要一段時間后才能實(shí)現(xiàn)對液體溫度的控制。
圖4 流量變化條件下的仿真結(jié)果
在仿真中,還驗(yàn)證了我們的方法是否適用于大范圍的目標(biāo)溫度控制,我們選擇了1℃、6℃、10℃三個目標(biāo)溫度。
指定的目標(biāo)溫度越高,所需的制冷劑越少,這就意味著目標(biāo)溫度越高,增益越小,因此在仿真中,對每個目標(biāo)溫度調(diào)整增益參數(shù)。
仿真結(jié)果表明在液體流量開始的時刻,溫度有所波動。越高的目標(biāo)溫度,波動越大。估計(jì)可能的原因是較高目標(biāo)溫度的增益較小,響應(yīng)速度比較慢。
為了驗(yàn)證本文所提方法的效率,在實(shí)驗(yàn)車間進(jìn)行了一次測試。
測試條件是:液體初始溫度是52℃,制冷劑溫度是12℃,液體冷卻的目標(biāo)溫度是 15℃。液體流量從 100%降低到 0%,100%的流量持續(xù)120秒,然后是80秒的零流量,重復(fù)上述流量圖案。
測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖5所示。
圖5 測試結(jié)果和仿真結(jié)果比較
量測溫度在±1℃范圍內(nèi)浮動,因此可以確定達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)。但是在實(shí)驗(yàn)中,溫度浮動大于仿真結(jié)果,其原因可能是以下兩點(diǎn):
(1)溫度計(jì)位置設(shè)置不是理想的,由于熱交換器結(jié)構(gòu)的限制,溫度計(jì)距離熱交換器的出口和入口100mm,這可能導(dǎo)致量測錯誤。
(2)實(shí)驗(yàn)中量測和控制的延時大于仿真環(huán)境,這也可能導(dǎo)致量測錯誤。
當(dāng)我們的方法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的時候,上述問題不可避免,因此,應(yīng)該仔細(xì)設(shè)計(jì)和安裝系統(tǒng)組件,以便精確控制,并獲得理想的量測結(jié)果。
在瓶罐熱處理車間,液體應(yīng)該被冷卻到合適的溫度,而膜片式熱交換器通常被用于完成這樣的冷卻過程。本文提出了一種新的冷卻方法,制冷機(jī)單元的冷卻液直接應(yīng)用于膜片式熱交換器,冷卻液流通過一個旁通的閥門控制。為了提高控制的響應(yīng)和精確性,引入一個監(jiān)測器和調(diào)校器。盡管仿真和實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中完成的,但也認(rèn)為本文提出的方法同樣也適用于實(shí)際的熱處理車間。
[1]魏來,黃捷.蒸餾水機(jī)熱交換過程的智能控制[J].長春大學(xué)學(xué)報(bào),2009,19(12):47-49.
[2]韓忠旭,張智.狀態(tài)觀測器及狀態(tài)反饋控制在亞臨界鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(11):76-80.
[3]馬苗玲,任作新.基于模糊控制的即熱式熱水器溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].長治學(xué)院學(xué)報(bào),2007,(5):53-55.
[4]唐海,常春梅,宋秉堂,張迎愷.基于熱力學(xué)第二定律的熱交換器性能比較分析[J].化工裝備技術(shù),2009,30(4): 23-25.
[5]劉建江,葉敏.基于 H∞理論的狀態(tài)變量控制在主蒸汽溫度控制中的應(yīng)用[J].動力工程,2000,20(3):669-673,684.
TP183,TK223.74
B
1008-1151(2011)04-0139-03
2011-01-21
2010年廣西教育廳科研項(xiàng)目(編號:201010LX641;項(xiàng)目名稱:制冷劑分裝機(jī)的研制)
廖陽明(1965-),男,廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院水電基建科工程師,研究方向?yàn)樗娀ü芾砑半姽る娮蛹夹g(shù)工作。