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智能换热器经济运行的监控功能装置点击：1823 日期：[ 2014-04-26 21:39:45 ] |
| 智能换热器经济运行的监控功能装置 邹积斌 (大连理工大学海洋能源利用与节能教育部重点实验室,辽宁 大连 116024) 摘 要:论述了一种以监测、神经网络和一体化工作站为核心,具有智能监控功能为特征的高效经济运行换热器的监控装置。通过实时检测换热器冷、热两侧流体运行的有关参数,经过遗传算法优化计算求得其最佳的经济流速。在智能化的实时监控和变频调速下,使换热器能够在除垢期内逼近设计时的高效换热点经济安全运行,并为设备的预知维修和节能减排提供可靠的技术保证。 关键词:智能换热器;一体化工作站;监控装置;节能减排 中图分类号:TK172;TP273+·5 文献标识码:B 文章编号:1002-6339 (2008) 03-0259-05 0 前 言 换热器广泛应用于炼油、动力、能源等各工业领域,在某些企业中又拥有相当的数量和占有极其重要的地位,对于换热器经济运行的开发与应用同节能减排和安全生产紧密相联具有重要的意义。基于换热器在智能监控下的经济运行研究,就是采用智能监控装置涉及到的有关监控组态软件和检测仪表、神经网络、工控机为核心的一些软、硬件为基础,并以在线连续监测数据和遗传算法优化计算及神经网络对电机—泵的实时变频调控为手段,而开发的通过网络能够同时对多个换热器经济运行进行集中的监控,实现其最优目标函数的一种特殊控制的智能换热器的监控装置。 1 智能换热器的构成和技术指标〔1〕 1·1 智能换热器主要组成部分 一种新型智能换热器主要有三个部分组成,如图1。 第一部分换热主体及附件:包括以<1-2>型管壳式换热器作为换热本体,变频器,变频电机—离心泵和各种阀门等附件。 第二部分智能监控软件系统:包括遗传算法的优化计算,基于BP神经网络的PID控制系统,监控组态软件和构成监控的有关软件等。 第三部分智能监控硬件系统:包括各种传感器(温度、压力、流量、转数、压电式),监测仪表,I/O设备,模拟量输入、输出卡,一体化工作站等。 1·1·1 智能换热器的热交换主体〔2〕 以选用两台<1-2>型管壳式换热器串联工作为例,将处理量为M1=14 t/h的煤油产品从t′1=140℃,冷却到t″1=40℃,冷却水进、出口温度为t′2=30℃、t″2=40℃,煤油、冷却水的工作表压力分别为p1=0·1 MPa、p2=0·3 MPa,煤油在壳程流动,水在管程流动。按每年运行时间τ=8 000 h,工业电费按S=1·00 RMB￥/(kW·h),在智能监控装置的支持下保证换热器长期经济和安全的高效运行。 1·1·2 变频器 选用一台三菱FR-F740系列变频器适用于: (1)输运热流体的电机功率3·7 kW;(2)输运冷流体的电机功率18·5 kW。该变频器具有先进的PID功能和变频器/工频切换可以实现多泵循环运行,并带有节能监控功能。过载能力:120% 60S,150% 3S,50℃;额定输入电压/频率:三相380 ~ 480 V50 Hz/60 Hz;简易磁通矢量控制方式;实现3 Hz时输出转矩达120%。 1·1·3 变频电机-离心泵 (1)输运热流体动力:电机型号MZ-40Ⅱ,功率3·0 kW,额定转速2 800~3 400 r/min;离心泵型号MZ-40ⅡSPECK离心泵,流量14 m3/h,扬程(max)60 m,油温+140℃。 (2)输运冷却水动力:电机型号MDSP160L-2,功率18·5 kW,额定转速2 900 r/min;离心泵型号ISR100-200A,流量93 m3/h,扬程(max)44 m,适用温度-20~+120℃。 1·2 智能换热器的技术指标 1·2·1 在线连续监测参数 为了实时调控换热器在运行中冷、热两侧流体的流速ωi、ωj,使其达到最经济性运行目的。必须对两侧流体的运行参数进行实时检测,其中检测内容为 (1)冷,热流体的进、出口温度t′2、t″2,t′1、t″1; (2)冷,热流体的压力降Δp2、Δp1; (3)冷,热流体的实时流速ωi,ωj; (4)换热器管侧,壳侧的污垢热阻。 并以此获得的在线测试数据为依据,作为对遗传算法优化计算和实时调控的技术支持。 1·2·2 对参数的智能调控 (1)由于冷、热两侧传热壁面污垢的增大(减小),使换热器的传热性能改变而导致换热效率的变化。在冷却水流量限定的范围内:minQ2≤Qi≤maxQ2,实施对冷流体侧的机-泵转速进行实时的变频调控使其流速为ωi。 (2)在实时优化调节冷流体流速ωi的同时,对热流体的流速ωj进行实时的优化调控,以满足换热器运行的热负荷的要求:minQ1≤Qj≤maxQ1,最终使冷、热两侧流体有较好的对流换热系数以获得更好的换热性能。 1·2·3 对经济运行工况的评价 在总污垢热阻发生变化的客观条件下,为了满足系统的工艺流程和最经济性运行的需求。以设计时的额定工况点的传热有效度εe= Qe/Qmax为标准基点,在约束条件下应用遗传算法实时优化冷、热两侧的流速ω2、ω1,以此逼近额定工况时的高效换热性能指标。从而可以获得换热器在冷、热两侧流体流动时的实时最佳的经济流速ωi、ωj,并且在智能监控装置的技术支持下可以求解出智能换热器年度经济运行总用电费用的节能率〔3〕。 2 智能监控软件系统 主要包括:(1)世纪星监控组态软件;(2)遗传算法的优化计算〔3〕;(3)基于NN-BP神经网络控制。 2·1 世纪星监控组态软件 基于智能换热器经济运行的技术特点,采用《世纪星监控组态软件》V7·12版本以满足其监控装置对换热器经济安全运行的要求。该监控组态软件是在PC机上开发的智能型人机接口(HMI)软件系统,她以Windows 98/2000/NT中文平台作为其操作系统,可以产生在现场级别和管理级别上的监控和数据采集系统的一体化功能。 《世纪星监控组态软件》是由开发系统(CSMak-er)和运行系统(CSViewer)两个部分组成,其突出特点具有:先进性、方便性、全面性、独特性。 2·1·1 应用开发系统的基本流程 开发者在CSMaker集成环境下可以完成:工况界面的设计、数据库定义、动画连接、硬件设备安装、命令语言编写等。该系统具有先进完善的图形生成功能;数据库中有多种数据类型,对应于控制对象的特性,对数据报警、趋势曲线、历史数据记录、安全防范等功能有简明的操作方法。 运行开发系统创建一个应用工程主要有以下五个方面: (1)界面图形的设计 开发者利用CSMaker提供的各种图形化工具模拟工业现场,在集成环境下描绘实际的换热工艺流程和监控装置等的图形界面。并且能使绘制的图象画面简洁明了和具有易操纵特性,当运行该应用程序时用户直接面对的就是这一步中所绘制的人机友好界面。 (2)变量数据库 创建一个实时变量数据库,用于保存、处理和更新所有变量数据是整个应用系统的核心。它将系统采集的现场数据和用户输入的数据以及数据库中的数据进行实时处理,包括数据服务请求处理、统计数据处理、报警数据处理、历史数据储存等。 (3)动画连接 它是建立画面的图素与数据变量的对应关系,并将工业现场的数据通过I/O接口使实时数据库中变量变化。图象的对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充等,从而产生模拟工艺流程的动画效果。 (4)趋势曲线和报警窗口 实时趋势曲线用于实时显示数据的变化情况,历史趋势曲线用于查看历史数据。趋势曲线的外形类似于二维坐标,X轴为时间,Y轴为变量值,主要用于观察变量的变化趋势。在同一个趋势曲线中最多可同时显示四个变量的变化情况,而一个画面中可定义数量不限的趋势曲线。 (5)I/O驱动设备 设备驱动采用OLE自动化接口技术,使设备驱动程序和世纪星有机整合在一起,完成数据采集和实时调控。支持的硬件设备包括:PLC、智能仪表、智能模块、变频器、板卡、网络、DDE、OPC、现场总线、有线和无线MODEM、伺服驱动等。 2·1·2 智能监控装置的应用程序 CSViewer系统是一个实时的运行环境,用于显示开发系统中建立的动画图形画面,并负责数据库与I/O服务程序的数据交换。通过实时数据库管理从工业控制对象采集各种数据,并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来,同时完成报警、历史数据记录、趋势曲线等监视功能。 当进入运行系统后,模拟显示出智能换热器监控装置的总工作画面,而实时监控的10余项技术参数及相对应的画面分别为 (1)初始画面 主画面显示:登陆、曲线、图表、报警、报表、查询、退出等菜单。当登录到系统上后,应用系统将自动禁止操作者的超级别操作,最高为9999级,以保证系统的安全运行。 (2)主控画面 运行程序后进入总貌画面,模拟显示了智能换热器经济运行监控装置的总监控界面,它的画面类似于图1所示。 (3)组态报表 用户可以得到实时数据报表和历史数据报表,将生产过程中的各类信息以直观的表格形式列出,为生产管理人员提供有效的分析手段。在报表中可以任意插入与其相关的柱状图、圆饼图、折线图、散点图等。 (4)温度、压力、流量曲线 通过网络能够监测多个运行中的换热器在冷,热两侧流体运行的参数;①进口温度、②出口温度, ③进口压力、④出口压力,⑤流量。并分别以不同颜色的实时棒图、带图、折线图、散点图和数字等表示,使得被实时监控的参数显而易见和一目了然。 (5)变频器工作状态 用数字和带图可以分别实时显示出:①输运冷、热两侧流体动力的变频器的频率和对应的电压值, ②变频器/工频切换和多泵循环运行工况。 (6)变频电机—离心泵转速 通过分别以数字和不同颜色的棒图、带图实时的显示电机—离心泵转速,从而使管理者能够了解换热器冷、热两侧流体动力的运行状况。 (7)最佳经济流速 画面分别显示换热器在冷、热两侧流体流动的实时流速ωi、ωj的数值,并同时以实时趋势曲线和历史趋势曲线的两种形式来表示,以此直观地反映换热器经济运行状况和换热的实际效果。 (8)总当量污垢热阻〔4〕 污垢热阻是关系到换热器换热效率和经济运行状况的重要指标,它是指冷,热两侧流体中在换热壁面上的沉积物的现场监测的重要技术参数,将其监测污垢热阻值绘制成实时趋势曲线图和历史数据曲线图及报警值显示出来,以供监控系统调控使用和自动除垢参考。 通过监测比较少的物理量即监测换热器在冷、热两侧流体的进、出口温度就能够根据以下公式求出换热器管、壳两侧的总当量污垢热阻： 式中 F(R,ε,流型)———与换热器流型有关的函数表达式,称为污垢函数; K0———不考虑污垢时换热器总的传热系数,W/(m2·K); Ntu0———不考虑污垢时设计传热单元数。 (9)PID参数设置 对换热器在冷、热两侧流体的流速ωi、ωj(流量)等控制参数(PID参数)进行设置,并实时显示其数值及趋势图,使换热器能够以最佳的经济工况安全运行。 (10)安全设置 完善的监控系统能够实时检测出非正常状态的发生,并且将报警信息按正确的顺序登录数据库和存于内存中,该智能监控系统报警方式包括:文本、图像、声音。 (1)振动信号:使用测振仪和安装在换热主体位置上的压电式传感器,用于检测换热装置在运行时是否有不正常的现象发生,并以实时趋势曲线图和报警信号分别给予显示。 (2)自控阀门:当智能监控系统实时监测到换热器运行时的重要参数(温度、压力、流量)超出其设定值时,将以报警给予提示,并自动关闭输运冷、热两侧流体的动力电源和阀门。 2·2 神经网络的控制系统〔5〕 2·2·1 基于BP神经网络的PID控制器 该控制器由两个部分组成,如图2。(1)经典的PID控制器(两个PID):直接对被控制对象进行闭环控制,并且KP,KI,KD三个参数为在线整定;(2)神经网络NN(两个NN):根据系统的运行状态,通过监测装置分别对冷、热两侧流体的温度、压力、流量的运行参数进行在线连续的监测和处理,并与遗传算法实时优化计算的结果进行比较,再通过该神经网络的自学习、加权系数的调整,使两个NN输出层神经元的输出分别对应于两个PID控制器的3个可调参数KP,KI,KD进行调整。从而可分别对两个变频调速电机进行实时的匹配调控,使其稳定状态对应于最经济运行规律下的PID控制器的参数。 2·2·2 基于NN-BP神经网络的控制 该智能换热器选定的BP神经网络结构是两个并列的4-8-3三层网络,每个网络结构具有4个输入层、8个隐含层和3个输出层(图中只标出一个4-8-3 NN结构),如图3。 在每个网络中输出层可分别在线调整各自对应的PID控制器以达到调控输送冷、热两侧流体的变频调速电机的转数,而两个控制器的实际输出量yi(k),yo(k)与遗传算法优化计算得到的冷、热两侧最佳流速的优化目标值ri(k) =ω′i,ro(k) =ω′o是相对应的。 3 智能监控装置的硬件 3·1 各种检测仪表 3·1·1 温度测量 一体化数显温度变送器:热电偶或热电阻传感器将被测温度转换成电信号,经过调零后的信号输入到运算放大器进行信号放大后,一路经V/I转换器计算处理后以4~20 mA直流电流输出;另一路经A/D转换器处理后送到表头。 (1)冷却水进、出口温度检测采用的仪表型号;WZPB233GS。 (2)热流体进、出口温度检测采用的仪表型号;WZPB243GS。 3·1·2 压力测量 冷却水压力测量:采用SMP133通用型压力变送器。 技术参数:量程表压0~0·5 MPa,输出信号4~20 mA,0~5 VDC,环境温度:-30~+85℃。煤油压力测量:采用SMP135高温压力变送器。技术参数:量程表压0~0·2 MPa,输出信号4~20 mA,0~5 VDC,环境温度:-30~+85℃。 3·1·3 流量测量 采用带4~20 mA变送器的转子流量计,信号经多路开关变换电路变为0~5 V信号进入A/D转换器送入工控机。 (1)对于冷却水侧:选用HHD电磁流量计;(2)对于热流体侧:选用HH-50智能流量计。 3·1·4 电机-泵转速测量 (1)冷却水转速测量采用磁电式转速传感器:AP-981防水型,使用温度-10℃~+70℃。 (2)煤油转速测量采用电磁式转述传感器:MP-935防油耐热型,使用温度-10℃~+150℃。 3·1·5 监控装置中的测振仪 选用TV110测振仪检测换热器主体的运行,使用压电式加速度传感器,把振动信号转换成电信号,通过对输入信号的处理分析,显示振动的加速度、速度、位移值。 测量范围:加速度0·1~199·9 m/s2;速度0·01~19·99 cm/s;位移0·001~1·999 mm。 频率范围:加速度10 Hz~10 KHz;速度10 Hz~1 KHz;位移10 Hz~500 Hz。 3·2 一体化工作站 3·2·1 I/O驱动设备分类 世纪星中驱动设备分为串口通信设备、板卡设备(即总线型设备)、DDE设备和网络设备等,根据智能换热器经济运行的监控装置配置这些逻辑设备。 3·2·2 串口通信设备 使用RS232/RS485转换器可以支持多点连接,因为RS485传输距离长、传输速率高以此来驱动FR-F740系列变频器。 3·2·3 模拟量输入、输出卡 采用PCI-1713的总线数据采集与控制卡,用于采集换热器冷,热两侧流体的检测数据,它是一款信号隔离的高速模拟量输入,并提供了32个模拟量输入通道,采样频率可达100 KS/s,12位分辨率及2500YDC的支流隔离保护的专用工业过程监测。采用PCI-1723非隔离8通道总线模拟量输出卡,用于换热器冷,热两侧智能阀门控制,每个输出通道都带有一个16位的双缓冲DAC,并具有自动校准功能和BoardID开关。 3·2·3 工业控制计算机 采用AWS-8259一体化工作站,新型15寸LCD,CPU采用P4 3·0 G、内存1 G、硬盘120 G、102键的防水防尘触摸键盘及触摸鼠标板和Windows2000Professional操作系统。 主要特点:符合IP65/NEMA 4标准,标准的8 U尺寸,振动保护高达1 G,内置触摸键,前板USB接口,集成和隔离LCD板和控制板,15″,9槽TFTLCD,分辨率:1024×768 LCD。 4 结 论 智能换热器经济运行的监控装置是一个在实际生产发展需求下孕育而生的产物,鉴于它对换热器经济运行具有智能监控的功能,并且能够为设备的预知维修及节能减排的目的提供一个可靠的技术保证。因此,该监测控制装置符合于智能控制和基于网络的企业自动化系统向着未来工业企业自动化方向发展的一种必然趋势。 参考文献 〔1〕邹积斌·智能控制的热交换器〔P〕·中国发明专利:ZL200510046007·8,2007-7-16· 〔2〕史美中,王中铮·热交换器原理与设计〔M〕·南京:东南大学出版社,1996· 〔3〕邹积斌·基于智能技术的换热器经济运行的研究〔J〕·节能,2008,(1):25-27· 〔4〕吴双应,李友荣·一种监测换热器污垢的新方法〔J〕·工业加热,2000,(1):14-15· 〔5〕易继锴,侯媛彬·智能控制技术〔M〕·北京:北京工业大学出版社,1999· |
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