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摘要：本文针对油气电加热设备中多根电加热棒运行寿命是基本相同的，在不满负荷运行的情况下，有的一直运行，有的闲置，造成电加热棒整体使用寿命降低，运用优化控制原理建立了电加热棒循环工作的方法；针对电加热输送油气出口温度控制的滞后现象，根据输入电能与输送油气出口温度的实测数据，建立了系统的数字预测回归模型，用可编程控制器S7-200实现了电加热棒的优化调度和预估控制，提高了油气电加热设备的整体寿命，改善了系统的性能指标，为提高油气电加热的优化控制提供了理论依据。
关键词：油气电加热器；温度；回归模型；可编程控制器；优化控制
中图分类号：TQ051.5文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）02-0270-02
一、油气电加热工艺流程
在油气储运过程的加热过程中，石油储备库油罐长期储存易凝高黏油垢，天然气在对管道的分输时需要调压，而调压过程中天然气的温度会降低，易出现结冰堵塞管道的现象，所以输转作业时需要对油气进行加热，才能保证很好的流动状态，油气电加热设备是常用的方法之一。本文将涠洲6-8平台项目对油气电加热设备的工艺要求和天津盛大电加热设备有限公司专门用来加热流动的天然气、石油气等易燃易爆气体的电加热设备组成的系统为背景，研究了天然气、石油气等类的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和电加热的工艺流程。
一般油气混合物进口温度为55℃，出口温度为71-73℃，允许温差±2℃，被加热介质（冷态）经进口管入分流室，使介质沿器体内壁四周流入加热室，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口管中流出。电加热器混流室处装有测温传感器采集温度信号传至电气控制系统，经计算机温度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。由于对象存在滞后大的现象，常规PID控制很难满足精度控制指标的要求[1]，采用计算机温度控制系统和预估控制方法能有效地解决此类问题，但该方法必须有数学模型，本文用回归方法建立。
电加热棒的投入采用开关量控制，根据实际流量Q1确定电加热棒的根数Z1，满足
Z1=Q1N/Q
式中：N为加热器的总棒数；Q为额定流量，Z1的值往往带有小数，舍去小数部分后的整数Z才是投入加热棒的根数，同时存在一个问题，取整时的余量就会使加热器的出口温度维持在一个相对比较大的范围内。当流量稳定时，设定被加热介质提高的温度为ΔT，则每根棒承载的温度为ΔTM，所以控制的最大温差是ΔT2M。为了提高精度只能减小每根棒的功率，这样在不减小总功率的前提下，只能增加棒数，但是这样做会相应提高生产的成本。从此看来，这个控制方法是不可取的。为提高控制精度，用一根电加热棒采用数字连续控制，如预估或PID控制，本文采用预估控制。
二、预估控制回归模型的建立
（一）传热基本原理
物体或者系统内部由于温度不同而造成热量转移的过程，称为热量的传递，简称传热。根据传热机理的不同，传热分为三种基本方式：热传导；热对流；热辐射。热传导的定义：热量从物质中温度较高的部分传热到温度较低的部分，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。
油气电加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高，当温度高于要求的出口温度时就成了定义中的高温物质，而需要加热的油气物质进入加热器中，是由于温度低于导热油的温度，所以热量就会传递到需要加热的油气物质中，从而达到给油气物质加热的目的。
油气电加热器装置属于壳管式换热器。它的主要形式是间壁式换热器。壳管式换热器的传热面由管束构成。一种流体在管子内部流动，称为管程，另一种流体在管子与换热器壳体之间流动，称为壳程[2]。而现在研究的是换热器还略有不同，管束是一头联通导热油箱的，别一头封死的，管束里面是导热油以及给导热油加热的电加热棒。
（二）回归模型阶数的确定
任何一种控制算法在正式实施之前，都必须经过参数整定这一环节。由于各种因素的影响和种种条件的限制，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里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），控制时域长度（M）等。
M在优化性能指标中表示优化变量的个数。一般M≤P[3]。M越小，越难保证在各采样点上的输出准确跟踪设定值，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，影响了控制系统的稳定性。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=1-3。
结论：介于计算机的工作量和预测的准确，可以采用P=5，M=3。
（三）实测电功率和控制温度数据
采样时间T的选择原则上应大于2倍系统的截止频率。由于此系统滞后时间为3s，故选择T=1比较合适。
（四）运用MALTAB确认模型的参数θ
MATLAB是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，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。
用MATLAB计算出模型确定所需的向量θ，从而确认系统的动态过程的数学模型。
三、预估控制方法的应用
本方案在涠洲6-8平台项目中应用，油气电加热设备出口温度的设定值为72℃，在现场对出口温度进行了实时记录，以便于和前期此项目中油气电加热设备传统控制方式出口温度进行对比。
预估控制方式和传统控制方式现场出口温度，记录时间为51分钟，采样周期为3分钟，预估控制的出口温度在温度上升过程迅速而且没有出现超调量，在达到设定值之后能够平稳运行，温度控制偏差在±1℃，更好地达到了工艺要求；而传统控制的出口温度在温度上升过程中出现了一定程度的超调量，而且温度控制偏差在±3℃，应用实际结果表明，计算机温度预估控制方法优于传统控制方式。 四、基于油气电加热装置优化调度方法设计与实现
（一）优化调度方法的设计
为了体现方案的通用性，假设电加热器上有N个电加热棒，在正常工作时，电加热器的N个电加热棒一开始会全部工作，可是当系统最后稳定时只会有一部分使用到。设有Z（Z≤N）运行，电加热棒运行T小时后进行切换，开始运行为1、2、…、Z，运行T小时后，运行为2、3、…、Z、Z+1，运行2T小时后，运行为3、4、…、Z+1、Z+2，以此类推，当运行到Z+N时，经过的时间是NT小时，但所有电加热棒都运行了ZT小时，再继续运行，应是1、2、…、Z电加热棒再次投入运行。
若按原方法，有Z根运行了NT小时，有N-Z根没投入运行，使电加热棒运行时间不均，长期运行的话就会造成油气电加热设备整体寿命降低或维修次数增加，这是企业不希望的。采用上述方法，随着时间的推移，N个电加热棒始终有Z个投入运行的情况下，运行NT小时后，且使每个电加热棒均运行ZT小时。使电加热棒整体运行寿命提高了（N-Z）T小时，长期运行，优势更明显。根据此优化控制原理，在相同的条件下，获得了最佳的效果。
（二）优化调度方法的PLC实现
由于油气电加热器装置较小，采用S7-200可编程控制器就可实现N个加热棒循环工作，提高了电加热器的整体寿命。
根据电加热器的基本工作情况和控制要求，采用了S7-200系列的CPU222为主机模块，配以一块EM231模拟量输入模块，一个TD200构成了该油气电加热设备的控制系统。
选取N个状态寄存器S1、S2、…、SN，对应N个电加热棒的运行状态，“1”表示电加热棒投入运行，“0”表示电加热棒没投入运行，将状态寄存器S1、S2、…、SN中，随意选取Z个置“1”，其余置“0”每经过T小时，左移或右移一位，但必须始终往一个方向移，以8根电加热棒投入5根为例，选连续5根投入运行。
运行8T小时后，又回到了初始的运行状态，按电加热棒的运行状态，每个均运行了5T小时，这也说明了该方法是正确的。
五、结论
本文针对电加热输送油气出口温度控制的滞后现象和设备结构复杂模型难以建立的问题，根据输入电能与输送油气出口温度的实测数据，建立了系统的预测回归模型，为提高油气电加热温度控制精度提供了理论依据，实现了计算机油气电加热温度预估控制，改善了系统的性能指标，克服了对象滞后时间对温度控制精度的影响，提高了油气电加热设备的精度，为该类设备的广泛应用具有理论和使用价值。
参考文献：
[1]蒋慰孙，俞金寿.过程控制工程[M].北京：中国石化出版社，1999：256-268.
[2]周少祥，胡三高，宋平之.管壳式换热器分布参数模型的分段线性化方法研究[J].中国电机工程学报，2002，22（6）：123-125.
[3]王穗辉.遗传算法在非线性最小二乘平差中的应用[J].大地测量与地球动力学，2006，26（2）：95-98.
关键词：油气电加热器；温度；回归模型；可编程控制器；优化控制
中图分类号：TQ051.5文献标识码：A文章编号：1009-0118（2013）02-0270-02
一、油气电加热工艺流程
在油气储运过程的加热过程中，石油储备库油罐长期储存易凝高黏油垢，天然气在对管道的分输时需要调压，而调压过程中天然气的温度会降低，易出现结冰堵塞管道的现象，所以输转作业时需要对油气进行加热，才能保证很好的流动状态，油气电加热设备是常用的方法之一。本文将涠洲6-8平台项目对油气电加热设备的工艺要求和天津盛大电加热设备有限公司专门用来加热流动的天然气、石油气等易燃易爆气体的电加热设备组成的系统为背景，研究了天然气、石油气等类的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和电加热的工艺流程。
一般油气混合物进口温度为55℃，出口温度为71-73℃，允许温差±2℃，被加热介质（冷态）经进口管入分流室，使介质沿器体内壁四周流入加热室，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口管中流出。电加热器混流室处装有测温传感器采集温度信号传至电气控制系统，经计算机温度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。由于对象存在滞后大的现象，常规PID控制很难满足精度控制指标的要求[1]，采用计算机温度控制系统和预估控制方法能有效地解决此类问题，但该方法必须有数学模型，本文用回归方法建立。
电加热棒的投入采用开关量控制，根据实际流量Q1确定电加热棒的根数Z1，满足
Z1=Q1N/Q
式中：N为加热器的总棒数；Q为额定流量，Z1的值往往带有小数，舍去小数部分后的整数Z才是投入加热棒的根数，同时存在一个问题，取整时的余量就会使加热器的出口温度维持在一个相对比较大的范围内。当流量稳定时，设定被加热介质提高的温度为ΔT，则每根棒承载的温度为ΔTM，所以控制的最大温差是ΔT2M。为了提高精度只能减小每根棒的功率，这样在不减小总功率的前提下，只能增加棒数，但是这样做会相应提高生产的成本。从此看来，这个控制方法是不可取的。为提高控制精度，用一根电加热棒采用数字连续控制，如预估或PID控制，本文采用预估控制。
二、预估控制回归模型的建立
（一）传热基本原理
物体或者系统内部由于温度不同而造成热量转移的过程，称为热量的传递，简称传热。根据传热机理的不同，传热分为三种基本方式：热传导；热对流；热辐射。热传导的定义：热量从物质中温度较高的部分传热到温度较低的部分，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。
油气电加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高，当温度高于要求的出口温度时就成了定义中的高温物质，而需要加热的油气物质进入加热器中，是由于温度低于导热油的温度，所以热量就会传递到需要加热的油气物质中，从而达到给油气物质加热的目的。
油气电加热器装置属于壳管式换热器。它的主要形式是间壁式换热器。壳管式换热器的传热面由管束构成。一种流体在管子内部流动，称为管程，另一种流体在管子与换热器壳体之间流动，称为壳程[2]。而现在研究的是换热器还略有不同，管束是一头联通导热油箱的，别一头封死的，管束里面是导热油以及给导热油加热的电加热棒。
（二）回归模型阶数的确定
任何一种控制算法在正式实施之前，都必须经过参数整定这一环节。由于各种因素的影响和种种条件的限制，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里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），控制时域长度（M）等。
M在优化性能指标中表示优化变量的个数。一般M≤P[3]。M越小，越难保证在各采样点上的输出准确跟踪设定值，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，影响了控制系统的稳定性。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=1-3。
结论：介于计算机的工作量和预测的准确，可以采用P=5，M=3。
（三）实测电功率和控制温度数据
采样时间T的选择原则上应大于2倍系统的截止频率。由于此系统滞后时间为3s，故选择T=1比较合适。
（四）运用MALTAB确认模型的参数θ
MATLAB是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，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。
用MATLAB计算出模型确定所需的向量θ，从而确认系统的动态过程的数学模型。
三、预估控制方法的应用
本方案在涠洲6-8平台项目中应用，油气电加热设备出口温度的设定值为72℃，在现场对出口温度进行了实时记录，以便于和前期此项目中油气电加热设备传统控制方式出口温度进行对比。
预估控制方式和传统控制方式现场出口温度，记录时间为51分钟，采样周期为3分钟，预估控制的出口温度在温度上升过程迅速而且没有出现超调量，在达到设定值之后能够平稳运行，温度控制偏差在±1℃，更好地达到了工艺要求；而传统控制的出口温度在温度上升过程中出现了一定程度的超调量，而且温度控制偏差在±3℃，应用实际结果表明，计算机温度预估控制方法优于传统控制方式。 四、基于油气电加热装置优化调度方法设计与实现
（一）优化调度方法的设计
为了体现方案的通用性，假设电加热器上有N个电加热棒，在正常工作时，电加热器的N个电加热棒一开始会全部工作，可是当系统最后稳定时只会有一部分使用到。设有Z（Z≤N）运行，电加热棒运行T小时后进行切换，开始运行为1、2、…、Z，运行T小时后，运行为2、3、…、Z、Z+1，运行2T小时后，运行为3、4、…、Z+1、Z+2，以此类推，当运行到Z+N时，经过的时间是NT小时，但所有电加热棒都运行了ZT小时，再继续运行，应是1、2、…、Z电加热棒再次投入运行。
若按原方法，有Z根运行了NT小时，有N-Z根没投入运行，使电加热棒运行时间不均，长期运行的话就会造成油气电加热设备整体寿命降低或维修次数增加，这是企业不希望的。采用上述方法，随着时间的推移，N个电加热棒始终有Z个投入运行的情况下，运行NT小时后，且使每个电加热棒均运行ZT小时。使电加热棒整体运行寿命提高了（N-Z）T小时，长期运行，优势更明显。根据此优化控制原理，在相同的条件下，获得了最佳的效果。
（二）优化调度方法的PLC实现
由于油气电加热器装置较小，采用S7-200可编程控制器就可实现N个加热棒循环工作，提高了电加热器的整体寿命。
根据电加热器的基本工作情况和控制要求，采用了S7-200系列的CPU222为主机模块，配以一块EM231模拟量输入模块，一个TD200构成了该油气电加热设备的控制系统。
选取N个状态寄存器S1、S2、…、SN，对应N个电加热棒的运行状态，“1”表示电加热棒投入运行，“0”表示电加热棒没投入运行，将状态寄存器S1、S2、…、SN中，随意选取Z个置“1”，其余置“0”每经过T小时，左移或右移一位，但必须始终往一个方向移，以8根电加热棒投入5根为例，选连续5根投入运行。
运行8T小时后，又回到了初始的运行状态，按电加热棒的运行状态，每个均运行了5T小时，这也说明了该方法是正确的。
五、结论
本文针对电加热输送油气出口温度控制的滞后现象和设备结构复杂模型难以建立的问题，根据输入电能与输送油气出口温度的实测数据，建立了系统的预测回归模型，为提高油气电加热温度控制精度提供了理论依据，实现了计算机油气电加热温度预估控制，改善了系统的性能指标，克服了对象滞后时间对温度控制精度的影响，提高了油气电加热设备的精度，为该类设备的广泛应用具有理论和使用价值。
参考文献：
[1]蒋慰孙，俞金寿.过程控制工程[M].北京：中国石化出版社，1999：256-268.
[2]周少祥，胡三高，宋平之.管壳式换热器分布参数模型的分段线性化方法研究[J].中国电机工程学报，2002，22（6）：123-125.
[3]王穗辉.遗传算法在非线性最小二乘平差中的应用[J].大地测量与地球动力学，2006，26（2）：95-98.