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油氣電加熱器回歸模型的建立

文檔作者：杭柏林高國(guó)威孫龍張俊梅文檔來源：青島科技大學(xué)a．機(jī)電工程學(xué)院；b．化學(xué)工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年09月29日
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第40卷第6期
2011年11月
石油化工設(shè)備
PETR0_CHEMICAL EQUIPM ENT
Vo1．40 NO．6
NOV．2O1l
文章編號(hào)：1000—7466(2011)06—0009—04
油氣電加熱器回歸模型的建立
杭柏林 ，高國(guó)威 ，孫龍 ，張俊梅
(青島科技大學(xué)a．機(jī)電工程學(xué)院；b．化學(xué)工程學(xué)院，山東青島 266061)
摘要： 系統(tǒng)的回歸模型是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)學(xué)模型，是預(yù)測(cè)控制的第一步，關(guān)系到控制系統(tǒng)性能指
標(biāo)的好壞。通過實(shí)驗(yàn)確定油氣電加熱裝置模型的參數(shù)階數(shù)，再根據(jù)滯后時(shí)間確定采樣頻率，采集系
統(tǒng)多個(gè)時(shí)刻的輸入、輸出數(shù)據(jù)，最后通過MATLAB實(shí)現(xiàn)最小二乘法，計(jì)算出最優(yōu)的模型參數(shù)，為廣
義預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用提供了較好的參數(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：油氣電加熱器；傳熱；回歸模型；最小二乘法；預(yù)測(cè)控制
中圖分類號(hào)：TQ O51．5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Establishment of Electric Oil—gas Heater Regression M odel
HANG Bo—lin ，GAO Guo-wei。，SUN Long ，ZHANG Jun—mei
(Qingdao University of Science and Technology a．College of Electromeehanical Engineering
b．College of Chemical Engineering，Qingdao 266061，China)
Abstract： System regression model is the system dynamic process of mathematical model，it l‘S
the first step of predictive controls，and relates to the control system performance．Through the
experiment to determine the model parameters order number，then accords to the time lag to de—
termine the sampling frequency，acquisition much moment input and output data of system，final—
ly through MATLAB to realize least—square method，and calculate the optimal model parameters，
which provides better parameters for the application of generalized predictive contro1．
Key words： electric oil—gas heater；thermal transmission；regression model；least—square meth—
od；predictive control
天津盛大電加熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的電加熱器
是專門用來加熱流動(dòng)的天然氣、石油氣等易燃易爆
氣體的，這種加熱器通過對(duì)MI電纜施加三相交流
電，由MI電纜對(duì)導(dǎo)熱油加熱，而導(dǎo)熱油的熱量傳遞
給流經(jīng)加熱器的介質(zhì)，通過PLC實(shí)現(xiàn)電氣控制。它
可有效地解決天然氣、石油氣等類介質(zhì)在液態(tài)轉(zhuǎn)為
氣態(tài)或高壓力轉(zhuǎn)為低壓力時(shí)要求補(bǔ)充大量熱量的技
術(shù)問題。
電加熱器是將電能轉(zhuǎn)化成熱能，而其他加熱器
往往是通過鍋爐將水加熱為蒸汽加熱，從能源角度
來說，電能更加清潔、快捷，能在短時(shí)間內(nèi)獲得大量
熱能，而蒸汽加熱是通過燃燒煤來獲取熱能，在能源
利用效率、加熱速度和溫度的易控性等方面都和電
加熱有差距，投入成本過大。
1 油氣加熱器工藝流程
油氣電加熱器的加熱過程為，被加熱介質(zhì)(冷
態(tài))經(jīng)進(jìn)口管人分流室，使介質(zhì)沿器體內(nèi)壁四周流人
加熱室，通過各層電加熱元件的縫隙，使介質(zhì)被加熱
升溫，然后匯合流入混流室，混合后以均勻的溫度從
出V1管中流出。在電加熱器混流室裝有測(cè)溫傳感
器，測(cè)溫傳感器將采集的溫度信號(hào)傳至電氣控制系
收稿日期：2011—06—03
基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金(ZR2OO9BLo22)；“青島科技大學(xué)化學(xué)工程山東省強(qiáng)化建設(shè)學(xué)科”開發(fā)基金資助項(xiàng)目
作者簡(jiǎn)介：杭柏林(1959一)，男，內(nèi)蒙古通遼人，研究員，碩士，從事裝備控制與機(jī)電一體化方面工作。
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石油化工設(shè)備 2011年第4O卷
統(tǒng)，經(jīng)溫度調(diào)節(jié)儀控制電加熱器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。在
介質(zhì)流量小時(shí)，被加熱介質(zhì)變少，溫度就會(huì)上升，這
時(shí)加熱器可自動(dòng)減小電熱元件的功率輸出，流量增
大時(shí)功率增大。
油氣電加熱器控制簡(jiǎn)圖見圖1。
圖1 油氣電加熱器控制簡(jiǎn)圖
2 油氣電加熱器最小二乘法數(shù)學(xué)模型回歸
2．1 傳熱基本原理
根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱分為熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流
和熱輻射3種基本方式。熱傳導(dǎo)是熱量從物質(zhì)中溫
度較高的部分傳遞到溫度較低的部分，或者從高溫物
質(zhì)傳導(dǎo)到與之相鄰的低溫物質(zhì)的熱量傳遞現(xiàn)象 。
油氣加電熱裝置運(yùn)用的就是熱傳導(dǎo)的原理，它通過加
熱棒將導(dǎo)熱油溫度提升，并將熱量傳遞到需要加熱的
油氣物質(zhì)中，從而達(dá)到對(duì)油氣物質(zhì)加熱的目的。
油氣電加熱器屬于管殼式熱交換器，是間壁式
熱交換器的主要形式。管殼式熱交換器的傳熱面由
管束構(gòu)成，一般分為管程和殼程嘲。而筆者研究的
熱交換器略有不同，管束一端與導(dǎo)熱油箱相通，另一
端封死，管束內(nèi)部是導(dǎo)熱油以及對(duì)導(dǎo)熱油加熱的電
加熱棒，其結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 電加熱器結(jié)構(gòu)圖
2．2 回歸模型階數(shù)確定
任何一種控制算法在正式實(shí)施前，都必須經(jīng)過
參數(shù)整定這一環(huán)節(jié)。受各種因素的影響和條件的限
制，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制參數(shù)的整定往往比較困難，
因而參數(shù)整定就成為在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的重要
目的和內(nèi)容之一 ]。重要的控制參數(shù)包括預(yù)測(cè)時(shí)域
長(zhǎng)度P和控制時(shí)域長(zhǎng)度M 等。
2．2．1 預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度P
優(yōu)化是對(duì)未來有限時(shí)域進(jìn)行優(yōu)化，為使?jié)L動(dòng)優(yōu)
化真正有意義，P應(yīng)覆蓋系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的主要部分。P
的大小對(duì)于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性有較大影
響。若P取得較小，則控制系統(tǒng)的快速性好，但穩(wěn)
定性和魯棒性較差；若P取得較大，雖然系統(tǒng)穩(wěn)定
性好，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，且增加了計(jì)算時(shí)間，降低了系
統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。因此，在實(shí)際選擇P時(shí)應(yīng)綜合考慮，
使系統(tǒng)既能獲得所期望的穩(wěn)定魯棒性又能具有所要
求的動(dòng)態(tài)快速性。若快速性不夠，則可適 減小P；
若穩(wěn)定性較差，則可增大P。不同預(yù)測(cè)1，、：的仿真
0 25 s
圖見圖3，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G(s)一 。通過
5 l 1
對(duì)P為1、5、20的比較，一般取P一5～15來兼顧系
統(tǒng)的穩(wěn)定魯棒性和動(dòng)態(tài)快速性。
鬈
】．O
善0．8
：
0．2
。 ：：
? ． ．
0 5 】0 】5 2O 25 3O 35 40 45
時(shí)間，s
圖3 不同預(yù)測(cè)長(zhǎng)度的仿真圖
2．2．2 控制時(shí)域長(zhǎng)度M
M 在優(yōu)化性能指標(biāo)中表示優(yōu)化變量的個(gè)數(shù)。一般
M≤Pl4 j。M越小，越難保證在各采樣點(diǎn)上的輸出能
夠準(zhǔn)確跟蹤設(shè)定值，對(duì)于動(dòng)態(tài)復(fù)雜的對(duì)象不易得到良
好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。增大M值，則表示有較多的優(yōu)化變量，
增大了控制的能力，因而能夠獲得較好的性能指標(biāo)和
快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，但控制的靈敏度將相應(yīng)提高，影響控
制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，在選擇M 時(shí)，必須兼顧控制的
快速性和穩(wěn)定性，一般取M一1～3。
不同控制長(zhǎng)度的仿真圖見圖4，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
匣
餐
鑫
圖4 不同控制長(zhǎng)度的仿真圖
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第6期 杭柏林，等：油氣電加熱器回歸模型的建立
為G(S)一 4s+l。通過對(duì)M 為1、2的比較可知，對(duì)
階數(shù)較低較易控制的簡(jiǎn)單系統(tǒng)，通常取M-l。
通過以上分析，介于計(jì)算機(jī)的工作量和預(yù)測(cè)的
準(zhǔn)確，筆者采用P一3、M一2。
2．3 最小二乘法回歸
為了求出A(q )和B(q )，采用最小二乘法
估計(jì)參數(shù)向量_6 ]。
A(q )△ (￡)一B(q )Au( 一1)+ (￡) (1)
其中 A(q )一1+n1q +?+n q～
B(g )一bo 4- b q + ? + 6 q-．
式中，q 為后移算子，表示后退一個(gè)采樣周期的相
應(yīng)的量；△：1一q。1。，為差分算子； ( )為一個(gè)不相關(guān)
的隨機(jī)序列，表示一個(gè)隨機(jī)噪聲的影響；Y( )、“(f)
為系統(tǒng)的輸入、輸出。
把模型參數(shù)與數(shù)據(jù)參數(shù)分別用向量的形式表示
如下：
一[＆1?n ；b。?b ]
≠( )一[～△ (￡一1)? 一△ ( 一 )；
△“( 一1)?△ ( 一 一1)]
則式(1)可寫為：
Ay(t)一聲 (z) 4- (≠) (2)
用漸消記憶的遞推最小二乘法估計(jì)參數(shù)向量：
( )=8(t-1)+K( )lAy(t)一聲 (t)O(t-1)]1
K( )一P(t-1) ( )[ ( )P(t-1) (￡)+hi {
1 f
P(￡)一 rJ—K( ) ( )]P(t-1) 1
J
(3)
式中， 為遺忘因子，常可選0．95< <1。K( )為
權(quán)因子，P(￡)為正定的協(xié)方差陣，j為單位矩陣。
在控制啟動(dòng)時(shí)，需要設(shè)置參數(shù)向量 ( )和協(xié)方
差陣P( )的初值，通常可令 (O)一0，P(0)一a 工(
是一個(gè)足夠大的正數(shù))。在控制的每一步，首先要組
成數(shù)據(jù)向量，然后就可以由式(3)求出K(￡)、 ( )和
P( )[ 。
2．4 實(shí)際用電功率和控制溫度數(shù)據(jù)
選擇T時(shí)，原則上應(yīng)當(dāng)滿足采樣頻率的要求，
即采樣頻率應(yīng)當(dāng)大于2倍的截止頻率口仉“]。由于
此系統(tǒng)的滯后時(shí)間為25 s，因此選擇T一5 S是比較
合適的。
實(shí)測(cè)的實(shí)際用電功率和控制溫度數(shù)據(jù)見表1。
其中用電功率為輸入“( )，控制溫度為輸出 ( )。
2．5 模型參數(shù)
MATLAB是用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分
表1 實(shí)際用電功率和控制溫度數(shù)據(jù)
用電功率／w 控制溫度／℃
析的軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)
時(shí)間域、離散時(shí)間域或者兩者混合時(shí)間域里進(jìn)行建
模，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)。
根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式(3)，運(yùn)用MATLAB計(jì)算出
模型確定所需的向量 ，從而確認(rèn)系統(tǒng)的回歸模型。
最終確立的模型如下：
(￡)一1．496 5 (f一1)一0．496 6 3，(￡一2)+
0．5u(￡一1)一0．501“(￡一2) (4)
將式(4)應(yīng)用到油氣電加熱器的溫度控制中，通
過該模型可以及時(shí)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的輸出量，然后根
據(jù)預(yù)測(cè)出的輸出量計(jì)算出下一時(shí)刻應(yīng)該施加的控制
量，從而有利于消減整個(gè)系統(tǒng)的滯后性，提高系統(tǒng)的
控制質(zhì)量。
3 結(jié)語
針對(duì)文中涉及到的電加熱器，以及廣義預(yù)測(cè)控
制的特點(diǎn)，通過模型描述廣義預(yù)測(cè)控制的主要影響
參數(shù)，對(duì)各個(gè)主要控制參數(shù)進(jìn)行了分析和仿真研究，
得出了較好的仿真結(jié)果，可為廣義預(yù)測(cè)控制的應(yīng)用
提供較好的參數(shù)依據(jù)。
參考文獻(xiàn)：
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第40卷第6期
2011年11月
石油化工設(shè)備
PETR()一CHEMICAL EQUIPMENT
Vo1．40 NO．6
Nov．2O11
文章編號(hào)：1000—7466(201I)06—0012—04
日
皿 度濕度對(duì)儲(chǔ)罐油面最高靜電電位的影響
趙繼飛，蘇揚(yáng)，王海堂，亓 鵬
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東東營(yíng)257061)
摘要：測(cè)量了不同溫度、濕度條件下石油儲(chǔ)罐模型中油面最高靜電電位值，進(jìn)行了多元線性回歸分
析，分析出影響石油儲(chǔ)罐油面最高靜電電位的主要環(huán)境因素為濕度，對(duì)其影響機(jī)理進(jìn)行了闡述，可
為現(xiàn)場(chǎng)大型石油儲(chǔ)罐的靜電防護(hù)工作及聯(lián)合站、儲(chǔ)油站的安全運(yùn)營(yíng)工作提供參考。
關(guān)鍵詞：石油儲(chǔ)罐；油面最高靜電電位；溫度；濕度；靜電安全
中圖分類號(hào)：TE 972 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
Study of the Influence of Temperature and Humidity on the Highest Oil
Surface Electrostatic Potential of the Oil Tank
ZHAO Ji—fei，SU Yang，WANG Hai—tang，QI Peng
(College of Physics Science and Technology，China University of Petroleum
(East China)，Dongying 257061，China)
Abstract：The maximum value of oil surface electrostatic potential in the model of oil tank iS
measured at different temperatures and humidity．The results are analyzed using multiple linear
regression analysis，which，among all the environmental factors humidity，is the main factor
which influenced the highest oil surface electrostatic potentia1． The mechanism was also ex—
plained．The results provided an important reference on the safe operation in electrostatic defen—
ding of oil storage tank，joint station and petroleum storage station．
Key words：oil tank；highest oil surface electrostatic potential；temperature；humidity； elec—
trostatic safety
據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)爆炸事故中約有10％屬于靜電事
故 。石油在流動(dòng)過程中極易產(chǎn)生靜電電荷，當(dāng)帶
電油品注入儲(chǔ)罐時(shí)，隨著罐內(nèi)靜電荷的不斷積聚，罐
內(nèi)油面電位可高達(dá)數(shù)千乃至上萬伏 引。大型石油庫(kù)
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Es]
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(張編)
收稿日期：2011-05—27
基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(091042548)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(09CX04019A)

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