海水温度

海水温度（精选三篇）

海水温度 篇1

关键词：海水淡化,温度控制,模糊-PID控制器

0 引言

带热蒸汽压缩低温多效海水淡化是否能达到设计要求, 对控制系统来说重点是要把主要的控制对象控制好, 海水淡化第七效浓盐水温度控制好坏直接影响海水淡化蒸发器的换热效果及整个淡化主体的真空度。介绍海水淡化第七效浓盐水温度控制特点, 根据控制对象的特点, 将PID控制策略引入模糊控制器, 设计一个海水淡化第七效浓盐水温度控制的模糊-PID控制器, 通过编程实现浓盐水温度的模糊-PID控制, 并对实施前后的效果进行比较。

1 浓盐水温度的控制策略

海水淡化蒸发器的内部是一个非均匀分布的温度场, 整个装置内部处于负压状态, 第七效浓盐水的温度不仅与海水进入与排出主体的流量和温度有关, 而且与进入蒸发器的蒸汽流量、压力、温度有关, 同时还与海水淡化主体内蒸汽与海水的换热空间分布有关[1];另外, 海水淡化开机过程中设定值动态调整和各种扰动影响经常出现, 要想建立它精确的数学模型是比较困难的, 所以用传统的PID控制方法很难获得良好的动态和静态性能。模糊控制是一种仿人智能控制方法, 它不依赖于对象的数学模型, 并对被控对象参数变化适应能力强, 通过对模糊信息的处理可以对复杂对象实施良好的控制[2]。但是模糊控制也有它自身的缺陷, 由于模糊等级所限, 稳态精度不够, 存在较大稳态误差, 这些问题通过常规模糊控制很难得到解决。PID控制基于反馈原理, 对于滞后大的过程, 如温度控制, 稳定时间过长, 且系统响应时间与超调之间存在着难于解决的矛盾。但PID控制容易实现且稳态无静差, 因此采用PID控制补偿FUZZY控制的稳态精度, 提出一种以模糊-PID复合控制为基础的温度控制方法, 从而提高系统的控制精度以及跟踪和抗干扰能力[3]。

2 模糊-PID复合控制器的设计

针对海水淡化第七效浓盐水温度控制的问题, 采用模糊-PID复合控制算法对海水排水流量进行控制, 控制系统如图1所示。通过对温度传感器测量第七效浓盐水温度T与设定温度T0进行比较 (海水淡化第七效浓盐水温度正常运行时设定值为42℃) , 得到温度偏差e及偏差变化率e觶。e和e觶作为控制器的输入, 海水排水流量调节阀阀门开度u作为控制系统的输出。偏差|e|≥1℃, 系统采取模糊控制;当|e|<1℃, 系统采取PID控制。

2.1 精确量的模糊化

2.1.1 模糊控制器的输入、输出变量确立

模糊控制器的输入变量为:温度偏差e, 温度偏差变化率e觶。

模糊控制器的输出变量为:海水排水流量调节阀阀门开度u。

2.1.2 输入、输出变量的模糊量化

对于各语言值的隶属度有多种表示方法, 温度控制系统的控制品质对于输入输出模糊量隶属函数的形状并不敏感, 而主要取决于隶属函数的个数和每个隶属函数所覆盖的论域范围[3]。因此, 为便于计算, 温度偏差、温度变化率和海水排水流量调节阀开度均采用三角形函数, 其中温度偏差e的模糊集合隶属函数如图2所示。

输入温度偏差的论域设定为[-6℃, +6℃], 将它们量化在模糊论域[-6, +6]中, 共分13个等级, 即{-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}中, 则偏差量化因子为:Ke=6/6=1。温度偏差在模糊论域上取语言值E的集合为{负大NL, 负中NM, 负小NS, 零ZE, 正小PS, 正中PM, 正大PL}。输入温度偏差变化率的论域设定为[-0.6℃, +0.6℃], 将其量化为模糊集合{-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}, 则量化因子为:Ke觶=6/0.6=10。温度偏差变化率在模糊论域上取语言值EC的集合为{负大NL, 负中NM, 负小NS, 零ZE, 正小PS, 正中PM, 正大PL}。输出海水排水流量调节阀开度的范围为[20, 80], 将其量化为模糊集合{-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6}, 则量化因子为:Ku=30/6=5。海水排水流量阀门在模糊论域上取语言值U的集合为{负大NL, 负中NM, 负小NS, 零ZE, 正小PS, 正中PM, 正大PL}, 分别代表最低允许调节阀到最高允许调节阀的开度。

2.2 模糊规则表的确立

针对海水淡化第七效浓盐水温度控制系统的特性和控制经验, 将控制过程中各种可能出现的情况及相应的控制策略进行分析汇总, 可得到49条控制规则:

在建立模糊控制规则表时, 选取控制量的原则是, 当误差大或较大时, 选择控制量以尽快消除误差为主;当误差较小时, 选择控制量要以防止超调、保证系统的稳定性为主。

2.3 模糊控制表的建立

经过模糊推理得到的输出模糊值必须通过解模糊过程转化为一个控制精确值。采用最大隶属度方法建立起模糊控制器查询的模糊控制表如表1所示。

2.4 PID参数的整定

对于PID参数一般可以用试凑法、经验数据法和临界比例法来确定。试凑法是通过模拟或闭环运行观察系统的响应曲线, 然后根据各调节参数对系统响应的大致影响来反复试凑参数, 以达到满意的控制效果, 从而确定PID调节参数。对调节参数实行先比例、后积分、再微分的整定步骤。当温度偏差|e|<1℃, 系统采取PID控制。对于海水淡化第七效浓盐水温度控制, 结合试凑法和经验数据法整定出一组PID参数:KP=-0.6, KI=4.0, Kd=0.0, 可使控制效果基本达到最佳状态。

3 模糊-PID控制功能的实现

首钢京唐公司海水淡化控制采用西门子公司S7-400系列中的414H, 搭配ET200M分布式远程I/O系统和Y-LINK组成了主体的自控系统[4], 通过调节排水调节阀WS20V1保持第7效浓盐水温度变送器WE07T1值的恒定。海水排水阀控制程序逻辑图如图3所示。当温度偏差|e|≥1℃, 系统采取模糊控制。根据模糊控制器的输入变量温差e和温差变化率e觶, 可以求得E=e×Ke, EC=Ke觶×e觶, 根据E和EC查找阀门开度的对应值U, 可以求出u=U×Ku。把u转换成4~20m A的标准信号后, 就可以控制海水排水调节阀, 达到通过模糊控制器控制海水淡化第七效浓盐水温度的目的。

4 实施效果

利用海水淡化小修, 对浓盐水排放阀的控制程序进行修改后, 控制效果得到了明显的改善。图4为第七效浓盐水温度趋势图, 可以看出, 改造后温度波动明显减小。改造前海水淡化第七效浓盐水温度波动在8℃左右, 通过模糊-PID控制后, 温度波动基本控制在3℃左右, 波动幅度减小, 达到了控制目的。

5 结语

首钢京唐公司低温多效蒸馏海水淡化第七效浓盐水温度控制在采用模糊-PID控制之后, 浓盐水温度控制既具有较快的动态响应, 又具有较高的稳态精度, 生产运行平稳可靠, 自动化控制效果良好, 提高了生产效率, 降低了运行成本和劳动强度。

参考文献

[1]乔世珊.海水淡化技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2007:3-56

[2]李丹, 谢植, 程杰.模糊控制在温度控制系统中的应用与发展[J].黄金学报, 2000, 2 (4) :294-297

[3]刘美霞.两种FUZZY控制方式在温度控制系统中的研究[J].四川工业学院学报, 2003, (3) :64-66

[4]陈章平.西门子S7-300/400 PLC控制系统设计与应用[M].北京:清华大学出版社, 2008:44-99

海水温度和盐度 篇2

课本《海洋表层温度随纬度的变化》图

2. 提问：海洋热量的收入从哪里来，热量的支出消耗在哪里?世界海洋表层温度随纬度的变化有什么规律?

3. 讲解：海洋热量的收入，主要是来自太阳辐射;海洋热量的支出，主要是消耗于海水的蒸发。一年中，世界海洋热量的收入和支出，基本上是平衡的。但是，各个海区的热量收支并不平衡。在低纬度的海区，热量收入大于支出，海水温度较高;在较高纬度的海区，热量的收入小于支出，海水的温度较低;世界海洋表层海水的温度分布，表现为由低纬向高纬递减的规律。另外，世界海洋表层海水的温度分布状况，还受气象、沿岸地形、洋流等因素的影响。一般来说，同一海区的水温，夏季高些，冬季低些;同纬度的海区相比较，有暖流流过的海区，水温要比寒流流过的海区的水温高些。

4. 读图：课本《太平洋西经170°附近三个观测站水温随深度而变化的曲线》图

5. 提问：世界海洋海水温度随深度变化有什么特点?

6. 讲解：从三个观测站水温随深度而变化的曲线图看，由于海水的导热率很低，太阳辐射热量集中储存在海洋表层，表层海水的温度随深度而递减;而海深在1000米以下深层海水的水温，基本上差别不大，经常保持着低温状态。

7. 阅读：课本P71第二自然段

8.板书

〖海水盐度的教学〗

1. 提问：海水为什么是咸的?(学生回答海水中含有盐分)

你知道海水中含有哪些盐分吗?

2. 讲解：海水中含有很多盐类物质，其中主要是氯化钠和氯化镁。海水中含有盐类物质的多少，用盐度来表示。盐度是海水中盐类物质的质量分数，如世界大洋的平均盐度约为3.5%，既每100克海水中含有约3.5克的盐类物质。世界海洋中的总盐量是基本稳定的，但在不同的海区和同一海区的不同时刻，观测到的盐度值是不同的。

3. 读图：课本《海洋表层盐度随纬度的变化》图

4. 提问：世界海洋表层海水盐度随纬度的变化，具有哪些特点?试分析海洋表层海水盐度的分布受哪些因素的影响?

5. 讲解：影响海水盐度分布的因素有很多，主要是降水和蒸发、河川径流、洋流等。从低纬度到高纬度的海区，海水盐度的高低，主要取决于蒸发量和降水量对比关系。蒸发量大于降水量，海水盐度升高，如红海蒸发强烈，是世界上盐度最高的海区;蒸发量小于降水量，海水盐度降低。在有河流注入的海区，海水盐度一般较低，如波罗的海因有陆地河流注入，蒸发量又小，成为世界上盐度最低的海区。而且河流流量的季节变化影响着海水盐度的季节变化。在同纬度的海区，暖洋流经过时海水盐度升高，冷洋流经过时海水盐度降低。

6. 板书：海水盐度：

①概念

②表层海水盐度分布规特点

③影响因素

教学设计示例(二)

【教学目标】

1使学生对地球的海洋环境有基本的了解，培养学生探究海洋科学奥秘的兴趣。

2.了解人类活动和海洋环境的关系，能正确评价人-海岸相互作用过程。

【教学手段】

多媒体课件教学。请参考媒体素材中“课件类”素材：《地球上的海洋》。

【教学过程】

〖启动多媒体课件〗

〖教师提问〗请学生谈谈他对于海洋的了解。(比如，你生活中有那些方面和海洋环境相关呢?要学生尽情发挥自己的想像力。)

〖教师总结〗我们在学习了地球的宇宙环境和大气环境之后，开始进一步了解另一个重要的要素：海洋环境。不管是濒临海洋还是深处内陆的地区，都在一定程度上受海洋环境的不同程度的影响。海洋对我们的影响表现在许多方面：例如气候影响(气候的干旱和湿润与海洋和陆地的水循环密切相关)，资源影响(生活中许多产品来自海洋，如食盐，海洋水产，海洋矿产……)，交通运输影响，生活娱乐影响以及大到对一个国家的国民经济发展起着关键的作用(如新航线的发明和航海技术的进步，使世界政治格局都产生了巨大的变化;某些发达国家如日本，充分利用有利的海洋环境推动了国家经济的迅速振兴)等。(注意对学生回答进行归纳和总结)

〖导入新课〗从本节课开始，我们开始陆续学习关于地球海洋环境的各个方面。

〖课件演示〗地球表面海洋面积占了71%，表明地球是个水的星球。在演示这部分动画时，地球上不同的水体形式充分展示了地球上不同的地理景观，教师可根据实际需要对这些地理事物做适当的提问和总结等。

〖利用课件演示和总结〗海洋环境的4个方面(地球的水库，大气和陆地水的来源(水循环的动画)，大气的重要热源，海岸带与人类活动密切相关)

〖同时提问〗简述人类活动和海洋的相互作用的历史。让学生回忆自己知道的历史上人类活动与海洋相关的事件。并按照事件发生的时间顺序排列，总结海洋和人类活动相互关系的几个不同阶段。随着生产力的发展，人类对海洋的影响也越来越大。

〖播放录像〗《海岸带》

〖课件演示〗人-海岸相互作用的几个典型阶段。

〖提问〗请评价一下这几个阶段，它对我们有什么样的启示?

〖学生回答〗略

〖教师总结〗生产力的提高，使人类明显增强了改造自然的能力。海洋环境作为地球的主要环境之一，正日益受到人类活动的影响，同时也反左右于人类活动。人类越来越注重海洋开发过程对相关领域的生态和环境效应，合理规划，科学管理，持续利用海洋为人类提供的各项资源将成为人和海洋环境相互作用最主要的方面。

【设计思想】

本节内容是第三单元：海洋环境的第一节，因此，在教学中应该从实际情况出发，多结合实际，提高学生学习海洋环境相关知识的兴趣。海洋科学的发展一直我们国家相对比较薄弱的领域，而这种滞后的发展对整个国民经济产生的瓶颈效应将使我们越来越被动。提高学生认识海洋、探究海洋的兴趣，引导学生关注地球的海洋环境是本节课的关键。

探究活动

海水温度 篇3

循环水泵的功能是通过2条独立的进水渠向每台机组的冷凝器和辅助冷却水系统提供冷却海水[1,2]。红沿河核电站每台机组有2台循环水泵,正常运行时2台泵同时运行。

循环水泵具有轴向吸入口和混凝土蜗壳,由电机经减速齿轮箱驱动[3]。红沿河核电站海水循环水泵推力轴承采用滚柱轴承,轴承型号为NKE-29484-E-MB,润滑方式为闭式油浴润滑,润滑油加注在轴承室,牌号Sell 68。在轴承室底部设计有冷却水室对轴承室润滑油进行冷却(见图1),冷却水由常规岛闭试冷却水系统提供,循环冷却。

在红沿河核电站调试过程中海水循环水泵首次运转1.5 h左右,推力轴承温度上升至87℃且仍有缓慢上升趋势,无法稳定,(跳泵温度为90℃),试验结果如图2所示,循环水泵无法安全持续运行。

本文通过分析指出轴承室设计缺陷及润滑油选择错误是导致轴承温度持续升高的根本原因。通过增加外置冷却器和更换润滑油解决了轴承温度高的缺陷[4]。

2 原因分析

2.1 轴承发热量计算错误

在设计初期基于SKF(轴承品牌)轴承数据进行发热量设计计算,实际更换轴承牌号后没有更新设计计算过程是导致发热量计算错误的根本原因,经新轴承厂家核实,发热量的计算模型并不精确,有30%的误差,根据最新计算结果,最大发热量可能达到9 kW,平均值约6 kW。轴承发热量计算结果如表1所示。

同时,为验证发热量计算问题,本文根据DittusBoelter强制对流换热关系式对轴承冷却装置的冷却能力进行了核算,最终得出实际发热量约为7 kW,远大于循泵厂家最初的设计值。采用的计算公式如下:

式中:Q为发热量;h为对流换热系数;A为截面积;ΔT为温差;κw为水的导热系数;Nu为努塞尔数;Dh为水力直径;Re为雷诺数;Pr为普朗特数。

由于实际发热量大于设计值,虽然冷却设计仍然可以包络修正后计算的发热量,但考虑计算误差、设备制造等因素,当前的冷却装置已经没有设计余量。不同厂家轴承的摩擦系数不同,发热量有一定程度的差异,泵厂家基于SKF轴承参数进行设计是不合理的。

2.2 润滑油粘度选择错误

润滑油的粘度大小是形成润滑油膜好坏的前提,为使滚道与滚动体接触表面间形成足够厚的润滑油膜,润滑油粘度应保证在工作温度下不丧失其最低粘度,一般轴承承受较重负荷时,应使用较高粘度的润滑油。

红沿河项目中设计采用的润滑油型号为Shell Tellus 68,由于轴承发热量计算错误,实际发热量大于设计值,过多的发热量导致润滑油温度升高、粘度降低,进而无法确保足够的润滑油膜,极有可能导致油膜失效,发生金属接触的现象。一旦发生金属接触,即会产生更大的热量,最终导致监测到的轴承温度持续升高,无法稳定。

2.3 轴承室设计

泵运行中通过红外测温装置测得轴承室润滑油温度分部不均匀,有明显的温度阶梯,在靠近轴承位置润滑油温度较高,靠近下部冷却水室位置温度较低,如图1所示,表明润滑油在轴承室内没有形成循环,出现了分层现象。而轴承室设计空间较小,阻碍了润滑油循环,使得润滑油无法充分混合,进而随着温度的升高加剧这一分层现象。

这种润滑油分层现象使得冷却水只与底层润滑油进行热交换,而推力轴承附近的热量无法被带走,破坏了热平衡,进一步加剧了轴承温度无法稳定的问题。

3 解决方案

3.1 增加外置冷却器

增加外置冷却器可以提高系统的冷却能力,通过油泵进行润滑油强制循环,可以改善并重建轴承室内油循环,使轴承室内润滑油得到充分混合,进而了解决了润滑油分层现象。

红沿河项目首先采用了风扇冷却的外置油冷器进行试验,图3为增加外置冷却器的试验结果,图3中可以看出,增加外置冷却器的方式有效解决了推力轴承温度无法稳定的问题,最终轴承温度稳定在50℃～60℃左右。

3.2 选择较高粘度的润滑油

选择合适的润滑油对轴承的润滑和工作寿命是至关重要的,因此更换高粘度的润滑油可以确保润滑油膜的建立和轴承的使用寿命。核电站更换Omala 150HD新油后再次启动循环水泵进行试验,试验表明采用润滑油Omala 150HD使稳定后的轴承温度降低了10℃,从而减小了单位时间换热量,图4、图5分别为采用68号、150号粘度润滑油冷却器单位时间换热量的曲线图以及轴承和冷却水温差变化曲线。从图4、图5中可以看出采用高粘度的润滑油,单位时间换热量更接近轴承厂家评估的轴承发热量(6～6.5 kW)。因此,采用较高粘度的润滑油使轴承室内热交换达到了平衡,从而有效改善了轴承发热过大的问题。

3.3 最终方案

最终方案采取1用1备的冷却器设置方式,外置冷却器采用冷却水循环换热器,以避免环境温度变化对轴承冷却造成影响。外置冷却器配备了专用控制箱,采用PLC就地自动控制,实现2台冷却器定期自动切换功能。外置冷却器的设计方案如图6所示。

4 结论

文章通过分析和计算得出发热量计算错误和润滑油粘度选择不当是导致循环水泵轴承温度高且无法稳定的主要原因。并提出了增加外置冷却器的改进方案,通过试验得出增加外置冷却器可以提高系统的冷却能力,改善并重建轴承室内的润滑油循环,使轴承室内润滑油得到充分混合,进而解决了润滑油分层现象。同时更换高粘度的润滑油可以有效解决轴承发热量过大的问题,使轴承室内热交换达到了平衡。最终方案的选择考虑了系统设计的安全、冗余因素,使得泵运行更加稳定。

摘要：红沿河核电站海水循环水泵在调试过程中出现泵推力轴承温度高、无法稳定的问题。为解决这一问题,分析了轴承温度高无法稳定的根本原因,提出了增加外置冷却器和更换润滑油的解决方案,并通过计算和试验验证了处理方案的可行性。

关键词：海水循环水泵,推力轴承,温度高

参考文献

[1]何川,郭立君.泵与风机[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2]李勇德.300 MW机组立式循环水泵组上导轴承温度高的原因分析及处理[J].陕西电力,2015,43(2):76-79.

[3]武清波,何金玲,梁宇哲,等.核电站用混凝土蜗壳式循环水泵的系统及结构[J].水泵技术,2012,(2):17-19.