專利名稱：自動(dòng)伴熱控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及伴熱系統(tǒng)領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明的實(shí)施方案涉及自動(dòng)控制施加到伴熱電纜的供電間隔正時(shí)(timing)的可調(diào)式伴熱系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電伴熱系統(tǒng)用來使充滿流體的管道內(nèi)保持較高的工藝溫度和/或防止各種管道系統(tǒng)受凍。伴熱系統(tǒng)通常用于包括石油及天然氣、電力、食品及飲料、化學(xué)品及水在內(nèi)的許多行業(yè)。伴熱電纜利用玻璃帶或其他緊固機(jī)構(gòu)附接到工藝管道上，并且可以在系統(tǒng)內(nèi)圍繞工藝閥門和其他散熱器多次伴熱，從而為這些部件提供額外的熱量。伴熱電纜上附接有電源部件以提供形成伴熱電路所需的必要供電。電源部件也通過線材連接到位于遠(yuǎn)離工藝管道位置處的電源，例如配電板和變壓器。根據(jù)所需的具體溫度、安裝環(huán)境和工藝應(yīng)用要求， 可以采用各種類型的伴熱電纜，包括自控溫電纜、功率限制電纜、恒功率電纜等。此外，也可安裝監(jiān)測系統(tǒng)，以測量環(huán)境和管道溫度，以及控制正時(shí)和控制向伴熱電纜的供電。圖1示出了與現(xiàn)有伴熱系統(tǒng)相關(guān)的溫度和供電正時(shí)圖。具體地講，管道溫度Ts隨時(shí)間推移而變化，即，當(dāng)向伴熱電纜供電時(shí)，管道溫度升高(Ts斜率為正)；當(dāng)未向伴熱電纜供電時(shí)，管道溫度降低。可以將伴熱電纜連接到變送器，該變送器用于監(jiān)測伴熱電纜的供電以及管道溫度或管道內(nèi)流動(dòng)的工藝介質(zhì)的溫度，并將該數(shù)據(jù)傳輸至控制器。當(dāng)向伴熱電纜供電時(shí)，變送器通電。接著，變送器可通過工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的有線或無線連接將管道溫度信息傳輸至控制器。典型的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的例子包括ModbuS、FieldbuS、Profibus等。此類網(wǎng)絡(luò)采用包括雙絞線、同軸電纜和其他設(shè)計(jì)在內(nèi)的多種線路架構(gòu)。相似地，無線網(wǎng)絡(luò)采用長距離點(diǎn)對點(diǎn)跨越和短程網(wǎng)設(shè)計(jì)。電力線載波網(wǎng)絡(luò)是另一種典型的數(shù)據(jù)傳輸方式。這些不同的網(wǎng)絡(luò)和電纜架構(gòu)采用多種通信軟件標(biāo)準(zhǔn)，例如RS232、RS-485或以太網(wǎng)。不論采用何種物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浠蛲ㄐ艆f(xié)議，控制器都可確定是否應(yīng)在一段時(shí)間內(nèi)向變送器和伴熱電纜供電， 以升高管道溫度。例如，在t。n時(shí)間段內(nèi)，通過電源、接觸器(如繼電器開關(guān))和控制器向伴熱電纜供電，直到管道溫度達(dá)到溫度設(shè)定點(diǎn)(T^m)加死區(qū)值(I^k)，此時(shí)在時(shí)間、處斷電。死區(qū)值是指超出關(guān)閉伴熱電纜電源之前必須達(dá)到的溫度設(shè)定點(diǎn)的偏差ΔΤ。在t。ff時(shí)間段內(nèi)，未通過控制器向伴熱電纜或變送器供電，并且管道溫度降低(Ts斜率為負(fù))。管道溫度達(dá)到溫度Ttl之后，在時(shí)間、至?xí)r間t2限定的時(shí)間間隔內(nèi)再次通過電源、繼電器開關(guān)和控制器向伴熱電纜供電，并且在t。n時(shí)間段內(nèi)保持供電。該循環(huán)繼續(xù)以將管段加熱到高于設(shè)定點(diǎn)溫度， 然后冷卻以使管道溫度隨后隨時(shí)間推移降低。然而，變送器只在伴熱電纜的電源開啟時(shí)供電。因此，在t。ff時(shí)間段內(nèi)，變送器未通電，并且不能向控制器發(fā)送實(shí)時(shí)管道溫度信息，從而使得管道溫度漂移到所需的溫度范圍之外。為了解決變送器無電力供應(yīng)的問題，現(xiàn)有解決方案已經(jīng)將控制器配置成以選定的時(shí)間間隔ti向伴熱電纜短暫供電。典型的時(shí)間間隔ti可為例如每10或15分鐘持續(xù)約15 秒。這樣可以為變送器臨時(shí)供電，并允許對管道溫度進(jìn)行測量和將測量值返回至控制器。接著，控制器確定管道溫度是否足夠低于T^m，以繼續(xù)向伴熱電纜供電和升高管道溫度。然而，與該方法相關(guān)的一個(gè)缺點(diǎn)是每次都需要僅僅為檢查管道溫度而開啟電源，這樣會(huì)增加 on/off循環(huán)次數(shù)，從而使開關(guān)繼電器過度磨損并對開關(guān)的使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，根據(jù)on/off時(shí)間間隔的頻率和長度，可能會(huì)存在較大的管道溫度偏差，該偏差可能會(huì)破壞管道內(nèi)工藝介質(zhì)的完整性。另外，僅僅為檢查管道溫度而向整個(gè)伴熱電纜供電會(huì)不必要地浪費(fèi)電能。因此，需要一種自動(dòng)伴熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)伴熱電纜的供電，并且不會(huì)危害管道系統(tǒng)內(nèi)工藝介質(zhì)的完整性，也不會(huì)浪費(fèi)電能和縮短開關(guān)壽命。此外，需要一種自動(dòng)伴熱系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法可以確定向系統(tǒng)內(nèi)的伴熱電纜供電的合理時(shí)間間隔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示例性實(shí)施方案涉及伴熱系統(tǒng)和方法。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，伴熱方法包括測量用伴熱電纜伴熱的工藝管道的初始溫度。確定與工藝管道相關(guān)的伴熱電路的設(shè)定點(diǎn)溫度和死區(qū)溫度，其中死區(qū)溫度為高于設(shè)定點(diǎn)溫度的溫度差。在特定時(shí)間間隔內(nèi)向伴熱電路供電，以將工藝管道溫度從初始管道溫度至少升高至設(shè)定點(diǎn)溫度加死區(qū)溫度。在預(yù)定時(shí)長內(nèi)關(guān)閉伴熱電路的電源，并在該時(shí)間間隔末尾測量工藝管道的溫度。將工藝管道的設(shè)定點(diǎn)溫度和死區(qū)溫度之和與預(yù)定斷電時(shí)間間隔末尾測量的溫度進(jìn)行比較。根據(jù)預(yù)定時(shí)間間隔的長度、死區(qū)溫度、設(shè)定點(diǎn)溫度和初始工藝管道溫度計(jì)算后續(xù)的斷電時(shí)間間隔，使得后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾的工藝管道溫度不低于設(shè)定點(diǎn)溫度。


圖1為現(xiàn)有伴熱方法的溫度和供電正時(shí)圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的伴熱系統(tǒng)的框圖；以及圖3為示出了根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)伴熱系統(tǒng)的溫度和供電正時(shí)圖。
具體實(shí)施例方式下文將結(jié)合附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中附圖示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。 然而，本發(fā)明可以多種不同的形式實(shí)施，并且不應(yīng)理解為僅限于本文所示的實(shí)施方案。相反，提供這些實(shí)施方案是為了使本公開透徹而完整，并讓本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分了解本發(fā)明的范圍。在附圖中，相同的編號(hào)自始至終表示同樣的元件。圖2大致示出了簡化的伴熱系統(tǒng)10，在該系統(tǒng)中實(shí)施了根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)控制方法。伴熱系統(tǒng)10包括具有安裝在其上的伴熱電纜20的工藝管道15，伴熱電纜提供了基于其設(shè)計(jì)和輸入電壓的特定熱輸出。工藝管道15可包括多個(gè)工藝閥門16和/或其他散熱器以及保溫部分17。典型的散熱器包括(例如)管支架、法蘭和閥門。通常，將伴熱電纜20 纏繞或附接到工藝閥門上，以提供確保閥門正常工作的額外熱量。將玻璃帶或其他緊固件纏繞到工藝管道15周圍或附接到其上，以使伴熱電纜20固定就位。伴熱電纜可為(例如) 自控溫、功率限制或恒功率型。在供電限制型電纜中，沿管道一定距離除去兩根平行母線中每一根的絕緣材料，以形成具有特定長度的加熱區(qū)。在自控溫型電纜中，導(dǎo)電芯根據(jù)溫度波動(dòng)發(fā)生微觀變化，從而減少或增加母線對之間的電通路數(shù)。在恒功率型電纜中，具有固定電阻的一根或多根線材各自形成線性加熱元件。
電源25可包括變壓器和配電板，通過電接頭30向伴熱電纜20提供必要的電能。 應(yīng)當(dāng)理解，為簡化說明，圖2示出了單個(gè)伴熱電路，但沿工藝管道通常采用多個(gè)電路。控制器40可包括接觸器41，該接觸器允許電能根據(jù)控制器發(fā) 出的控制信號(hào)從電源25流向伴熱電纜20。向伴熱電纜20的供電以及開關(guān)循環(huán)受控制器40控制。當(dāng)控制器40確定可能需要向電纜20供電時(shí)，連接到管道15的變送器模塊50感測管道溫度，并將溫度信息傳輸至控制器40?？梢栽诎闊犭娎|上使用額外的三通連接部件，以在伴熱電路上提供額外的變送器50。此外，可以在控制器40和變送器模塊50之間設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)測模塊(未示出)，從而提供來自多個(gè)伴熱電路的溫度感測信息?？刂破?0可被配置成控制各個(gè)伴熱電路或一組伴熱電路?？刂破?0通常通過通信鏈路(例如，通過采用例如鎧裝雙絞電纜的RS232、RS485 或以太網(wǎng)通信鏈路)將接收到的管道溫度信息以及額外數(shù)據(jù)傳輸至主計(jì)算機(jī)。根據(jù)變送器模塊50檢測到的管道溫度，控制器40在指定時(shí)間內(nèi)向伴熱電纜供電，以基于工作環(huán)境和管道內(nèi)流動(dòng)的工藝介質(zhì)將管段15加熱至預(yù)定溫度。例如，當(dāng)管道15的溫度降至特定溫度Ttl 以下時(shí)，控制器40允許在指定的時(shí)間間隔t。n內(nèi)通過電源25和接觸器開關(guān)41向伴熱電纜 20供電。在此時(shí)間間隔內(nèi)，管道溫度升高至溫度設(shè)定點(diǎn)(T^m)加死區(qū)值(I^k)。一旦管道15根據(jù)從變送器模塊50接收到的信息達(dá)到所需溫度(Tsj^+T，控制器40就通過接觸器41關(guān)閉伴熱電纜20的電源。圖3示出了與根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)控制方法相關(guān)的正時(shí)和溫度圖。該方法允許控制器40根據(jù)先前的斷電時(shí)間周期自動(dòng)確定正確的斷電時(shí)間間隔，以防止管道溫度降至設(shè)定點(diǎn)(T^m)以下。具體地講，控制器40向伴熱電纜20和變送器50供電。在時(shí)間間隔t。nl 內(nèi)，管道溫度從初始溫度(Ttl)升高至設(shè)定點(diǎn)溫度(T設(shè)定點(diǎn))加死區(qū)溫度差(T死區(qū))。一旦管道達(dá)到Ts定貞+T死κ限定的溫度，控制器40即在時(shí)間間隔t。ff initial (對于該初始第一循環(huán)，時(shí)間間隔為任意固定循環(huán)時(shí)間)內(nèi)關(guān)閉伴熱電纜的電源。該任意固定循環(huán)時(shí)間的長度取決于工藝介質(zhì)、環(huán)境、伴熱電纜類型、設(shè)定點(diǎn)溫度等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，在時(shí)間間隔t。ff initial內(nèi)，管道溫度降低至1\。此時(shí)，控制器40開啟電纜20的電源，并立即由變送器50對管道溫度進(jìn)行測量。在時(shí)間間隔t。ff initial 末尾和時(shí)間間隔U開始之前的溫度讀數(shù)表示在第一斷電時(shí)間間隔循環(huán)t。ff initial內(nèi)設(shè)定點(diǎn)溫度加死區(qū)溫度(Tsj^+Tffi)與溫度T1之間的管道溫度差。一旦初始循環(huán)時(shí)間間隔t。ff— initial結(jié)束，控制器40在循環(huán)時(shí)間間隔t。n2內(nèi)向伴熱電纜20供電，直到管道溫度達(dá)到Tsj^ + ^κ，此時(shí)，控制器40再次關(guān)閉電源。自動(dòng)調(diào)節(jié)功能利用任意固定時(shí)間間隔t。ff initial的持續(xù)時(shí)間、t。ff—initial循環(huán)末尾獲得的管道溫度T1、溫度設(shè)定點(diǎn)(T^m)和溫度死區(qū)(Tffi),并計(jì)算下一斷電循環(huán)的新值(t。ff—。al。)。斷電循環(huán)時(shí)間間隔(t。ff。al。)不應(yīng)超出控制器計(jì)算的管道溫度達(dá)到設(shè)定點(diǎn)溫度(T設(shè)定點(diǎn))所需的時(shí)間。假設(shè)管道溫度變化速率恒定的計(jì)算如下toff_calc = (toff_initial X T 死區(qū))/ (Τ 設(shè)定點(diǎn) +T 死區(qū)-T1)作為另外一種選擇，計(jì)算也可以允許管道溫度變化速率為非恒定的，例如指數(shù)級(jí)衰減速率。適當(dāng)時(shí)，對于較小的溫度偏移和較慢的變化速率，假設(shè)管道溫度變化速率恒定的計(jì)算是對指數(shù)級(jí)衰減速率的良好近似。也可以定期通過控制器或在已經(jīng)確定管道溫度顯著偏離低于所需設(shè)定點(diǎn)時(shí)重復(fù)計(jì)算。另外，初始和后續(xù)管道溫度可以是由單個(gè)變送器測量的值，也可以是若干變送器測量值的最小值或平均值。這樣，避免了斷電循環(huán)的多個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)由控制器施加給伴熱電纜的暫時(shí)供電循環(huán)。這減少了對各種系統(tǒng)部件(包括接觸器開關(guān)和固態(tài)繼電器)的磨損和破壞。此外，通過計(jì)算斷電循環(huán)的持續(xù)時(shí)間，避免僅僅為了從變送器獲取溫度讀數(shù)而用來開啟伴熱電纜的不必要的電能，從而減少系統(tǒng)的總功耗。另外，可以根據(jù)工藝保障方面的考慮(包括工藝關(guān)鍵性規(guī)定)或其他工藝原因(例如，管道尺寸問題、 相對于環(huán)境條件的保溫功能、以及可由伴熱領(lǐng)域的技術(shù)人員確定的其他類似問題)的需要在最短時(shí)間內(nèi)實(shí)施溫度監(jiān)測。 雖然已經(jīng)結(jié)合某些實(shí)施方案公開了本發(fā)明，但在不脫離隨附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的領(lǐng)域和范圍的前提下，可對所述實(shí)施方案進(jìn)行各種修改、變型和更改。因此，本發(fā)明并非旨在局限于所描述的實(shí)施方案，而是具有由以下權(quán)利要求書的內(nèi)容及其等同形式所限定的全部范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于控制圍繞工藝管道設(shè)置的伴熱電路電力供應(yīng)的方法，所述方法包括 測量所述工藝管道的初始溫度；為所述伴熱電路設(shè)置設(shè)定點(diǎn)溫度； 設(shè)置高于所述設(shè)定點(diǎn)溫度的死區(qū)溫度；在特定時(shí)間間隔內(nèi)向所述伴熱電路供電，以將所述工藝管道的溫度至少升高至所述設(shè)定點(diǎn)溫度加所述死區(qū)溫度；在預(yù)定的初始時(shí)長內(nèi)關(guān)閉所述伴熱電路的電源； 在所述預(yù)定的初始斷電時(shí)長的末尾測量所述工藝管道的溫度； 比較所述工藝管道在所述設(shè)定點(diǎn)溫度加所述死區(qū)溫度和所述預(yù)定的初始斷電時(shí)長末尾測量的所述溫度之間的溫度差；以及根據(jù)所述預(yù)定的初始斷電時(shí)長的長度、所述死區(qū)溫度、所述設(shè)定點(diǎn)溫度和所述初始工藝管道溫度計(jì)算后續(xù)的斷電時(shí)間間隔，使得在所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾所述工藝管道的溫度不低于所述設(shè)定點(diǎn)溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述斷電時(shí)間間隔的計(jì)算基于公式t。ff。al。=(t0ff—initialΧ τ死區(qū))/ (τ設(shè)定點(diǎn)+τ死區(qū)-T1)，其中toff—calc為所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔，t。ff—initial為所述預(yù)定的斷電時(shí)長，I^g為高于所述設(shè)定點(diǎn)溫度的所述死區(qū)溫度，T^^為所述伴熱電路的所述設(shè)定點(diǎn)溫度，并且T1為所述工藝管道的最終溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括以下步驟在所述預(yù)定的初始斷電時(shí)長末尾測量所述工藝管道的溫度之后，開啟所述伴熱電路的電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括在所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾測量所述工藝管道的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，所述方法還包括比較所述工藝管道在所述設(shè)定點(diǎn)溫度加所述死區(qū)溫度和所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾測量的所述溫度之間的溫度差。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，所述方法還包括以下步驟根據(jù)所述溫度差計(jì)算一個(gè)或多個(gè)后續(xù)循環(huán)的所述斷電時(shí)間。
7.一種伴熱系統(tǒng)，所述伴熱系統(tǒng)包括變送器，所述變送器與工藝管道相關(guān)，并被配置為檢測所述工藝管道的溫度； 伴熱電纜，所述伴熱電纜附接到所述工藝管道上；電源，所述電源通過接觸器開關(guān)連接到所述伴熱電纜上，以向所述伴熱電纜供電； 控制器，所述控制器與所述接觸器開關(guān)以及所述變送器通信，并且被配置為根據(jù)所述工藝管道的溫度通過所述接觸器開關(guān)開啟和關(guān)閉所述伴熱電纜的電源，其中所述變送器在所述伴熱電纜的電源關(guān)閉時(shí)的初始時(shí)長末尾測量所述工藝管道的溫度，并且計(jì)算后續(xù)斷電時(shí)間間隔，使得所述工藝管道在所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔的其中一個(gè)的末尾的溫度不低于預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的伴熱系統(tǒng)，其中所述變送器被配置成測量所述工藝管道的初始溫度并將該信息提供給所述控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的伴熱系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成保持與所述伴熱電路相關(guān)的設(shè)定點(diǎn)溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的伴熱系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成保持與所述伴熱電路相關(guān)的死區(qū)溫度，所述死區(qū)溫度大于所述設(shè)定點(diǎn)溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的伴熱系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成允許在特定時(shí)間間隔內(nèi)由所述電源向所述伴熱電路供電，以將所述工藝管道的溫度至少升高至所述設(shè)定點(diǎn)溫度加所述死區(qū)溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法還包括下列步驟(a)在所述計(jì)算的后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾測量所述工藝管道的溫度；(b)比較所述工藝管道在所述設(shè)定點(diǎn)溫度加所述死區(qū)溫度和所述計(jì)算的后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾測量的所述溫度之間的所述溫度差；以及 (c)根據(jù)所述預(yù)定的初始斷電時(shí)長的長度、所述死區(qū)溫度、所述設(shè)定點(diǎn)溫度和所述后續(xù)測量的工藝管道溫度計(jì)算額外的后續(xù)斷電時(shí)間間隔，使得所述工藝管道在所述后續(xù)斷電時(shí)間間隔末尾的溫度不低于所述設(shè)定點(diǎn)溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中將所述步驟(a)-(c)重復(fù)η次，其中η等于或大于2。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中η等于約10，000或以上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中η等于約10，000,000或以上。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制伴熱電路的方法，所述方法可自動(dòng)確定斷電時(shí)長。所述方法根據(jù)初始預(yù)定斷電時(shí)間間隔末尾測量的工藝管道溫度、特定的工藝管道設(shè)定點(diǎn)溫度以及高于所述設(shè)定點(diǎn)溫度的死區(qū)溫度計(jì)算所述斷電時(shí)長。所述設(shè)定點(diǎn)溫度基于所述工藝介質(zhì)、伴熱電纜參數(shù)和所述工藝管道的安裝環(huán)境。所述斷電循環(huán)時(shí)長不應(yīng)超出所述工藝管道溫度達(dá)到所述設(shè)定點(diǎn)溫度所需的時(shí)間，從而限制了所述伴熱電路的on/off循環(huán)次數(shù)，進(jìn)而延長了電路元件的壽命。
文檔編號(hào)H05B1/02GK102160454SQ200980136485
公開日2011年8月17日 申請日期2009年10月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月2日
發(fā)明者D·諾爾蒂 申請人:泰科熱控有限責(zé)任公司