专利名称：自动伴热控制方法
技术领域：
本发明的实施方案涉及伴热系统领域。更具体地讲，本发明的实施方案涉及自动控制施加到伴热电缆的供电间隔正时(timing)的可调式伴热系统。
背景技术：
电伴热系统用来使充满流体的管道内保持较高的工艺温度和/或防止各种管道系统受冻。伴热系统通常用于包括石油及天然气、电力、食品及饮料、化学品及水在内的许多行业。伴热电缆利用玻璃带或其他紧固机构附接到工艺管道上，并且可以在系统内围绕工艺阀门和其他散热器多次伴热，从而为这些部件提供额外的热量。伴热电缆上附接有电源部件以提供形成伴热电路所需的必要供电。电源部件也通过线材连接到位于远离工艺管道位置处的电源，例如配电板和变压器。根据所需的具体温度、安装环境和工艺应用要求， 可以采用各种类型的伴热电缆，包括自控温电缆、功率限制电缆、恒功率电缆等。此外，也可安装监测系统，以测量环境和管道温度，以及控制正时和控制向伴热电缆的供电。图1示出了与现有伴热系统相关的温度和供电正时图。具体地讲，管道温度Ts随时间推移而变化，即，当向伴热电缆供电时，管道温度升高(Ts斜率为正)；当未向伴热电缆供电时，管道温度降低。可以将伴热电缆连接到变送器，该变送器用于监测伴热电缆的供电以及管道温度或管道内流动的工艺介质的温度，并将该数据传输至控制器。当向伴热电缆供电时，变送器通电。接着，变送器可通过工业通信网络内的有线或无线连接将管道温度信息传输至控制器。典型的工业通信网络的例子包括ModbuS、FieldbuS、Profibus等。此类网络采用包括双绞线、同轴电缆和其他设计在内的多种线路架构。相似地，无线网络采用长距离点对点跨越和短程网设计。电力线载波网络是另一种典型的数据传输方式。这些不同的网络和电缆架构采用多种通信软件标准，例如RS232、RS-485或以太网。不论采用何种物理网络拓扑或通信协议，控制器都可确定是否应在一段时间内向变送器和伴热电缆供电， 以升高管道温度。例如，在t。n时间段内，通过电源、接触器(如继电器开关)和控制器向伴热电缆供电，直到管道温度达到温度设定点(T^m)加死区值(I^k)，此时在时间、处断电。死区值是指超出关闭伴热电缆电源之前必须达到的温度设定点的偏差ΔΤ。在t。ff时间段内，未通过控制器向伴热电缆或变送器供电，并且管道温度降低(Ts斜率为负)。管道温度达到温度Ttl之后，在时间、至时间t2限定的时间间隔内再次通过电源、继电器开关和控制器向伴热电缆供电，并且在t。n时间段内保持供电。该循环继续以将管段加热到高于设定点温度， 然后冷却以使管道温度随后随时间推移降低。然而，变送器只在伴热电缆的电源开启时供电。因此，在t。ff时间段内，变送器未通电，并且不能向控制器发送实时管道温度信息，从而使得管道温度漂移到所需的温度范围之外。为了解决变送器无电力供应的问题，现有解决方案已经将控制器配置成以选定的时间间隔ti向伴热电缆短暂供电。典型的时间间隔ti可为例如每10或15分钟持续约15 秒。这样可以为变送器临时供电，并允许对管道温度进行测量和将测量值返回至控制器。接着，控制器确定管道温度是否足够低于T^m，以继续向伴热电缆供电和升高管道温度。然而，与该方法相关的一个缺点是每次都需要仅仅为检查管道温度而开启电源，这样会增加 on/off循环次数，从而使开关继电器过度磨损并对开关的使用寿命产生负面影响。此外，根据on/off时间间隔的频率和长度，可能会存在较大的管道温度偏差，该偏差可能会破坏管道内工艺介质的完整性。另外，仅仅为检查管道温度而向整个伴热电缆供电会不必要地浪费电能。因此，需要一种自动伴热系统，该系统可以调节伴热电缆的供电，并且不会危害管道系统内工艺介质的完整性，也不会浪费电能和缩短开关寿命。此外，需要一种自动伴热系统和方法，该系统和方法可以确定向系统内的伴热电缆供电的合理时间间隔。
发明内容
本发明的示例性实施方案涉及伴热系统和方法。在一个示例性实施方案中，伴热方法包括测量用伴热电缆伴热的工艺管道的初始温度。确定与工艺管道相关的伴热电路的设定点温度和死区温度，其中死区温度为高于设定点温度的温度差。在特定时间间隔内向伴热电路供电，以将工艺管道温度从初始管道温度至少升高至设定点温度加死区温度。在预定时长内关闭伴热电路的电源，并在该时间间隔末尾测量工艺管道的温度。将工艺管道的设定点温度和死区温度之和与预定断电时间间隔末尾测量的温度进行比较。根据预定时间间隔的长度、死区温度、设定点温度和初始工艺管道温度计算后续的断电时间间隔，使得后续断电时间间隔末尾的工艺管道温度不低于设定点温度。
图1为现有伴热方法的温度和供电正时图；图2为根据本发明的伴热系统的框图；以及图3为示出了根据本发明的自动伴热系统的温度和供电正时图。
具体实施例方式下文将结合附图更详细地描述本发明，其中附图示出了本发明的优选实施方案。 然而，本发明可以多种不同的形式实施，并且不应理解为仅限于本文所示的实施方案。相反，提供这些实施方案是为了使本公开透彻而完整，并让本领域的技术人员充分了解本发明的范围。在附图中，相同的编号自始至终表示同样的元件。图2大致示出了简化的伴热系统10，在该系统中实施了根据本发明的自动控制方法。伴热系统10包括具有安装在其上的伴热电缆20的工艺管道15，伴热电缆提供了基于其设计和输入电压的特定热输出。工艺管道15可包括多个工艺阀门16和/或其他散热器以及保温部分17。典型的散热器包括(例如)管支架、法兰和阀门。通常，将伴热电缆20 缠绕或附接到工艺阀门上，以提供确保阀门正常工作的额外热量。将玻璃带或其他紧固件缠绕到工艺管道15周围或附接到其上，以使伴热电缆20固定就位。伴热电缆可为(例如) 自控温、功率限制或恒功率型。在供电限制型电缆中，沿管道一定距离除去两根平行母线中每一根的绝缘材料，以形成具有特定长度的加热区。在自控温型电缆中，导电芯根据温度波动发生微观变化，从而减少或增加母线对之间的电通路数。在恒功率型电缆中，具有固定电阻的一根或多根线材各自形成线性加热元件。
电源25可包括变压器和配电板，通过电接头30向伴热电缆20提供必要的电能。 应当理解，为简化说明，图2示出了单个伴热电路，但沿工艺管道通常采用多个电路。控制器40可包括接触器41，该接触器允许电能根据控制器发 出的控制信号从电源25流向伴热电缆20。向伴热电缆20的供电以及开关循环受控制器40控制。当控制器40确定可能需要向电缆20供电时，连接到管道15的变送器模块50感测管道温度，并将温度信息传输至控制器40。可以在伴热电缆上使用额外的三通连接部件，以在伴热电路上提供额外的变送器50。此外，可以在控制器40和变送器模块50之间设置远程监测模块(未示出)，从而提供来自多个伴热电路的温度感测信息。控制器40可被配置成控制各个伴热电路或一组伴热电路。控制器40通常通过通信链路(例如，通过采用例如铠装双绞电缆的RS232、RS485 或以太网通信链路)将接收到的管道温度信息以及额外数据传输至主计算机。根据变送器模块50检测到的管道温度，控制器40在指定时间内向伴热电缆供电，以基于工作环境和管道内流动的工艺介质将管段15加热至预定温度。例如，当管道15的温度降至特定温度Ttl 以下时，控制器40允许在指定的时间间隔t。n内通过电源25和接触器开关41向伴热电缆 20供电。在此时间间隔内，管道温度升高至温度设定点(T^m)加死区值(I^k)。一旦管道15根据从变送器模块50接收到的信息达到所需温度(Tsj^+T，控制器40就通过接触器41关闭伴热电缆20的电源。图3示出了与根据本发明的自动控制方法相关的正时和温度图。该方法允许控制器40根据先前的断电时间周期自动确定正确的断电时间间隔，以防止管道温度降至设定点(T^m)以下。具体地讲，控制器40向伴热电缆20和变送器50供电。在时间间隔t。nl 内，管道温度从初始温度(Ttl)升高至设定点温度(T设定点)加死区温度差(T死区)。一旦管道达到Ts定貞+T死κ限定的温度，控制器40即在时间间隔t。ff initial (对于该初始第一循环，时间间隔为任意固定循环时间)内关闭伴热电缆的电源。该任意固定循环时间的长度取决于工艺介质、环境、伴热电缆类型、设定点温度等。在一个优选的实施方案中，在时间间隔t。ff initial内，管道温度降低至1\。此时，控制器40开启电缆20的电源，并立即由变送器50对管道温度进行测量。在时间间隔t。ff initial 末尾和时间间隔U开始之前的温度读数表示在第一断电时间间隔循环t。ff initial内设定点温度加死区温度(Tsj^+Tffi)与温度T1之间的管道温度差。一旦初始循环时间间隔t。ff— initial结束，控制器40在循环时间间隔t。n2内向伴热电缆20供电，直到管道温度达到Tsj^ + ^κ，此时，控制器40再次关闭电源。自动调节功能利用任意固定时间间隔t。ff initial的持续时间、t。ff—initial循环末尾获得的管道温度T1、温度设定点(T^m)和温度死区(Tffi),并计算下一断电循环的新值(t。ff—。al。)。断电循环时间间隔(t。ff。al。)不应超出控制器计算的管道温度达到设定点温度(T设定点)所需的时间。假设管道温度变化速率恒定的计算如下toff_calc = (toff_initial X T 死区)/ (Τ 设定点 +T 死区-T1)作为另外一种选择，计算也可以允许管道温度变化速率为非恒定的，例如指数级衰减速率。适当时，对于较小的温度偏移和较慢的变化速率，假设管道温度变化速率恒定的计算是对指数级衰减速率的良好近似。也可以定期通过控制器或在已经确定管道温度显著偏离低于所需设定点时重复计算。另外，初始和后续管道温度可以是由单个变送器测量的值，也可以是若干变送器测量值的最小值或平均值。这样，避免了断电循环的多个时间间隔内由控制器施加给伴热电缆的暂时供电循环。这减少了对各种系统部件(包括接触器开关和固态继电器)的磨损和破坏。此外，通过计算断电循环的持续时间，避免仅仅为了从变送器获取温度读数而用来开启伴热电缆的不必要的电能，从而减少系统的总功耗。另外，可以根据工艺保障方面的考虑(包括工艺关键性规定)或其他工艺原因(例如，管道尺寸问题、 相对于环境条件的保温功能、以及可由伴热领域的技术人员确定的其他类似问题)的需要在最短时间内实施温度监测。 虽然已经结合某些实施方案公开了本发明，但在不脱离随附权利要求书所限定的本发明的领域和范围的前提下，可对所述实施方案进行各种修改、变型和更改。因此，本发明并非旨在局限于所描述的实施方案，而是具有由以下权利要求书的内容及其等同形式所限定的全部范围。
权利要求
1.一种用于控制围绕工艺管道设置的伴热电路电力供应的方法，所述方法包括 测量所述工艺管道的初始温度；为所述伴热电路设置设定点温度； 设置高于所述设定点温度的死区温度；在特定时间间隔内向所述伴热电路供电，以将所述工艺管道的温度至少升高至所述设定点温度加所述死区温度；在预定的初始时长内关闭所述伴热电路的电源； 在所述预定的初始断电时长的末尾测量所述工艺管道的温度； 比较所述工艺管道在所述设定点温度加所述死区温度和所述预定的初始断电时长末尾测量的所述温度之间的温度差；以及根据所述预定的初始断电时长的长度、所述死区温度、所述设定点温度和所述初始工艺管道温度计算后续的断电时间间隔，使得在所述后续断电时间间隔末尾所述工艺管道的温度不低于所述设定点温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述断电时间间隔的计算基于公式t。ff。al。=(t0ff—initialΧ τ死区)/ (τ设定点+τ死区-T1)，其中toff—calc为所述后续断电时间间隔，t。ff—initial为所述预定的断电时长，I^g为高于所述设定点温度的所述死区温度，T^^为所述伴热电路的所述设定点温度，并且T1为所述工艺管道的最终温度。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括以下步骤在所述预定的初始断电时长末尾测量所述工艺管道的温度之后，开启所述伴热电路的电源。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括在所述后续断电时间间隔末尾测量所述工艺管道的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，所述方法还包括比较所述工艺管道在所述设定点温度加所述死区温度和所述后续断电时间间隔末尾测量的所述温度之间的温度差。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括以下步骤根据所述温度差计算一个或多个后续循环的所述断电时间。
7.一种伴热系统，所述伴热系统包括变送器，所述变送器与工艺管道相关，并被配置为检测所述工艺管道的温度； 伴热电缆，所述伴热电缆附接到所述工艺管道上；电源，所述电源通过接触器开关连接到所述伴热电缆上，以向所述伴热电缆供电； 控制器，所述控制器与所述接触器开关以及所述变送器通信，并且被配置为根据所述工艺管道的温度通过所述接触器开关开启和关闭所述伴热电缆的电源，其中所述变送器在所述伴热电缆的电源关闭时的初始时长末尾测量所述工艺管道的温度，并且计算后续断电时间间隔，使得所述工艺管道在所述后续断电时间间隔的其中一个的末尾的温度不低于预定的设定点温度。
8.根据权利要求6所述的伴热系统，其中所述变送器被配置成测量所述工艺管道的初始温度并将该信息提供给所述控制器。
9.根据权利要求7所述的伴热系统，其中所述控制器被配置成保持与所述伴热电路相关的设定点温度。
10.根据权利要求8所述的伴热系统，其中所述控制器被配置成保持与所述伴热电路相关的死区温度，所述死区温度大于所述设定点温度。
11.根据权利要求9所述的伴热系统，其中所述控制器被配置成允许在特定时间间隔内由所述电源向所述伴热电路供电，以将所述工艺管道的温度至少升高至所述设定点温度加所述死区温度。
12.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括下列步骤(a)在所述计算的后续断电时间间隔末尾测量所述工艺管道的温度；(b)比较所述工艺管道在所述设定点温度加所述死区温度和所述计算的后续断电时间间隔末尾测量的所述温度之间的所述温度差；以及 (c)根据所述预定的初始断电时长的长度、所述死区温度、所述设定点温度和所述后续测量的工艺管道温度计算额外的后续断电时间间隔，使得所述工艺管道在所述后续断电时间间隔末尾的温度不低于所述设定点温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中将所述步骤(a)-(c)重复η次，其中η等于或大于2。
14.根据权利要求13所述的方法，其中η等于约10，000或以上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中η等于约10，000,000或以上。
全文摘要
本发明提供了一种用于控制伴热电路的方法，所述方法可自动确定断电时长。所述方法根据初始预定断电时间间隔末尾测量的工艺管道温度、特定的工艺管道设定点温度以及高于所述设定点温度的死区温度计算所述断电时长。所述设定点温度基于所述工艺介质、伴热电缆参数和所述工艺管道的安装环境。所述断电循环时长不应超出所述工艺管道温度达到所述设定点温度所需的时间，从而限制了所述伴热电路的on/off循环次数，进而延长了电路元件的寿命。
文档编号H05B1/02GK102160454SQ200980136485
公开日2011年8月17日 申请日期2009年10月1日 优先权日2008年10月2日
发明者D·诺尔蒂 申请人:泰科热控有限责任公司