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Temperaturregelung eines Ofens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Regelung der Austrittstemperatur eines Durchflußofens sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Öfen, mit welchen sich die vorliegende Erfindung befaßt, dienen
zur Erhitzung von.verschiedenen Stoffen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, im Rohzustand
oder als
Destillate, bevor diese Stoffe zu weiteren Behandlungsabschnitten
transportiert' werden, z.B. zu Destilliertürmen wie Kolonnen zur Abspaltung von
Äthan- Äthylenverbindungen, zur Abspaltung von Pentan, Rohrverdampfern, Anlagen
zur Abspaltung von deisobutanisLerenden Mitteln und ähnlichen Einrichtungen. Da
die Eintrittstemperatur bei der Zufuhr zu solchen Behandlungsabschnitten oft zwischen
bestimmten, kritischen Grenzen liegen muß, ist eine Regeleinrichtung zur Aufrechterhaltung
einer konstanten Temperatur am Austrittsende der Schlange erforderlich.
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Unregelmäßigkeiten bei der Zufuhr zu einem Ofen, z.B. eine Temperaturschwankung
beim Eintritt in den Ofen oder eine Schwankung der Geschwindigkeit bzw. der Menge
des Zuflußstromes, wirken sich erheblich auf d.ie Temperatur am Austrittsende der
Schläge des Ofens aus. Das durch Unregelmäßigkeiten bei der Zufuhr bedingte Problem
ist in letzter Zeit durch die Anwendung von Wärmeintegrationssystemen aktueller
geworden, die der Einsparung von Kosten für Brennstoff und Investitionen dienen,
welche bei einer weniger Integrierten Raffination zur Kühlung, Lagerung und wiederholten
Erwärmung der Zwischenströme benötigt werden. Der Nachteil der durch die Wärmeintegration
erzielten Erhöhung der Leistungsfähigkeit besteht in größeren Schwankungen der Temperatur
beim Eintritt in den Ofen. Das Ausmaß, in dem Wärmeintegrationssysteme bei der Raffination
verwendet werden können, ist daher oft dadurch begrenzt, daß die Steuereinrichtungen
der Öfen diese Schwankungen nur bis zu einem gewissen Grad ohne erhebliche Temperaturänderungen
am Austrittsende der Schlange absorbieren können.
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Nach den konventionellen Methoden werden Öfen durch Rück-. kopplungssysteme
gesteuert, die nur dann in Funktion treten, wenn an der gesteuerten Variablen, der
Temperatur des Austrittsendes
der Schlange, eine Abweichung registriert
wird. Bei einem solchen System wird die Austrittstemperatur zum Zweck der Feststellung
einer solchen Abweichung gemessen. Zur Korrektur des Ausgangs bzw. des Produktes
wird eine manipulierbare Variable, nämlich die Brennstoffzufuhr, entsprechend der
festgestellten Schwankung der Austrittstemperatur verändert. Rückkopplungssysteme
sind daher aufgrund ihrer Konstruktion jedesmal, wenn beim Eingang bzw. bei der
Zufuhr eine Unregelmäßigkeit auftritt, Veränderungen in der gesteuerten Variablen
ausgesetzt. In einem solchen System verursacht daher eine erhebliche Unregelmäßigkeit
bei der Zufuhr eine beträchtliche Veränderung der Austrittstemperatur von langer
Dauer.
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Es ist das Ziel der Erfindung, eine Steuereinrichtung für Öfen zu
schaffen, welche die Größenordnung und Dauer von Temperaturschwankungen am Austrittsende
der Rohrschlange herabsetzen. Diese Schwankungen sind gewöhnlich durch Unregelmäßigkeiten
bei der Zufuhr bedingt. Durch die Erfindung soll auch eine praktische und wirtschaftliche
Methode zur Regulierung des Brennstoffzustroms in Abhängigkeit von einer Unregelmäßigkeit
bei der Zufuhr zum Zweck der Herabsetzungen der Temperaturschwankungen am Austrittsende
der Schlange geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß entsprechend den Schwankungen
einer Größe der dem Ofen zugeführten Gase ein Fehlwertsignal abgeleitet wird, daß
dieses Fehlwertsignal entsprechend der Trägheitszeit des Ofens verzögert wird, daß
anschließend dieses verzögerte Fehlwertsignal entsprechend den durchzuführenden
Änderungen der Brennstoffzuführgeschwindigkeit in ein Steuersignal umgewandelt wird,
daß dieses Steuersignal zu einem weiteren Steuersignal algebraisch addiert wird,
welches von einem den Schwankungen
der Austrittstemperatur des Ofens
entsprechenden Fehlwert- . Signal abgeleitet ist, und daß das dadurch erzeugte Steuer-Summensignal
zur Beeinflussung der Brennstoffzuführge-, schwindigkeit verwendet wird. ' Bei der
erfindungsgemäßen Steuereinrichtung werden Zufuhrunregelmäßigkeiten gemessen, die
Unregelmäßigkeiten in Signale umgewandelt, die Signale umgeformt, so daß sie
die
für den Ausgleich der Zufuhrunregelmäßgkeiten notwendige -Veränderung
der Geschwindigkeit *des Brennstoffzustroms darstellen, und die Geschwindigkeit
des Brennstoffzustroms wird schließlich in Abhängigkeit von den genannten, modifizierten
Signalen. verändert. Der im folgenden verwendete Ausdruck "Unregelmäßigkeit" bezeichnet
jede Veränderung der Zufuhrbedingungen, die ohne Korrektur eine Veränderung der-'
Temperatur am Schlangenaustrittsende herbeiführen würden. Die am häufigsten auftretenden
Unregelmäßigkeiten sind Veränderungen der Zufuhrgeschwindigkeit und der Temperatur
am Eintrittsende. Durch Abtasten der Unregelmäßigkeiten kann man die zur Ausschaltung
der Temperaturschwankung am Austrittsende der Rohrschlange oder zur Verminderung
dieser Schwankung auf ein annehmbares Minimum nötige Korrektur einleiten. Die in
Vorwärtsrichtung.wirkende Regeleinrichtung führt Berichtigungen schneller durchrals
ein Rückkopplungssystem.Die Anwendung von in Vorwärtsrichtung wirkenden Regeleinrichtungen
für langsam ansprshende Systeme-oder solche Systeme,. bei denen große Unregelmäßigkeiten
der Eingabebedingungen auftreten, ist daher von besonderem Interesse.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine in
Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung in Kombination mit einer im wesentlichen
konventionellen Rückkopplungsregeleinrichtung verwendet. Zur vollständigen Elindnierung
der Temperaturschwankurfen am Austrittsende müßte
die in Vorwärtsrichtung
wirkende Regeleinrichtung ein genaues Modell des Ofens darstellen. Da die Verwendung
eines genauen Modells nicht möglich ist, können geringfügige Schwankungen in der
Temperatur des Austrittsendes nicht vollständig eliminiert werden. Bei Verwendung
eines annähernd dem Ofen gleichenden Modells als in Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung
können die Schwankungen der Temperatur am Austrittsende aber dennoch wirksamer als
bei Verwendung eines genauestens eingestellten Rückkopplungssystems verhindert werden.
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Wenn man die durch eine Änderung bei der Brennstoffzufuhr oder eine
Unregelmäßigkeit am Ofeneintritt bedingten Temperaturschwankungen am Austrittsende
der Schlange über der Zeit aufträgt, erhält man eine Kurve höherer 'Ordnung. Zum
vollständigen Ausgleich der durch die Kurve höherer Ordnung dargestellten Vorgänge
im Otn wäre ein komplizierter und teurer Rechner nötig. Es hat sich jedoch herausgestellt,
daß für die meisten Vorgänge ein solcher komplizierter Rechner nicht erforderlich
ist. Die Kurven höherer Ordnung-werden erfindungsgemäß durch Kurven niedrigerer
Ordnung, vorzugsweise durch reine Exponentialkurven, angenähert. Für die meisten
Arbeitsgänge im Ofen lohnt es sich nicht, auf einer genaueren Annäherung der Funktion
höherer Ordnung basierende Rechner zu konstruieren, da in diesem Fall durch das
Ansteigen der Kosten für den benötigten Rechner der Punkt des abnehmenden Gewinns
erreicht wird.
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In vielen Fällen genügt das hier vorgeschlagene annähernd dem Ofen
deichende Modell zur Steuerung der Temperatur am Austrittsende des Ofens innerhalb
der im Rahmen des gesamten Prozesses notwendigen Grenzen.
Ist es
jedoch nötig, die Temperaturschwankungen am Aus-
trittsende so weit zu reduzieren,
daß sie sich innerhalb sehr
enger, kritischer Grenzen bewegen, ist eine Annäherung
zwei-
ter oder dritter Ordnung an die sich im Ofen abspielenden Vorgänge erforderlich.
Eine bevorzugte.Ausführungsform der
Erfindung besteht in der Verwendung einer
Rückkopplungsregeleinrichtung in Kombination mit einer einfachen, in Vorwärtsrichtung
wirksamen Regeleinrichtung erster Ordnung. Diese Kombination ist der Verwendung
einer in Vorwärtsrichtung wirkenden Regeleinrichtung, die ein genaueres Modell des
Ofens darstellt, vorzuziehen. Das hier vorgeschlagene, bevorzugte System ist also
auch dann wirtschaftlich zweckmäßig, wenn im Rahmen des gesamten Prozesses die Temperaturschwankungen
des Austrittsendes der Rohrschlange innerhalb sehr enger Grenzen gehalten werden
müssen.
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Es wird- darauf hingewiesen, daß.sich die Funktion der Rückkopplungsregeleinrichtung
in diesem System von der Funktion unterscheidet, die eine solche Regeleinrichtung
ausübt, wenn sie die einzige oder wichtigste Regeleinrichtung darstellt. In dem
hier vorgeschlagenen, bevorzugten Ausführungsbeispiel übernimmt die in Vorwärtsrichtung
wirkende Regeleinrichtung die Hauptregelfunktion. Das Rückkopplungssystem gleicht
nur Abweichungen aus, die sich grundsätzlich aus der Ansammlung von kleinen Fehlern
in dem vorwärtswirkenden System oder aus nicht ausgeregelten Unregelmäßigkeiten
ergeben und führt die Temperatur des Austrittsendes zu dem gewünschten Bezugspunkt
zurück. In einigen Fällen kann es günstiger sein, das Rückkopplungssystem für die
Hauptregelung und das hier vorgeschlagene, in Vorwärtsrichtung wirkende System zum
Ausgleichen zu verwenden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung
ist: '
Fig. 1 eine schematische Darstellung-einer zur Durchführung
der Erfindung geeigneten Einrichtung zur Verminderung der Größe und Dauer von Temperaturschwankungen
am Austrittsende eines Ofens in Abhängigkeit von Unregelmäßigkeiten am Eintritt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung, die das Ansprechen der Temperatur des.Austrittsendes
der Rohrschlange des Ofens auf Veränderungen der Brennstoff zufuhrgeschwindigkeit
zeigt; Fig. 3 eine graphische Darstellung, die das Ansprechen der Temperatur des
Austrittsendes auf Unregelmäßigkeiten am Eintritt zeigt; Fig. 4 ein Schema der Schaltung
zur Umwandlung des Signals der gemessenen Zufuhrunregelmäßigkeit in ein Signal zum
Einleiten einer Veränderung der Zufuhrgeschwindigkeit; Fig. 5 eine schematische
Darstellung eines geeigneten Apparates zur Steuerung der Temperatur des Austrittsendes,
wenn,zwei Unregelmäßigkeiten, z.B.bei der Zufuhrgeschwindigkeit und der Zufuhrtemperatur,
auftreten; Fig. 6 eine schematische Darstellung, die einen Vergleich zwischen dem
Ansprechen eines konventionellen Rückkopplungsregelsystems und dem Ansprechen des
neuen, praktischen, in Vorwärtsrichtung wirkenden Regelsystems auf eine stufenweise
Änderung der Eintrittstemperatur zeigt.
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FJ#m- 1 zeigt ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung,,
bei dem die gemessene Unregelmäßigkeit eine Veränderung der Eintrittstemperatur
des zugeführten Materials ist. Eine Zuführungsleitung 1 und eine Austrittsleitung
3 für das zu behandelnde Material sowie eine Brennstoffzuführungsleitung 5 stehen
mit dem Ofen 7 in Verbindung. Die Austrittsleitung
3 führt zu einem
Behandlungsabschnitt, z.B. einem Rohrverdampfer (nicht dargestellt-). Ein Thermoelement
9 mißt die Eintrittstemperatur des zugeführten Materials..Ein. Umformer 10 verwandelt
das Milliv.t-Signal in ein Stromsignal, das zu einer Subtraktionseinrichtung 11
weitergeleitet wird. Die Subtraktionseinrichtung 11 subtrahiert'ein Signal, das
die normale Eintrittstemperatur bei der Zufuhr darstellt, von dem Signal, das die
gemessene Temperatur darstellt, und überträgt ein Signal, das nun die Unregelmäßigkeit
der Eintrittstemperatur darstellt, auf einen Kompensator 13 zum Aus= gleichen der
Unregelmäfdgkeit bei der Zufuhr, der als Auswertstelle, z.B. als Analogrechner,
ausgebildet ist. Der Kompensator 13, ein annäherndes Modell des Ofens, formt das
Unregelmäßigkeitssignal in ein Signal um, das die zum Ausgleichen der Unregelmäßigkeit
in der Zufuhr nötige, berechngte Änderung der Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit darstellt.
. Das umgeformte Signal wird zu einer konventionellen, halbauto= matischen Stelle
1_5 weitergeleitet, damit der Betrieb des Ofens bei der Einleitung des ursprünglichen
Signals nicht gestört wird. Das aus Fig. 1 ersichtliche, umgeformte Signal B wird
zu einer Einrichtung für die Addition zweier Signale, z.B. zu einem Prozentrelais
17, weitergeleitet, dessen Arbeitsweise im folgenden beschrieben wird.
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Der Kompensator 13 für die Unregelmäßigkeiten in der Zufuhr ist ein
Rechner, der eine Annäherung niedriger Ordnung,. vorzugsweise eire rein exponentielle
Annäherung, an das Ansprechen höherer Ordnung des Ofens darstellt. Für viele Vorgänge
kann ein solcher Rechner zur Steuerung der Temperatur. am Austrittsende der Rohrschlange
innerhalb bestimmter Grenzen ausreichen. Wenn dies der Pall ist, kann das Signal
B direkt in die Regeleinrichtung für die Brennstoffzufuhr 19 und nicht in das Vorspannungsrelais
17 gespeist werden. Da jedoch das
Modell des Ofens grundsätzlich
ungenau ist und andere Unregelmäßigkeiten auftreten, wird ein konventionelles Rückkopplungssystem
zur Vervollkommnung der Regelung des Ofens verwendet. Bei Verwendung des Rückkopplungssystems_kann
man zur Messung der Temperatur am Austrittsende der Rohrschlange ein Thermoelement
21 verwenden. Das auf diese Weise erhaltene Signal wird dann zu einer konventionellen
Rückkopplungsregeleinrichtung TRC weitergeleitet, die das Signal umformt und auf
diese Weise die unbedeutenden Änderungen d.er Austrittstemperatur ausgleicht. Dieses
Signal A wird in dem Vorspannungsrelais 17 algebraisch zu dem Signal"B addiert.
Das kombinierte Signal P wird zu einer Steuereinrichtung 19 geleitet, die ein Ventil
22 betät#, das seinerseits die Änderung der Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit bewirkt,
um die UnregelmäßIgkeit bei der Zufuhr und /oder die Änderung der Austrittstemperatur
auszugleichen.
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Obwohl dieser Punkt im folgenden genau besprochen wird, sollte der
Leser kurz Fig. b beachten, um zu erkennen, daß das einfache, verhältnismäßig billige
Regelsystem von Fig. 1 im Vergleich zu dem nur aus einer Rückkopplungsregeleinrichtung
bestehenden System eine bedeutende Verbesserung darstellt.
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Eine in Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist allgemein durch die folgende Gleichung gekennzeichnet:
Die bevorzugte, erfindungsgemäße, in Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung
ist durch folgende Gleichung gekennzeichnet.
11M bezeichnet die zum Ausgleichen von Unregelmäßigkeiten bei der Zufuhr nötige
Feineinstellung (incremental adjustement) der manipulierbaren Variablen.
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K ff bezeichnet den Übertragungsfaktor zwischen der Zufuhrunregelmäßigkeit
und. der Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit. "Übertragungsfaktor" bedeutet im folgenden
K2 /K1, wie nachstehend. erklärt.
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T1 - der im folgenden verwendete Ausdruck "Hauptrichtzeitkonstante"
- bezeichnet die Zeitkonstante der Exponentialkurve, die an die Kurve höherer Ordnung
angenähert ist, welche die Temperaturschwankungen am Austrittsende der Rohrschlange
in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeitsänderung der Brennstoffzufuhr darstellt.
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Eine typische Kurve, diecä,s Ansprechen der Temperatur am Austrittsende
auf eine Änderung in der Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit darstellt, ist in Fig.
2 gezeigt, wobei sich die Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit zu einem Zeitpunkt Xo
stufenartig ändert. Eine Änderung der Temperatur am Austrittsende d.er Rohrschlange
wird erst zum Zeitpunkt X1 festgestellt. Die Ausgleichsreaktionskurve C höherer
Ordnung hat viele Zeitkonstanten. Gemäß der Erfindung wird. jedoch die Zeitkonstante
einer reinen Exponentialkurve, die an die Kurve höherer Ordnung angenähert ist,
als Konstruktionsparameter verwendet.
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Den ungefähren Wert der Voreilzeitkonstanten kann man aus einer Kurve
ähnlich der in Fig. 2 gezeigten dadurch erhalten,
daß man die Zeit
feststellt, in der 63 % des Raktionssignals (Y1 - Y0) auftritt. Die Totzeit (X1
- X.) muß von der für 63 % des Reaktionssignals benötigten Zeit subtrahiert werden.
In vielen Fällen wird die so erhaltene Zeitkonstante nicht wesentlich von der Zeitkonstanten
einer Exponentialkurve abweichen, die an die Kurve höherer Ordnung angenähert ist.
Nach einer bevorzugten Methode wird eine Exponentialkurve gezeichnet, die an die
Kurve höherer Ordnung angenähert ist und aus der die für 63 % des Reaktionssignals
benötigte Zeit festgestellt wird. In beiden Fällen wird die Totzeit, Jvl von der
Gesamtzeit subtrahiert. Bei beiden Methoden ergibt sich die Zeitkonstante der Exponentialkurve,
die an die Kurve höherer Ordnung angenähert ist.
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T2 - im folgenden als "Hauptverzögerungszeitkonstantell' bezeichnet;-
gibt die Zeitkonstante der Exponentialkurve an, die der Kurve höherer Ordnung angenähert
ist, die ihrerseits die Temperaturschwankungen am Austrittsende der Rohrschlange
in Abhängigkeit von Zufuhrunregelmäßigkeiten darstellt.
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Fig. 3 stellt eine solche Empfindlichkeitskurve höherer Ordnung dar.
Die Methoden zur Feststellung der Verzögerungszeitkonstanten sind dieselben Ae die
oben für. die Feststellung der Ricfitzeitkonstanten beschriebenen. Man muß zunächst
die für 63 % des Reaktionssignals (Y3 - Y2) erforderliche Zeit feststellen; oder
die Kurve höherer Ordnung wird zunächst mit einer Exponentialkurve angenähert, aufgrund
der die für 63 % des Reaktionssignals nötige Zeit festgestellt wird. Zwischen den
nach den zwei Methoden errechneten Konstanten wird gewöhnlich ein sehr geringer
Unterschied sein. Die Totzeit (X3 - X2) muß von der Zeit subtrahiert werden.
,1
- die "Totzeit des Ofens" - ist die Totzeit 2 (s. Fig. 3), die in dem zur Feststellung
der Temperaturschwankung bei einer Zufuhrunregelmäßigkeit angestellten Test mit
offenem Regelkreis ermittelt wird,minüs der Totzeit ,~ 1 (s. Fig. 2), die in dem
zur Feststellung der Temperaturschwankung bei einer Änderung. in der.Brennstoffzufuhrgeschwindigkeit
angestellten Test mit offenem Regelkreis ermittelt wird.
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4 U - die Unregelmäßigkeit von U - bezeichnet eine Unregelmäßigkeit
beifr Zufuhr, z.B. bei der Zufuhrgeschwindigkeit oder bei d.er Zufuhrtemperatur
(Eintrittstemperatur).
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S ist der Laplace-Operator.
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Zur Ermittlung der für eine Empfindlichkeitskurve, z.B. der in Fig.
2 dargestellten Kurve, nötigen Angaben wird ein Test bei offenem Regelkreis durchgeführt,
bei dem die Brennstoffzufuhrgeschwind_igkeit verändert,,und die Temperaturänderung
am Austrittsende der Rohrschlange beobachtet wird. Das Übertragungsverhältnis wird
annähernd durch die folgende Gleichung dargestellt:
wird aus der Kurve, z.B. der in Fig. 2 gezeigten . Kurve, ermittelt, und T1 wird
in der oben beschriebenen Weise berechnet. Das Verhältnis zwischen der Temperaturänderung
am Austrittsende der Rohrschlange und der Änderung der Heizgaszufuhrgeschwindigkeit
ist bekannt; K1 kann daher berechnet werden.
Zur Feststellring
einer Empfindlichkeitskurve ähnlich der von Fig. 3 kann in der gleichen Weise eh
Test bei offenem Regelkreis angestellt werden, bei dem eine variable Zufuhrbedihgung,
z.8. die Eintrittstemperatur des-zugeführten Materials, verändert wird. Das Übertragungsverhältnis
wird annähernd durch folgende Gleichung dargestellt:
Durch Teilung der Gleichung 2 durch die Gleichung 1 erhält man die folgende Gleichung,
welche die Änderung der Drennstoffzufuhrgeschwindigkeit darstellt, die zur Verminderung
der Temperaturschwankung am Austrittsende der. Schlange bei einer Zuführunregelmäßigkeit
erforderlich ist:
Die obige Gleichung für die in Vorwärterichtung wirkerde Steuereinrichtung kam mit
Analog- oder Digitalinstrumenten durchgeführt werden, der Analogrechner kann pneumatisch
oder elekotroniseh arbeiten. Es wird hier auf Fig. 1. zurückverwiesen" die ein Schema
für die Verwendung einen Rechners zeigt. Das 'T hermoelement 9 mißt die Eintrittsvariable
U und Überträgt ein Millivoltsignal auf den Stromumformer 10. Das Signal
wird anschließend zu der Subtraktionseinrichtung 11 weitergeleitet, die ein Signal
subtrahiert, das die normale Eintrittstemperatur bei derZufuhr darstellt. Das die
Subtraktionseinrichtung verlassende
Signal stellt J U, nämlich
die Unregelmäßigkeit dar. Der ` Kompensator 13 für die Zufuhrtemperatur formt
AU in Übereinstimmung mit der obigen, die in Vorwärtsrichtung wir-
kende
Steuereinrichtung darstellenden Gleichung um, wobei sich das M darstellende Signal
B (Fig.,I) ergibt.
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Es ist die Aufgabe der in Vorwärtsrichtung wirkenden Regeleinrichtung,
die Temperatur am Austrittsende der Rohrschlange auf einem bestimmten Bezugspunkt
zu halten. Nachdem eine Unregelmäßigkeit am Zufuhrende eingetreten ist, errechnet
die in Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung die Größe und Polarität der Änderung
in der Brennstoffverbrennungsgeschwindigkeit, die zur Aufrechterhaltung der Temperatur
am Austrittsende auf der Höhe des Bezugspunktes erforderlich ist. Obwohl die obige
Regelgleichung auch von einem Digitalrechner erfüllt werden kannxist ein Analogrechner
in einzelnen Fällen vorzuziehen. Bei Verwendung eines kleinen elektronbehen Analogrechners
als in Vorwärtsrichtung wirkende Regeleinrichtung läßt atch eine weitgehende Annäherung
der Totzeit leicht erzielen. Durch Verwendung eines Analogrechners ist überdies
die Trennung des dynamischen Ausgleichselementes und des stationären Elementes (steady
state element) in dem Modell möglich. Außerdem kann das Totzeitelement eine innerhalb
des dynamischen Ausgleichselementes befindliche, getrennte Einrichtung darstellen.
Diese Trennung ist nicht nur für die Analyse günstig, sondern erlaubt auch Einstellungen
der Totzeit, der Sicht- und Verzögerungszeitkonatanten und des Übertragungsfaktors
zum Zeitpunkt der Installation. Die Einstellung der in Vorwärtsrichtung wirkenden
Steuereinrichtung ist daher leicht durchführbar. Ist der Analogrechrher einmal installiert
und eingestellt, ist praktisch keine weitere Wartung mehr möglich. Überdies stellt
die Einstellung der in Vorwärtsrichtung wirkenden Steuereinrichtung für das Betriebspersonal
kein
Problem dar. Die Einfachheit des Analogrechners garantiert
ein einwandfreies Funktionieren.
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Fig. 4 zeigt die Schaltung eines besonderen Analogrechners, bei dem
die Endkontakte 31, 33 ein Stromsignal U aufnehmen, nämlich eine Variable wie die
Zufuhrtemperatur_ am Eintrittsende oder die Zufuhrgeschwindigkeit. Wenn sich ein
Schalter 35 schließt, wird das Stromsignal U an eine Einrichtung weitergegeben,
die es in ein Spannungssignal umwandelt und die gewünschte Größe der Zufuhrvariablen
von der Größe der gemessenen Variablen algebraisch subtrahiert, um ein Spannungssignal
zu erhalten, welche die Zufuhrunregelmäßigkeit d U darstellt. Die Einrichtung zur
Umwandlung von Strom in Spannung und die Subtraktionseinrichtung enthalten Widerstände
36, 37, 39, 41 und 42, eine Spannungsquelle 45, ein Potentiometer 43 und einen Verstärker
47. Das Q U darstellende Spannungssignal wird. in das Totzeitelement eingespeist,
in dem es durch die Totzeit des Ofens 7 -
verzögert wird. Das Totzeitelement
enthält Verstärker 49, 51, 53, Potentiometer 69, 71 und Integratoren
65, 67. Das die Totzeiteinrichtung verlassende Spannungssignal wird mathematisch
duen Faktor d U e- js dargestellt. Das verzögerte Spannungssignal wird in eine Voreil-Nacheil-Schaltungseinheit
(lead-lag network unit).eingespeist, wo der dynamische Ausgleich erfolgt. Die Voreil-Nacheil-Schaltungseinheit
enthält ein Voreilpotentiometer 66, ein Nach-eilpotentiotmeter 68, Widerstände 72,
73, 74, 75, Kapazitäten 76, 77 und einen Verstärker 78. Das die Voreil-Nacheil-Schaltungseinheit
verlassende Spannungssignal wird durch den Ausdruck
dargestellt. Dieses Signal wird anschließend zu dem nicht veränderbaren Potentiometer
80 weitergeleitet, durch das
esnit dem Übertragungsfaktor K ff
zusammengebracht wird.
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Das das Potentiometer 80 verlassende Signal ist ein 4 M darstellendes
Spannungssignal. Dieses Signal wird in denKonverter zur Umwandlung von Spannung
in Strom eingespeist, der. Widerstände 81, 82, 86, 83, eine Spannungsquelle 84 und,
einen Verstärker 85 enthält. Das Stromsignal wird danach zu dem in Fig. 1 gezeigten
Vorspannungsrelais weitergeleitet. Wenn keine Unregelmäßigkeiten bei der Zufuhr
auftreten, liegt an dem Vorspannungsrelais ein gleichbleibender Strom von beispielsweise
8 mA an. Wenn "B" = 8 mA, beträgt, ist das Ausgangssignal des Vorspannungsrelais
P gleich "A" (s. Fig. 1).
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Der in Fig. 4 angegebene Rechner ist ein Beispiel eines solchen, der
für die vorliegende Erfindung in Frage kommt. Wenn ,jedoch die Konstruktionsparameter
zur Erzielung der oben beschriebenen Annäherung erster Ordnung an die Veränderungen
der Temperatur der Bohrschlange (oder, falls nötig höherer Ordnunc) einmal festgelegt
sind, werden sich dem Fachmann andere Schaltungen aufdrängen. Es ist jedoch wichtig
zu vermerken, daß die hier vorgeschlagene Anordnung wegen der Trennung des Totzeitelements,
der Voreil-Nacheil-Schaltungseinheit (lead-lag network) und der Einrichtung zum
Einstellen des Übertragungsfaktors vorzuziehen ist, weil bei dieser Anordnung Einstellung
und Wartung der Anlage leicht durchführbar sind.
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Die in Fig. 4 beschriebene Regeleinrichtung ist eine Regeleinrichtung
erster Ordnung des Voreil-Nacheilzeit-Typus. Die Verwendung einer Annäherung höherer
Ordnung für die Funktion der in Vorwärtsrichtung wirkenden Regeleinrichtung bietet
einen sehr kleinen Vorteil. Im allgemeinen ist es daher nicht nötig, eine kompliziertere
Regeleinrichtung vorzusehen, die für eine Annäherung höherer Ordnung
erforderlich
wäre. Wie oben erwähnt, wird es sich in einigen Fällen, in denen die Temperatur
am Austrittsendecbr Rohrschlange innerhalb sehr enger Grenzen gesteuert werden muß
oder eine Trift in den Betriebsbedingungen auftritt, zeigen, daß das in Vorwärtsrichtung
wirkende Regelsystem nach Inbetriebnahme periodisch nachgestellt werden muß, um
die Trift auszuschalten oder auf ein annehmbares Maß zu reduzieren. Diese Einstellung
läßt sich durch Korrektur des Übertragungsfaktors (s. Fig. 4, Ziff. 80) erzielen.
Die auf einem annährend gleichen Modell beruhende, in Vorwärtsrichtung wirkende
Regeleinrichtung weist im Betrieb immer irgeneinen statischen Fehler oder eine Trift
auf. Dies bedeutet, daß das in Vorwärtsrichtung wirkende, mit einer einfachen, in
Vorwärtsrichtung wirkenden Regeleinrichtung des Voreil-Nacheilzeit-Typus (lead-lag-type)
versehene Regelungssystem allein oder sogar eine Regeleinrichtung höherer Ordnung
nach einer Änderung im Eingang nicht genau zum Bezugspunkt zurückkehrt. Wenn die
Temperatur am Austrittsende der Rohrschlange innerhalb sehr enger Grenzen geregelt
werden muß, sind daher periodische Einstellungen des Übertragungsfaktors erforderlich.
Da die Notwendigkeit, den Übertragungsfaktor d.es Rechners einzustellen unerwünscht
ist, ist sie bei dem erfindungsgemäßen System durch Verwendung einer rückgekoppelten
Einstellsteuerung weggefallen. Ein rückgekoppeltes System mrdient dabei den Vorzug.
In einigen Fällen ist es jedoch denkbar, einen Rechner zu verwenden, der ein vollkommeneres
Modell des Ofens darstellt. Beispielsweise kann der Rechner eine Annäherung der
Ofenfunktionen.zweiter oder dritter Ordnung liefern. Diese zusätzliche rückgekoppelte
Einstellsteuerung korrigiert automatisch jede Trift, wodurch die periodische Korrektur
des Übertragungsfaktors unnötie wird. Eine solche bevorzugte Ausführungsform eines
praktischen Rep--eliangssystems, in welchem die Austrittstemperatur
der
Rohrschlange in sehr engen Grenzen gehalten werden muß, ist in Fig. 1 dargestellt,
worin ein herkömmlicher Rückkopplungsregler dafür Verwendung findet, den Regler
des Ofens einzustellen. Es sei jedoch betont, daß die Regelung in erster Linie durch
den Vorwärtsregler bewirkt wird. Die Rolle des-rückgekoppelten Reglers ist bei normaler
Arbeitsweise darauf beschränkt, Triftfehler auszuschalten.
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Wie gesagt, kann zu diesem Zweck ein herkömmlicher rückgekoppelter
Regler Verwendung finden. Beispielsweise können in Kaskadenschaltung verwendete
Temperatur- und Strömungs- oder Temperatur- und Druckregler verwendet werden. Gewöhnlich
hat bei Systemen in Kaskadenschaltung der Temperaturregler drei Freiheitsgrade (modes)
und der Strömungs-oder Druckregler zwei Freiheitsgrade (modes). Viele ausgeführte
Öfen sind mit solchen rückgekoppelten Reglern ausgerüstet.
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Fig. 5 zeigt schematisch ein System, das dann Verwendung finden kann,
wenn zwei Störungsquellen in der Zuführung auftreten, beispblsweise eine Veränderung
in der Zuf lußrate und eine Veränderung in der Zuflußtemperatur. Fig. 5 zeigt einen
Ofen 91 mit einer Zuführungsleitung 93, einer Abflußleitung 94 und, einer mit dem
Ofen in Verbindung stehenden Kraftstoffleitung 9-5. Die 7uflußtemperatur wird mit
geeigneten Mitteln am Punkt 96 gemessen, beispielsweise mittels eines Thermoelements.
Das als elektrisches Signal erhaltene Signal wird in einen Analogrechner 97 gegeben,
der eine dynamische Kompensationseinheit mit einem Totzeitelement und einer Einheit
mit gleichmäßigen Übertragungsfaktor in eingeschwungenem Zustand (steady state gain
unit) besitzt. Das den Analogrechner verlassende Signal ist A M'.
Die
Strömungsgeschwindigkeit der Zuflußströmung wird mit geeigneten Mitteln am Punkt
99 gemessen, beispielsweise mittels einer Blende, in ein elektrisches Signal rückverwandelt
und in einen Zuflußstzeimungsgeschwindigkeitskompensator 100 gegeben, der ein Analogrechner
wie nach Fig. 4 sein kann. Das den Rechner verlassende Signal ist V M" für die Störung
der Durchflußgesöhwindigkeit. Ein Ofen besitzt stets Totzeiten. Die größte Totzeit
des Ofens tritt in Verbindung mit Veränderungen der Eintrittstemperatur auf. Die
Totzeiten für die Zuflußp-eschwindigkeit sind kleiner und können in manchen Fällen
vollkommen vernachlässigt werden. Bei einem Ofen durchgeführte Versuche zeigten,
daß die Totzeit für die Eintrittstemperaturänderungen 4,7 Minuten betrug, während
die Totzeit für Veränderungen der Zuflußgeschwindigkeit sich auf ungefähr 0,8 Minuten
belief. Der Ofen sollte unter Verwendung der vorher beschriebenen Maßnahmen getestet
werden, um die Rechnerparameter zu bestimmen sowie festzustellen, ob oder ob nicht
eine Totzeitkompensation für die ZuflußgeschwindIgkeit. erforderlich ist. Falls
ja, dann muß das entsprechende fotzeitelement innerhalb des Zuflußgeschwindigkeitskompensators
100 vorgesehen werden. Die aus dem Eintrittstemperaturkompensator und dem Zuflußgeschwindigkei.t:skompensator
kommenden Signale werden in dem Addierer 101 algebraisch addiert. Das Ausgangssignal
des Addierers 101 entspricht dem Gesamten 41M. Bei diesem System ist es auch empfehlenswert,
eine riickrrekoppelte Einstellsteuerung zu verwenden. Die Austrittstemperatur der
Rohrschlange wird am Punkt 102. rremessen. Das so erhaltene Signal ärd in dem herkömmlichen
Rückkopplungsregler 10.3 umgesetzt und dann der Summe der Sipnale aus dem Eintrittstemperaturkompensator
und dem ZufluOr-eschwindig1ceitskompersator in einem Addierer (Vorspanriirr@sre?
als) 104, Das Summensignal wird dann dem brennst offeschwirid igkei tsrep:l.er
106 zixrrefiilart:, der die Ztiflizt.3reschwirdigkeit des Brennstoffs verändert,
um die Auswirkung (er gemessenen Störungen aufzuheben.
Um die Verbesserungen
in der Ofenregelung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Vorwärtsregelungssystems
zu demonstrieren, wurde eine vergleichende Analogrechner-Simula.tions-Studie gemacht.
Ziel dieser Studie war es, d.ie Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Vorwärtsregelungssystems
mit derjenigen eines herkömmlichen rückgekoppelten Regelungssystems zu vergleichen.
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Um die Wirkungsweise eines@rückgekoppelten Regelungssystems mit derjenigen
des praktischen, erfindungsgemäßen Vorwärtsregelungssystems zu vergleichen, wurde
der Ofen in einem Analogrechner unter Verwendung von Prozeßübertra.gungsfunktionen
simuliert, die von einem mathematischen Modell des Ofens bezogen wurden. Dabei wurden
Annäherungen zweiter und dritter Ordnung der Prozeßübertra.gungsfunktionen verwendet,
um die Analogrechnerstudie so realistisch wie mÖglich zu gestalten. Jede simulierte
Übertragungsfunktion enthielt Totzeiten; ferner fanden gebräuchliche rückgekoppelte
Regler bei der Simulation Verwendung. Zur Simulation der Vorwärtsreglerfunktion
wurde eine vereinfachte Übertragungsfunktion erster Ordnung des Voreilungs-Nacheilungs-Typs
(lea.d-lap-type), wie vorher beschrieben, verwendet. Die Vorwärtsre.°lerfunktion
für die Eintrittstemperaturveränderungen enthielt eine Totzeit. In Fig. 6 ist zu
erkennen, daß eine stufenartige Veränderung von 40eF der Zutrittstemperatur eine
Abweichung der Austrittstemperatur an der Rohrschlange von 60F hervorrief, wenn
ein herkömmliches rückgekoDpeItes Regelungssystem allein Verwendung fand.. Im Gegensatz
dazu ergab das praktische Vorwärtsrepelungssystem nur eine Abweichung von 1,60F,
wobei die Veränderung der Austrittstemperatur der Rohrschlange auch noch über viel
kürzere Zeit bestehen blieb.
Weitere Versuche wurden unternommen,.
bei denen Veränderungen der Zuströmungsgeschwindigkeit simuliert wurden. Diese Studien
zeigten, saß die maximale Veränderung der Rohrsehlanien-Austrittstemperatur bei
dem rückgekoppelten System 6,20F bei Aufbringen eines Störschrittes von 70 M 1b/Hr
in der Zuflußgeschwindigkeit betrug. Im Gegensatz dazu betrug die maximale Abweichung
bei dem erfindungsgemäßen Vorwärtsregelungesystem 0980P in der Rohrschlangen-Austrittstemperatur
bei derselben stufenartigen Störung der Brennstoffzuflußgsochwindigkeit.
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So ist ersichtlich, saß das erfindungsgemäße Voreilungs-Nacheilungs-Vorwärtsregelsystem
erster Ordnung die Fähigkeit besitzt, die Regelbarken einesOfens erheblich zu verbessern.
Die Verbesserung wird durch ein früheres Ansprechen des: Verbrennungssystems unter
dem Einfluß des Vorwärtsreglers erreicht. -Dabei ist bemerkenswert, saß bei der
Analogrechnerstudie der Ofen durch Übertragungsfunktionen zweiter und dritter Ordnung
dargestellt wurde. Der wirkliche Ofen jedoch verhält sich entsprechend einer Übertragungsfunktion
viel höherer Ordnung. Dementsprechend muß man vernünftigerweise eine etwas grUere
Amplitude der Rohrschlangenaustrittstemperatur annehmen, als die bei der Analogrechnerstudie
erhaltene. Nichtsdestoweniger ist bei jeder praktischen Anwendung dieselbe prozentuale
Verbesserung zu erwarten, da die Analogrechnerstudie auf relativer Grundlage durchgeführt
wurde.