電伴熱控制與監(jiān)測的發(fā)展
1 引言隨著工業(yè)化的進(jìn)展，工廠管道的伴熱與保溫也隨著技術(shù)的進(jìn)步一直在變遷，但是這個過程比較緩慢，直到20世紀(jì)七八十年代才迎來了大發(fā)展。在這之前，幾乎是清一色的蒸氣伴熱或者熱油伴熱，但是電伴熱的比重一直在緩步增長，現(xiàn)在北美地區(qū)電伴熱的比重已逾三分之一。我國的電伴熱技術(shù)起步更晚，在工業(yè)領(lǐng)域占整個伴熱市場的比重約為25%。蒸氣伴熱仍占據(jù)市場主導(dǎo)地位。部分原因是因?yàn)橛行┢髽I(yè)有現(xiàn)成的工業(yè)鍋爐，蒸氣比較容易獲得且費(fèi)用低廉。與蒸氣伴熱相比，電伴熱有著無可比擬的優(yōu)勢，具有無噪聲、無污染、免維護(hù)和可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文著重闡述了電伴熱控制與監(jiān)測的發(fā)展及展望。
2 控制與監(jiān)測的差異
雖然電伴熱占整個化工廠的投資比重很小，但是一旦伴熱出現(xiàn)問題，管道被凍結(jié)或維溫不正常，工廠就無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)的可靠性取決于所有元器件的可靠性。如果元件是串聯(lián)的，那么所有元件都須為系統(tǒng)正常工作。這種情況稱為“控制”。若電伴熱增加了控制系統(tǒng)，由于控制與伴熱系統(tǒng)串聯(lián)，它們必須同時工作，伴熱系統(tǒng)的可靠性就有所下降。而監(jiān)測系統(tǒng)是一個平行的系統(tǒng)，如果監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生故障，它不會影響一個獨(dú)立的電伴熱系統(tǒng)的工作。比如一輛摩托車的油量計(jì)壞了卻不影響它繼續(xù)風(fēng)馳電掣。所以，當(dāng)一個報警燈故障時斷路器不應(yīng)該因此而脫扣。假設(shè)一個電伴熱系統(tǒng)的可靠性是99%，而一個監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性是95%。如果監(jiān)測獨(dú)立于電伴熱，那么電伴熱會在99%的時間里正常工作，剩下1%的故障會被監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到95%，即系統(tǒng)的可靠性等于99%加上0.95%，即99.95%。如果控制和監(jiān)測串聯(lián)，則伴熱和控制都須工作，那么只能把95%和99%相乘，結(jié)果系統(tǒng)的可靠時間是94%。因此必須確保監(jiān)測系統(tǒng)獨(dú)立于控制系統(tǒng)，以獲得增加監(jiān)測系統(tǒng)后期望獲得的高可靠性。
3 當(dāng)前電伴熱控制的主要方法
3.1 自調(diào)控伴熱線
自調(diào)控技術(shù)起源于美國。20世紀(jì)60年代末，美國的Chemelex公司首先把輻射交聯(lián)技術(shù)應(yīng)用于滲透了碳微粒的聚合物材料，生產(chǎn)出了第一種能夠感應(yīng)溫度變化從而調(diào)節(jié)功率輸出的并聯(lián)結(jié)構(gòu)伴熱線。
圖1所示為自調(diào)控伴熱線功率溫度曲線。自調(diào)控性能靠的是管道系統(tǒng)和伴熱線之間的熱平衡，可以不用任何外部控制機(jī)構(gòu)來維持管道溫度在可以接受的誤差范圍內(nèi)。最終的管道溫度和環(huán)境溫度有關(guān)，因?yàn)楣艿罍囟仁怯晒β瘦敵雠c管道熱損耗的平衡點(diǎn)決定的。采用這種技術(shù)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)自調(diào)控伴熱線被廣泛應(yīng)用于控制精度、能耗要求不高的場合。自調(diào)控線還能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定化設(shè)計(jì)。穩(wěn)定化設(shè)計(jì)是指在最高環(huán)境溫度時伴熱線持續(xù)通電，管道可能的最高溫度不會超過其最高承受溫度或其他設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的溫度。采用穩(wěn)定化設(shè)計(jì)可以不需要溫度控制設(shè)備也能達(dá)到安全目的。
3.2 管線感應(yīng)控制
管線感應(yīng)控制是一種基于安裝在管道上的溫度傳感器反饋信號的閉環(huán)控制，輸出到電伴熱回路上的交流接觸器或固態(tài)繼電器。相對而言，這種控制方式是最直接且精度最高的控制方式。但實(shí)際上不同類型的控制器其精度相差很大。傳統(tǒng)的機(jī)械式溫控器簡單可靠，但是控制精度并不理想。溫度傳感器采用和毛細(xì)管相連的球泡，內(nèi)充液態(tài)硅樹脂。溫度的變化可以改變開關(guān)觸點(diǎn)的輸出狀態(tài)。輸出精度一般能做到士3～4℃，同時為了避免開關(guān)觸頭的頻繁動作，設(shè)有一個死區(qū)，約在1～7℃。另外由于用機(jī)械撥盤設(shè)定控制溫度，每次設(shè)定值的可重復(fù)性也有一定的誤差，約在1～2℃。如此計(jì)算，溫控器本身的誤差就不小了。更精確的控制要求必須采用電子式溫控器來實(shí)現(xiàn)。電子式溫控器需要RTD或熱電偶把溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號。理論上溫度傳感器由于采用了貴金屬鉑電阻所以可以達(dá)到很高的精度(0.1℃)，但是不能期望管道系統(tǒng)也能獲得如此高的精度。首先為了避免接觸器頻繁的接通一斷開動作，必須引入死區(qū)的概念；其次在遠(yuǎn)離傳感器的管道系統(tǒng)的各個部分都有相當(dāng)大的絕對溫差；另外，流體形式、環(huán)境溫度、是否有陽光照射甚至管道支架的熱膨脹都會影響管道系統(tǒng)的溫度。
3.3 環(huán)境溫度控制
環(huán)境溫度控制采用一個RTD或熱電偶來測量環(huán)境溫度，當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)定值時打開所有的電伴熱回路。這種方式極大地減少了控制器和RTD的成本。缺點(diǎn)是不能監(jiān)測每個回路的溫度，所以不可避免的會增加能耗。該方法一般適用于防凍保護(hù)。
3.4 比例環(huán)境感應(yīng)控制(PASC)
PASC作為一種控制方式始于20世紀(jì)90年代，在冬季寒冷的歐洲應(yīng)用很廣泛。美國過去不太在意這項(xiàng)技術(shù)的推廣，但是隨著國際油價的飚漲，最近也開始重視起來。我們國家的能源供應(yīng)形勢一直比較嚴(yán)峻，所以這項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的推廣會有更廣闊的前景。PASC控制原理示意圖如圖2所示。
其原理是在環(huán)境溫度控制的基礎(chǔ)上，增加了實(shí)時環(huán)境溫度在從最低環(huán)境溫度到控制溫度這段區(qū)間內(nèi)的比值計(jì)算，從而確定一個合理的輸出功率占空比和動作周期。PASC特別適用于防凍保護(hù)。因?yàn)榘闊峋€的輸出功率是按照一個地區(qū)的極端最低環(huán)境溫度設(shè)計(jì)，所以即使溫度低于設(shè)定的控制值(假設(shè)是5℃)，絕大部分時間該輸出功率超出了防凍所需要的功率輸出，所以溫度越接近設(shè)定值，節(jié)省的電能越多。
3.5 其他控制方法
除了上述幾種方式以外，其他還有比例控制，其意義在于用固態(tài)繼電器代替接觸器，通過控制其每秒鐘的占空比來實(shí)現(xiàn)較為精確的控制。實(shí)際上真正的意義在于消除了死區(qū)造成的誤差。還有就是PID控制，這是經(jīng)典控制理論的貢獻(xiàn)，采用模擬量輸出，但是眾所周知，管道溫度控制系統(tǒng)的誤差并不在于控制算法和RTD本身，所以這方面的努力都是徒勞的，也是不可取的。
4 新技術(shù)在電伴熱控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對監(jiān)控的要求也日益提高。DCS的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)集中訪問所有控制信息的要求越來越多，分布式的結(jié)構(gòu)又能顯著提高系統(tǒng)可靠性。理論上DCS能夠?qū)崿F(xiàn)所有電伴熱控制與監(jiān)測功能。但是DCS集成商不一定熟悉電伴熱，所以需要花費(fèi)額外的時間在編程上，對于人力成本高昂的國家來說，這樣做并不經(jīng)濟(jì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，軟件和硬件不斷發(fā)展，現(xiàn)場總線的發(fā)展也相當(dāng)成熟，專業(yè)人員正在開發(fā)一種更先進(jìn)、性價比更高的控制系統(tǒng)。下面探討一種以泰科公司的DigiTrace NGC系統(tǒng)為藍(lán)本的控制方案，如圖3所示。
其中，T為溫度信號；I為電流信號；GF為接地故障電流；R為繼電器輸出。圖3所示系統(tǒng)采用ModBus作為通信協(xié)議，圖中的控制器有兩種，對于回路數(shù)較多且集中的場合可以用NGC一30控制器，NGC一30需要安裝在控制柜里，一個控制器可以控制5個回路；NGC一20是安裝在管道上的現(xiàn)場控制器(必須防爆)，屬于單點(diǎn)式控制器，比較適合于控制點(diǎn)較分散的場合。它們都可以采集管道的溫度信號、伴熱線的電流值和接地故障電流等信號。彼此之間可以用RS485線串起來，連接到用戶界面上。用戶界面可以是工業(yè)級的平板電腦，配上一個觸摸屏。該用戶界面的功能主要是設(shè)定所有的控制器參數(shù)，并起到監(jiān)測作用。當(dāng)用戶界面發(fā)生故障時，所有控制器都能獨(dú)立正常工作，而任何一個控制器發(fā)生故障，用戶界面都能檢測到并發(fā)出報警，所以這個“監(jiān)測”是獨(dú)立于“控制”的，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。最近幾年，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的通信和管理成為一種趨勢，此用戶界面可以通過以太網(wǎng)口方便的連接到辦公室里的普通PC上，實(shí)現(xiàn)一些高級控制功能，諸如對溫度趨勢的分析，對大的系統(tǒng)增加批處理，以及預(yù)設(shè)一些定時的控制命令(見圖4)。為了方便管理，可以有更多的用戶通過以太網(wǎng)來訪問該控制系統(tǒng)。
從圖中還能看出，當(dāng)現(xiàn)場處于危險區(qū)域時，要么把控制柜做成防爆形式放在現(xiàn)場，要么選擇控制器NGC一20，此時NGC一20完全可以直接用RS485線連接到PC上(需要一個RS485／RS232轉(zhuǎn)換器)。
5 結(jié)束語
溫度限制器是獨(dú)立于控制器以外的裝置，對電伴熱系統(tǒng)的安全起到額外保護(hù)的作用，它有自己的RTD，一旦測量值達(dá)到設(shè)定范圍，繼電器就會脫扣，并且需要人工復(fù)位后才能恢復(fù)工作。對溫度限制器的要求最初源于德國， 目前也只有德國應(yīng)用較多(所有ZONE1區(qū)域內(nèi)的非穩(wěn)定化設(shè)計(jì)的伴熱線)。其他歐洲國家還不清楚會否采用。美國目前沒有這樣的趨勢。歐洲的ATEX防爆認(rèn)證指令A(yù)TEX100描述了溫度限制器即使安裝在安全區(qū)域，但是由于它控制處于危險區(qū)域的系統(tǒng)，所以功能安全需要被認(rèn)證。
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