油气电加热器回归模型的建立.pdf

第 4 0 卷第 6 期 2 0 1 1 年 1 1 月 石油化工设备 P ETR0_ CHEMI CAL E QUI P M E NT Vo1 ． 40 NO ．6 NOV ． 2O1 l 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 1 0 6 0 0 0 9 0 4 油气 电加热器 回归模型的建立 杭柏林 ，高 国威 ，孙龙 ，张俊梅 青 岛科技大学 a ． 机电工程 学院；b ． 化学工程学院 ，山东 青岛 2 6 6 0 6 1 摘要系统的回归模型是 系统动态过程的数学模 型， 是预测控制的第一步， 关系到控制 系统性能指 标的好坏 。通过实验确定油气电加热装置模型的参数阶数 ， 再根据滞后时间确定采样频率， 采集系 统 多个 时刻的 输入 、 输 出数据 ， 最后 通过 MA TL AB实现 最 小二 乘法 ， 计 算 出最优 的模 型参数 ， 为广 义预 测控 制 的应 用提 供 了较好 的参数 依据 。 关键 词 油气电加热器；传热；回归模型；最小二乘法；预测控制 中 图分类 号 TQ O 5 1 ． 5 文 献标 志码 A Es t a b l i s h m e nt o f El e c t r i c Oi l g a s He a t e r Re g r e s s i o n M o d e l HANG Bo l i n ，GAO Gu o - we i 。 ， S UN Lo ng ， ZHANG J u n me i Qi n g d a o Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y a ． Co l l e g e o f El e c t r o me e h a n i c a l En g i n e e r i n g b ．Co l l e g e o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g，Qi n g d a o 2 6 6 0 6 1，Ch i n a Ab s t r a c t S y s t e m r e g r e s s i o n mo d e l i s t h e s y s t e m d y n a mi c p r o c e s s o f ma t h e ma t i c a l mo d e l ，i t l‘ S t he f i r s t s t e p o f p r e di c t i ve c on t r o l s ，a nd r e l a t e s t o t he c o nt r o l s ys t e m p e r f or ma nc e ． Thr o u gh t he e x p e r i me n t t o d e t e r mi n e t h e mo d e l p a r a me t e r s o r d e r n u mb e r ，t h e n a c c o r d s t o t h e t i me l a g t o d e t e r mi n e t h e s a mp l i n g f r e q u e n c y，a c q u i s i t i o n mu c h mo me n t i n p u t a n d o u t p u t d a t a o f s y s t e m，f i n a l l y t h r o u g h MATLAB t o r e a l i z e l e a s t s q u a r e me t h o d， a n d c a l c u l a t e t h e o p t i ma l mo d e l p a r a me t e r s ， wh i c h p r o v i d e s b e t t e r p a r a me t e r s f o r t h e a p p l i c a t i o n o f g e n e r a l i z e d p r e d i c t i v e c o n t r o 1 ． Ke y wo r d s e l e c t r i c o i l g a s h e a t e r ；t h e r ma l t r a n s mi s s i o n；r e g r e s s i o n mo d e l ；l e a s t s q u a r e me t h o d；p r e d i c t i v e c o n t r o l 天津盛大电加热设备有限公 司生产的电加热器 是专门用来加热流动的天然气 、 石油气等易燃易爆 气体的 ， 这种加热器通过对 MI电缆施加三相交流 电， 由 MI 电缆对导热油加热， 而导热油 的热量传递 给流经加热器的介质 ， 通过 P L C实现电气控制 。它 可有效地解决天然气、 石油气等类介质在液态转为 气态或高压力转为低压力时要求补充大量热量的技 术 问题 。 电加热器是将 电能转化成热能 ， 而其他加热器 往往是通过锅炉将水加热为蒸汽加热 ， 从能源角度 来说 ， 电能更加清洁、 快捷 ， 能在短时间内获得大量 热能 ， 而蒸汽加热是通过燃烧煤来获取热能 ， 在能源 利用效率、 加热速度和温度 的易控性 等方面都和电 加热有差距 ， 投入成本过大。 1 油气 加热器工艺流程 油气 电加热器 的加 热过程为 ， 被加热介质 冷 态 经进口管人分流室 ， 使介质沿器体内壁四周流人 加热室， 通过各层电加热元件的缝隙， 使介质被加热 升温， 然后汇合流入混流室 ， 混合后以均匀的温度从 出V 1 管 中流 出。在 电加热器混 流室装有测温传感 器 ， 测温传感器将采集 的温度信号传 至电气控制 系 收稿日期2 0 1 1 0 6 0 3 基金项目山东省自然科学基金 Z R 2 O O 9 B L o 2 2 ； “ 青岛科技大学化学工程山东省强化建设学科” 开发基金资助项目 作者简介杭柏林 1 9 5 9 一 ， 男， 内蒙古通辽人， 研究员， 硕士， 从事装备控制与机电一体化方面工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 1年第 4 O 卷 统 ， 经温度调节仪控制 电加热器实现 自动控温 。在 介 质流 量小 时 ， 被 加 热 介 质变 少 ， 温 度 就会 上 升 ， 这 时加热器可 自动减小 电热元件的功率输出， 流量增 大时功率增大。 油气电加热器控制简图见图 1 。 图 1 油气 电加热器控制简图 2 油气 电加热器最小二乘法数 学模 型回归 2 ． 1 传热基本原理 根据传热机理的不同， 传热分为热传导、 热对流 和热辐射 3种基本方式。热传导是热量从物质中温 度较高的部分传递到温度较低的部分 ， 或者从高温物 质传导到与之相邻的低温物质的热量传递现象 。 油气加电热装置运用的就是热传导的原理， 它通过加 热棒将导热油温度提升， 并将热量传递到需要加热的 油气物质中， 从而达到对油气物质加热的 目的。 油气 电加热器属于管壳式热交换器， 是 间壁式 热交换器的主要形式 。管壳式热交换器的传热面由 管束构成 ， 一般分为管程和壳程嘲 。而笔者研究的 热交换器略有不同， 管束一端与导热油箱相通 ， 另一 端封死 ， 管束 内部是导热油以及对导热油加热的电 加热棒 ， 其结构见图 2 。 图 2电加 热 器结 构 图 2 ． 2 回归模型阶数确定 任何一种控制算法在正式实施前， 都必须经过 参数整定这一环节。受各种 因素的影响和条件的限 制， 在工业现场进行控制参数的整定往往比较困难 ， 因而参数整定就成为在实验室进行仿真实验的重要 目的和内容之一 ] 。重要 的控制参数包括预测时域 长度 P和控制时域长度 M 等。 2 ． 2 ． 1 预测 时域长度 P 优化是对未来有限时域进行优化 ， 为使滚动优 化真正有意义， P应 覆盖系统动态 的主要部 分。P 的大小对于控制系统 的稳定性和快速 性有较大影 响。若 P取得较小 ， 则控 制系统的快速性好， 但稳 定性和鲁棒性较差 ； 若 P取得较大， 虽然 系统稳定 性好 ， 但动态响应慢， 且增加 了计算时间， 降低 了系 统的实时性。因此， 在实 际选择 P时应综合考虑 ， 使系统既能获得所期望的稳定鲁棒性又能具有所要 求的动态快速性 。若快速性不够， 则可适 减小 P； 若稳定性较差， 则可增大 P。不 同预测 1 ， 、 的仿真 0 2 5 s 图见图 3 ， 系统的传递 函数为 G s 一 。通过 5 l 1 对 P 为 1 、 5 、 2 0的 比较 ， 一般取 P一5 ～ 1 5 来 兼 顾 系 统的稳定鲁棒性和动态快速性 。 鬈 】 ． O 善0 ． 8 0 ． 2 。 ⋯．． 0 5 】 0 】 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 4 5 时间， s 图 3 不 同 预 测 长 度 的 仿 真 图 2 ． 2 ． 2控 制 时域 长 度 M M 在优化性能指标中表示优化变量的个数。一般 M≤P l_ 4 j 。M 越小 ， 越难保证在各采样点上的输出能 够准确跟踪设定值， 对于动态复杂的对象不易得到良 好的动态响应。增大M值 ， 则表示有较多的优化变量， 增 大 了控 制的能力 ， 因而能够获得较好 的性 能指标 和 快速的动态响应， 但控制的灵敏度将相应提高， 影响控 制系统 的稳定性 。因此 ， 在选择 M 时 ， 必须兼顾控 制的 快速性和稳定性 ， 一般取 M一1 ～3 。 不同控制长度的仿真图见图 4 ， 系统的传递 函数 匣 餐 鑫 图 4 不同控制长度的仿真图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 杭柏林 ， 等 油气 电加热器 回归模型 的建立 为 G S 一 4s l 。通 过对 M 为 1 、 2的 比较可 知 ， 对 阶数较低较易控制的简单系统 ， 通常取 M_--l 。 通过以上分析， 介于计算机 的工作量和预测的 准确 ， 笔者采用 P一3 、 M一2 。 2 ． 3 最小二乘法回归 为了求出 A q 和 B q ， 采用 最小二乘法 估计参数 向量_ 6 ] 。 A q △ ￡ 一B q Au 一 1 ￡ 1 其 中 A q 一1 n 1 q ⋯n q ～ B g 一 b o 4- b q ⋯ 6 q - ． 式中， q 为后移算子， 表示后退一个采样周期 的相 应的量； △1 一q 。1 。 ， 为差分算子 ； 为一个不相关 的随机序列 ， 表示一个随机噪声 的影响 ； Y 、 “ f 为系统的输入、 输 出。 把模型参数与数据参数分别用向量的形式表示 如下 一 [ ＆ 1 ⋯n ； b 。 ⋯b ] ≠ 一[ ～△ ￡ 一1 ⋯一△ 一 ； △ “ 一1 ⋯△ 一 一1 ] 则 式 1 可写 为 Ay t 一声 z 4 - ≠ 2 用渐消记忆的递推最小二乘法估计参数 向量 8 t --1 K l A y t 一声 t O t --1 ]1 K 一P t --1 [ P t --1 ￡ h i { 1 f P ￡ 一 r J K ] P t --1 1 J 3 式 中， 为遗忘因子 ， 常可选 0 ． 9 5 1 。K 为 权 因子 ， P ￡ 为正定的协方差阵， j为单位矩阵。 在控制启动时， 需要设置参数向量 和协方 差阵 P 的初值 ， 通常可令 O 一0 ， P 0 一a 工 是一个足够大的正数 。在控制的每一步， 首先要组 成数据向量 ， 然后就可以由式 3 求出 K ￡ 、 和 P [ 。 2 ． 4 实际用电功率和控制温度数据 选择 T时 ， 原则上应 当满足采样频率 的要求 ， 即采样频率应 当大于 2倍 的截 止频 率口 仉 “ ] 。由于 此系统的滞后时间为 2 5 s ， 因此选择 T一5 S 是比较 合适的。 实测的实际用 电功率和控制温度数据见表 1 。 其 中用电功率为输入 “ ， 控制温度为输出 。 2 ． 5 模型参数 MATL AB是用来对系统进行建模 、 仿真和分 表 1 实际用电功率和控 制温度数据 用 电功率／ w 控制温度／ ℃ 析的软件包 ， 它支持线性和非线性系统 ， 能够在连续 时间域、 离散时间域或者两者混合时间域里进行建 模， 它同样支持具有多种采样速率的系统。 根据表 1 数据和式 3 ， 运用 MAT L AB计算出 模型确定所需的向量 ， 从而确认系统的回归模型 。 最终确立的模 型如下 ￡ 一 1 ． 4 9 6 5 f 一 1 一0 ． 4 9 6 6 3 ， ￡ 一 2 0 ． 5 u ￡ 一 1 一0 ． 5 0 1 “ ￡ 一2 4 将式 4 应用到油气电加热器的温度控制中， 通 过该模型可以及时预测下一时刻的输 出量， 然后根 据预测出的输出量计算 出下一时刻应该施加的控制 量， 从而有利于消减整个系统的滞后性 ， 提高系统的 控制质量。 3 结语 针对文中涉及到的电加热器 ， 以及广义预测控 制的特点 ， 通过模型描述广义预测控制的主要影 响 参数 ， 对各个主要控制参数进行了分析和仿真研究 ， 得出了较好的仿真结果 ， 可为广义预测控制的应用 提供较好的参数依据。 参考文献 [ 1 ] 张洪济． 传 热学 E M] ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 2 ] 杨世铭． 传热学[ M] ． 北京 高等教育出社， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 王妍 ， 常玉连 ， 纪 锋． 油 田注 水生产 系统预测 及仿 真fi J ] ． 大庆石油学院学报， 2 0 0 7 ， 8 2 5 5 5 8 ． 一 L三 ∞ ∞ ∞ ∞ 舳 ∞％ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 0卷第 6期 2 0 1 1年 1 1月 石油化工设备 PE TR 一 CHEMI CAL EQUI P MENT Vo 1 ． 40 NO ．6 No v． 2O1 1 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 I 0 6 0 0 1 2 0 4 日 皿 度湿度对储罐油面最高静电电位的影响 赵继 飞 ，苏扬 ，王海 堂 ，亓 鹏 中国石油 大学 华东物理科学与技术学院 ，山东 东营2 5 7 0 6 1 摘要测量了不同温度、 湿度条件下石油储罐模型中油面最高静 电电位值 ， 进行 了多元线性回归分 析 ， 分析 出影响石油储罐油面最高静 电电位的主要环境 因素为湿度， 对其影响机理进行 了阐述， 可 为现场大型石油储罐的静电防护工作及联合站 、 储 油站的安全运营工作提供参考 。 关键 词 石油储罐；油面最高静电电位；温度；湿度；静电安全 中图分 类号 T E 9 7 2 文 献标 志码 A S t u d y o f t he I n f l u e n c e o f Te mp e r a t u r e a n d Hu mi d i t y o n t h e Hi g h e s t Oi l S u r f a c e El e c t r o s t a t i c Po t e nt i a l o f t he Oi l Ta nk ZHAO J i f e i ，S U Ya n g ，WANG Ha i t a n g ，QI P e n g C o l l e g e o f P h y s i c s S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ch i n a Un i v e r s i t y o f P e t r o l e u m Ea s t C h i n a ，Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1，Ch i n a Ab s t r a c t Th e ma x i mu m v a l u e o f o i l s u r f a c e e l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l i n t h e mo d e l o f o i l t a n k i S me a s u r e d a t d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s a n d h u mi d i t y ．Th e r e s u l t s a r e a n a l y z e d u s i n g mu l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n a n a l y s i s ，wh i c h，a mo n g a l l t h e e n v i r o n me n t a l f a c t o r s h u mi d i t y，i s t h e ma i n f a c t o r wh i c h i nf l u e n c e d t h e hi g he s t o i l s ur f a c e e l e c t r os t a t i c p o t e nt i a 1 ． The me c ha n i s m wa s a l s o e x p l a i n e d ． Th e r e s u l t s p r ov i d e d a n i m p o r t a nt r e f e r e nc e o n t h e s a f e o pe r a t i on i n e l e c t r o s t a t i c d e f e n d i n g o f o i l s t o r a g e t a n k，j o i n t s t a t i o n a n d p e t r o l e u m s t o r a g e s t a t i o n ． Ke y wo r d s o i l t a n k；h i g h e s t o i l s u r f a c e e l e c t r o s t a t i c p o t e n t i a l ；t e mp e r a t u r e ；h u mi d i t y ； e l e c t r o s t a t i c s a f e t y 据统计， 火灾爆炸事故中约有 1 0 ％属于静 电事 故 。石油在流动过程 中极易产生静 电电荷， 当带 电油品注入储罐时 ， 随着罐内静 电荷的不断积聚， 罐 内油面电位可高达数千乃至上万伏 引。大型石油库 [ 4 ] E s ] [ 6 ] [ 7 ] 舒迪前． 预测控制 系统 及其 应用 I - M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． 吕剑 虹 ， 陈来 九． 预测 控制在 热工 控制 中 的应用 前景 [ J ] ． 动力工程 ， 1 9 9 7 ， 4 1 2 1 5 ． 李奇安． 广义预测控制算法简化实现方法研究[ D ] ． 杭 州 浙江大学 ， 2 0 0 5 ． 王伟．改进的广 义预测控 制算法研 究[ D] ． 南 京 南 京信息工程大学 ， 2 0 0 9 ． [ 8 ] 艾岭．广义预测 控制在电阻炉温度 控制 中的应 用研 究 [ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 9 ] 冯培悌 ． 系统 辨识 [ M] ． 杭 州 浙 江大 学出版 社 ， 2 0 0 4 ． [ 1 O ] 苏洪业 ， 李林欢 ， 褚健． 预测 控制 的新进 展 [ J ] ． 机 电 工程 ， 2 0 01 ， 1 8 5 4 - 8 ． [ 1 1 ]杨锦 ， 龙新峰 ， 梁 平． 预测控 制技 术在 电厂热 工过 程中的应用分析[ J ] ． 电力设备， 2 0 0 6 ， 7 5 5 7 6 1 ． 张编 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 5 2 7 基金项 目国家大学生创新性实验计划项 目 0 9 1 0 4 2 5 4 8 ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 0 9 C X 0 4 0 1 9 A 作者简介 赵 继飞 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东济南人 ， 2 0 0 8级本科生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m