張 蒙

（中核陜西鈾濃縮有限公司生產(chǎn)運(yùn)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(tài)工作介質(zhì)在輸送過程中不發(fā)生相變，防止物料在輸送管道、閥門等處發(fā)生冷凝，需要為工作壓力高于環(huán)境溫度對應(yīng)飽和蒸汽壓力的工藝管段敷設(shè)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(shè)備基于PID控制，由于工藝工況對工作介質(zhì)流量要求的變化，電伴加熱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)會發(fā)生變化，需要對PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，而常規(guī)PID參數(shù)的整定較為煩瑣，給工藝參數(shù)的控制帶來了困難，同時對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了威脅，因此必須加以研究和優(yōu)化。

1 電伴加熱裝置

電伴加熱系統(tǒng)由電伴加熱帶和加熱控制系統(tǒng)兩部分組成，主要包括電伴加熱帶、溫度傳感器、DCS控制設(shè)備、輸出模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。在需要進(jìn)行電伴加熱的管道和工藝設(shè)備表面采用平行或纏繞的方式進(jìn)行電伴加熱帶的敷設(shè)，按照工藝要求的測點(diǎn)安裝Pt100溫度傳感器，最外層敷設(shè)一層橡塑海綿進(jìn)行保溫。由現(xiàn)場控制盤柜、DCS控制站構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電伴加熱帶的溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測、調(diào)節(jié)和超溫報警保護(hù)等功能。

在電伴加熱帶進(jìn)行加熱前，首先應(yīng)估算所敷設(shè)管道處散熱量，由于工藝工況要求，需根據(jù)電伴加熱所在管線的管道直徑、內(nèi)表面溫度、介質(zhì)溫度、保溫層厚度等參數(shù)，計(jì)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(jù)工藝要求，管道外表面溫度需維持在（70±3）℃，而供取料系統(tǒng)凈化設(shè)備內(nèi)管道所處的環(huán)境溫度約為-20℃，因此要使用溫度控制器，通過調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)簡明手冊》對散熱量進(jìn)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(shù)。

1.1 計(jì)算管道散熱損失

由《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50264—2013）所列散熱量計(jì)算公式可知，所敷設(shè)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(huán)境溫度（℃）；D0為工藝管道外徑（m）；D1為敷設(shè)保溫層后的管道外徑（m）；λ為管道平均溫度下導(dǎo)熱系數(shù)[W/（m·℃）]，取λ=0.031；α為保溫層表面散熱系數(shù)[W/（m2·℃）]。

1.2 連接管散熱損失量

取α=27.23W/（m2·℃），將各數(shù)據(jù)代入公式（1）（2）中得到散熱量。由于設(shè)備所處環(huán)境為密閉低溫環(huán)境，制冷設(shè)備循環(huán)風(fēng)機(jī)、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(chǔ)上附加一值為1.2的保險系數(shù)，即將所得理論散熱量乘以保險系數(shù)，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(shù)情況下，電伴加熱帶長度為敷設(shè)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(dāng)增加電伴加熱長度，保證敷設(shè)功率滿足散熱量要求[2]。

2 電伴加熱的運(yùn)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(zhì)流量保持穩(wěn)定，廠房溫度、氣壓、對流等控制嚴(yán)格，電伴加熱系統(tǒng)熱傳導(dǎo)近似處于一階穩(wěn)態(tài)。特殊的情況，如本文所述的供取料廠房供料系統(tǒng)凈化操作期間，由于工藝管道內(nèi)部的工作介質(zhì)流量驟然增加，處于低溫狀態(tài)的工作介質(zhì)流過敷設(shè)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(shù)設(shè)置不合理，在溫度擾動下，電伴加熱溫度往往會超出運(yùn)行安全限值，控制過程中會出現(xiàn)較大超調(diào)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(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn)，記錄電伴加熱帶的溫度和管道內(nèi)工作介質(zhì)的壓力變化情況，如圖1所示。

圖1 凈化期間溫度/壓力統(tǒng)計(jì)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(nèi)的工作介質(zhì)壓力上升，流量增大，介質(zhì)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(fù)。整個過程呈現(xiàn)出降溫快、升溫緩慢、存在溫度超調(diào)的特點(diǎn)，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(yīng)用

導(dǎo)致上述溫度控制超調(diào)大、響應(yīng)不及時等缺點(diǎn)的主要原因是電伴加熱控制參數(shù)設(shè)置不合理。常規(guī)的解決方式是對PID控制參數(shù)進(jìn)行人工整定，而整定過程較為煩瑣，且根據(jù)工藝工況的不同，會產(chǎn)生較大差異，使得溫度控制參數(shù)的整定頻次增加，給工藝參數(shù)的控制帶來困難，同時對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來威脅。因此，根據(jù)設(shè)定的模糊規(guī)則，對控制器P、I、D三個控制參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)應(yīng)對環(huán)境擾動和自身干擾的性能增強(qiáng)，從而達(dá)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(huán)境自然冷卻，在進(jìn)行臨時電伴加熱敷設(shè)時，由于伴熱設(shè)備的復(fù)雜性和環(huán)境因素如溫度、對流、保溫等因素的多變性，想要精準(zhǔn)地建立數(shù)學(xué)模型就比較困難，因此采用一組固定的P、I、D控制參數(shù)進(jìn)行電伴加熱溫度控制，在存在較大干擾因素時，實(shí)際溫度不易達(dá)到設(shè)定值要求范圍，需要根據(jù)偏差情況進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)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(guī)控制器、PID優(yōu)化控制算法，從而實(shí)現(xiàn)基于設(shè)定溫度和實(shí)際溫度偏差的P、I、D參數(shù)優(yōu)化[3]。在運(yùn)行中通過不斷檢測實(shí)際溫度和溫度變化率，根據(jù)模糊自整定程序?qū)θ齻€參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得到一組控制效果達(dá)到優(yōu)化條件的參數(shù)，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(jìn)行采樣，進(jìn)行模糊推理后，進(jìn)行參數(shù)自整定。

4 模糊自整定控制下的自限溫電伴加熱裝置應(yīng)用

如上文所述，采用模糊自整定PID控制的電伴加熱系統(tǒng)具有控制在線整定、精度高、超調(diào)小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，因此本文對該裝置進(jìn)行了試運(yùn)行。

4.1 模糊自整定控制器優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

模糊自整定PID控制器在溫度控制方面具有在線PID參數(shù)整定功能，其控制過程無超調(diào)，應(yīng)用技術(shù)成熟，安全可靠。本文所應(yīng)用的控制器采用專用微處理器調(diào)節(jié)儀表、開關(guān)電源和表面貼裝技術(shù)（SMT），因此具有小巧、可靠等優(yōu)點(diǎn)。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(shù)整定效果[4]。

裝置主要功能特點(diǎn)：（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(shè)置；（2）軟件調(diào)零調(diào)滿度，冷端單獨(dú)測溫，放大器自穩(wěn)零，顯示精度優(yōu)于0.5%FS；（3）采用模糊自整定PID方法，實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)在線整定，與傳統(tǒng)PID控制相比，具有控溫迅速、響應(yīng)快、超調(diào)小、精度高等特點(diǎn)。

控制器通過比較溫度探頭測量值和設(shè)定值得到偏差以及該偏差的變化速率，根據(jù)PID控制參數(shù)，將運(yùn)算結(jié)果作為輸出信號驅(qū)動固態(tài)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(diào)節(jié)，以控制加熱溫度。在凈化操作過程中，由于工藝工況發(fā)生變化，或由于環(huán)境溫度變化、保溫層老化導(dǎo)致保溫性能下降等因素，電伴加熱溫度控制特性會發(fā)生較大變化，原有的PID控制參數(shù)不能達(dá)到最優(yōu)的控制效果，使得溫度控制超調(diào)增加，溫度控制穩(wěn)定性變差，管道溫度低于控制限值，容易發(fā)生物料在工藝管道處冷凝的問題，阻塞工藝管道，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來安全威脅。此時，基于模糊控制規(guī)則，可以通過對模糊控制器的PID控制參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化，得到一組優(yōu)化后的控制參數(shù)，使得控制系統(tǒng)回歸最佳控制效果。

4.2 模糊自整定控制器加熱實(shí)驗(yàn)

本文使用模糊自整定PID控制器，對控制參數(shù)進(jìn)行在線整定，在與上文同樣工況下進(jìn)行電伴加熱實(shí)驗(yàn)。

使用常規(guī)PID控制參數(shù)作為對照組，P、I、D三個控制參數(shù)分別為35%、180s、100s，先在對照組參數(shù)下進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，記錄溫度變化。在同等初始條件下，對P、I、D三個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將優(yōu)化后的參數(shù)作為新的控制參數(shù)，再次進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化后的P、I、D參數(shù)分別為40%、249s、62s。圖2為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)溫度/壓力統(tǒng)計(jì)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(jìn)行在線整定后，控制性能明顯提升。隨著工作介質(zhì)壓力的增加，電伴加熱系統(tǒng)溫度下降在3℃以內(nèi)。當(dāng)供料凈化操作結(jié)束，工作介質(zhì)壓力恢復(fù)至正常值時，電伴加熱溫度能夠迅速穩(wěn)定至（控制值±3）℃。溫度控制響應(yīng)迅速，基本做到了無超調(diào)，反映出良好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

綜上所述，通過使用模糊自整定PID控制器，電伴加熱系統(tǒng)能夠在保證運(yùn)行時伴熱溫度要求的同時，提高運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

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

（2）參數(shù)在線整定，提高控制精度。采用模糊自整定PID控制器，在敷設(shè)好電伴加熱帶后，對系統(tǒng)進(jìn)行在線參數(shù)整定，可以提高溫度控制精度，系統(tǒng)無超調(diào)，動態(tài)性能穩(wěn)定。