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燃油脱水脱氧设备控制方法研究

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【摘要】为了提高燃油脱水脱氧设备智能操作能力,有效降低燃油中的水含量。在燃油脱水脱氧设备操作过程中,对多传感器输出信号进行检测,并采用双闭环PID控制方法对设备进行控制,实现对进气流量、进油流量的有效调节,保证气与油混合比例为固定值。以处理能力为1200kg/H的燃油脱水脱氧设备为控制对象,研制了以数字信号处理器为核心的操作控制系统。实验结果表明控制系统采用上述控制方法,能够有效控制系统进气流量与进油流量,使气与油混合比例处于受控状态,提高了控制系统的鲁棒性及控制精度,实现气与油混合比例误差在±0.5以内,为设备对燃油脱水脱氧能力的进一步提高奠定基础。

【关键词】燃油脱水脱氧设备;信号检测;双闭环PID;气与油混合比例;数字信号处理器

引言

燃油作为我国重要的二次能源,在国防建设、工业生产以及国民生活中起着战略性作用。含水量与含氧量大的燃油在长期储存过程中会生锈腐蚀油罐内壁,造成油罐泄漏,而动力设备会因使用含水量与含氧量大的燃油导致油泵的滤网堵塞,油泵吸油阻力变大,致使动力设备吸油不足。

目前,常用的燃油脱水脱氧方法是将燃油与干燥氮气在静态管道混合器中强制混合,使得氮气溶解于燃油中并置换其中的溶解水和溶解氧。氮气与燃油在静态管道混合器中混合的比例决定氮气置换溶解水与溶解氧的效果,而设备的管道变径、管路内部流阻的分散性造成进气流量、进油流量难以调节,气与油混合比例很难固定。

本文采用双闭环PID控制方法对进气流量及进油流量进行融合控制,对预设的油气混合比例进行跟踪[1]。通过设计以数字信号处理器为核心的控制系统,对处理能力为1200kg/H的燃油脱水脱氧设备进气流量与进油流量进行调节,实现气与油混合比例误差在±0.5以内,为设备对燃油脱水脱氧能力的进一步提高奠定基础。

1.燃油脱水脱氧设备控制系统的设计

本文设计的燃油脱水脱氧设备控制系统结构主要包括:进气流量检测电路、进油流量检测电路、PWM控制电路以及齿轮泵变频调速电路。

(1)进气流量检测电路

进气流量检测是燃油脱水脱氧设备实现燃油脱水脱氧操作控制首要解决的问题。本文采用高精度的气体涡轮流量计为进气流量传感器,传感器输出电流与涡轮流量计流过的气体流量成比例。通过数字信号处理器对其输出信号进行检测。

(2)进油流量检测电路

本文选用高精度液体涡轮流量计进行进油流量的检测,涡轮流量计输出电流与通过流量计的液体流量成比例,通过数字信号处理器对其输出信号进行检测[2]。

(3)PWM控制电路

采用PWM技术对电动球阀以及进油泵进行控制能够实现对进气量与进油量的调节。PWM控制电路电路采用具有短路保护、过流保护、电压监控的集成电路2SC0108T模块,并设计相应的前级驱动电路和后级功率驱动电路,实现对电动球阀的可靠驱动[3]。数字信号处理器产生的PWM信号经过PWM控制电路变成24V的PWM信号,控制电动球阀的关合速度与开距。

2.控制策略的研究

本文设计的控制系统采用双闭环控制方法,一环为进气流量环,二环为进油流量环,进气流量环和进油流量环均采用PID控制算法,如图1所示。

通过实时检测进气流量并与预设进气流量进行比较,得到进气流量环的偏差信号。进气流量环的偏差信号经过PID调节器,其输出的信号为PWM控制电路的输入信号,由PWM控制电路的输出信号确定电动球阀PWM波的占空比,实现对输入气体流量的闭环控制;进气流量环的输出信号经过PI调节器后,其输出信号为进油流量环的输入信号,实时检测进油流量反馈信号并与进气流量输入信号进行比较,得到进油流量环的偏差信号。进油流量环的偏差信号经过PID调节器,其输出信号为变频调速器的输入信号,由变频调速器确定进油泵的频率,实现对进油流量的闭环调节。最终保证进气流量与进油流量数值的稳定,从而使进气与油混合比例与预设值保持一致。

图1 燃油脱水脱氧设备闭环系统框图

3.实验结果及分析

为验证本文设计的控制方法及控制系统的可行性,研制并测试了处理能力为1200kg/H的燃油脱水脱氧设备及以数字信号处理器(DSP)为核心的控制系统,对预设气与油混合比例进行跟踪控制,对进气流量与进油流量进行测量。实验条件:预设气与油混合比例值为10,环境温度25℃,湿度30%。

图2为控制系统对预设气与油混合比例跟踪控制的实验结果。图2中(a)给出了控制系统对进气流量信号实时检测得到的进气流量曲线,(b)给出了控制系统对进油流量信号实时检测得到的进油流量曲线,(c)给出了气与油混合比例实际值与预设值比较曲线。

从图2可知,燃油脱水脱氧设备在本文设计控制系统的控制下,当实际进气流量与进油流量的比值与预设气与油混合比例出现偏差时,控制系统能够通过双闭环PID控制器对系统控制参数进行调节,最终保证气与油混合比例值范围为10.3-9.5。

图2 对预设气与油混合比例跟踪后的曲线

4.结论

(1)采用电力电子技术和脉冲宽度调制(PWM),实时控制电动球阀驱动信号的占空比,能够实现对电动球阀关合速度与开距的控制,从而实现对进气流量的调节;采用变频调速的方式,控制进油泵的转速,能够有效地控制进油流量。最终实现控制系统对气与油混合比例的调节。

(2)基于所述控制方法设计的控制系统,能够控制进气流量与进油流量按预设气与油混合比例进行输出,使气与油混合比例处于受控状态,有效地克服设备管道变径、管路内部流阻分散性带来的影响,实现气与油混合比例误差在±0.5以内。

参考文献

[1]汤庚.基于双信号检测及跟踪的真空断路器永磁机构控制方法研究[J].高压电器,2013NO.12.

[2]汤庚,徐建源,林莘.高压断路器永磁无刷直流电机操动机构控制技术的研究[C].电工测试技术学术交流会论文集,2012:212-218.

[3]林莘,王德顺,马跃乾.新一代高压断路器直线伺服电动机操动机构[J].电气时代,2007(2):68-70.

[4]黄瑜珑,王静君,徐国政,等.配永磁机构真空断路器运动特性控制技术的研究[J].高压电器,2005,41(5):321-323.

作者简介:

汤庚(1989―),男,辽宁人,硕士研究生,助理工程师,沈阳航天新光集团有限公司研发中心技术员,研究方向:控制理论与控制工程。

景月(1979―),女,辽宁人,大学本科,工程师,沈阳航天新光集团有限公司能源工程部部长,研究方向:机电一体化。