★河北大唐國際張家口熱電有限責任公司郭有福

關(guān)鍵詞：廠(chǎng)內熱網(wǎng)；蒸汽調門(mén)；控制策略

1 廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統介紹

在我國北方熱力發(fā)電廠(chǎng)，尤其黃河以北的地區冬季溫度低，導致設備可靠性降低，故多采用廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統作為保證冬季室內防寒、防凍的一個(gè)重要手段。以河北張家口某公司的廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統為例，該系統配置廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器2臺，廠(chǎng)內熱網(wǎng)循環(huán)泵3臺（1運2備），提供廠(chǎng)內熱網(wǎng)循環(huán)的動(dòng)力，廠(chǎng)內熱網(wǎng)補水泵2臺，通過(guò)廠(chǎng)內低壓除氧器現對廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統補水，系統圖如圖1所示。冬季廠(chǎng)內熱網(wǎng)投運，一般通過(guò)調整廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調門(mén)，控制進(jìn)入2臺加熱器的蒸汽量，實(shí)現對加熱器出水溫度的手動(dòng)控制；通過(guò)廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器水位調整門(mén)控制廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器的液位，實(shí)現熱網(wǎng)加熱器的換熱效率的提高。而受到機組負荷的變化以及室外的溫度變化等不同擾動(dòng)因素的影響，需要及時(shí)調整廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器出口溫度，滿(mǎn)足實(shí)際需要。

圖1 廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統的系統圖

2 自動(dòng)控制策略設計

對于該系統，只有在冬季暖氣投入時(shí)需要進(jìn)行控制。受加熱蒸汽溫度的參數（溫度、壓力）等外部擾動(dòng)，以及室外溫度的變化、熱網(wǎng)系統的散熱等內擾的影響，廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統控制對象變得更為復雜。為了達到冬季防寒防凍的具體要求，要求運行人員通過(guò)天氣和疏水溫度變化及時(shí)進(jìn)行調整。而運行人員也希望將該蒸汽調門(mén)自動(dòng)調整，降低因此發(fā)生調整不及時(shí)發(fā)生的考核以及日常頻繁調整的操作強度。通過(guò)現行的技術(shù)路線(xiàn)分析，大致有三種控制策略的設計思路：

（1）將廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調門(mén)設計開(kāi)環(huán)控制。通過(guò)設計加熱器出水溫度和蒸汽閥門(mén)開(kāi)度的對應函數，根據疏水的閥門(mén)控制進(jìn)入2臺加熱器的蒸汽量，實(shí)現加熱器出水溫度控制。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：控制回路控制組成簡(jiǎn)單，為開(kāi)環(huán)控制，便于整定。

該策略的缺點(diǎn)：由于開(kāi)環(huán)控制，該系統抑制外部擾動(dòng)干擾能力低，需運行人員根據天氣情況，對溫度進(jìn)行手動(dòng)干預和控制；同時(shí)蒸汽參數變化等內部擾動(dòng)沒(méi)有閉環(huán)控制，調節精度很難達到要求；開(kāi)關(guān)的對象特性辨識難度大，同時(shí)調試、整定步驟不易于初學(xué)者的掌握。廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統投入的時(shí)間、面積等因素有較大的偏差。

（2）設計根據環(huán)境溫度的F(x)函數，進(jìn)行閉環(huán)控制。由于根據環(huán)境溫度，可以確定需要控制的疏水溫度的經(jīng)驗值，將各經(jīng)驗值進(jìn)行匯總，然后設計廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調門(mén)的控制策略，實(shí)現疏水溫度有效地控制。設計自動(dòng)跟蹤功能：在控制回路處于手動(dòng)模式時(shí)，PID跟蹤手動(dòng)的輸出；設定值偏差，跟蹤F(x)輸出與當前疏水溫度的偏差，自動(dòng)調整。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)回路簡(jiǎn)單，為單回路控制系統。

該策略的缺點(diǎn)：此類(lèi)型的跟蹤值理解難度大，同時(shí)F(x)函數的準確性也需要進(jìn)一步的驗證，需要多年的摸索，目前難度最大在系統的辨識，實(shí)現對F(x)函數的設定。此函數與各單位所轄的熱網(wǎng)大小、容量等形式有關(guān)，需要多次進(jìn)行嘗試才能得到相應的數值；調試周期增長(cháng)，控制的難度也相對較大。

（3）通過(guò)設定疏水溫度和環(huán)境溫度的和

根據多年手動(dòng)控制的經(jīng)驗以及對歷史數據進(jìn)行收集、辨識發(fā)現，多半運行人員將廠(chǎng)外熱網(wǎng)加熱器疏水溫度t1控制在50（可變常量）-環(huán)境溫度（t2）。通過(guò)此項進(jìn)行自動(dòng)回路的設計PV=t₁；SP=50-t₂，偏差e=PV-SP，則有

e=t₁-（t₂+50）=t₁+t₂-50

而50為相對固定的一個(gè)可變常量，可以根據天氣變化適當調整。

對整個(gè)回路進(jìn)行化簡(jiǎn)可以得到：控制廠(chǎng)外熱網(wǎng)加熱器疏水溫度、環(huán)境溫度兩個(gè)溫度和，與現有的控制唯一可變的常量作為對比的量進(jìn)行控制，可以得到相對好的控制效果。自動(dòng)跟蹤回路的設計：自動(dòng)控制時(shí)，PID跟蹤手動(dòng)的數輸出；PV為t₁+t₂，而控制兩個(gè)溫度的和為一個(gè)常量；在手動(dòng)控制時(shí)，該常量與自動(dòng)跟蹤廠(chǎng)內熱網(wǎng)加熱器疏水溫度、環(huán)境溫度兩個(gè)溫度和，實(shí)現無(wú)擾切換。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：該設計易于人員對控制回路的理解，于兩個(gè)相關(guān)量有較為直接的含義；便于應對系統的外擾，如蒸汽參數的變化；應對系統內擾也有更好的控制；同時(shí)也預留運行人員進(jìn)行手動(dòng)偏差控制的接口，便于操控。該策略的缺點(diǎn)：暫未發(fā)現。

3 系統調試的問(wèn)題選擇

3.1 常規PID的策略設計

同時(shí)設計溫度死區、解決溫度系統大的遲延和慣性，避免溫度響應時(shí)間長(cháng)導致閥門(mén)大幅度波動(dòng)，從而引起系統震蕩。

參照其他設計PID下限，防止關(guān)死。要設計一種控制策略，避免長(cháng)期關(guān)在低位和開(kāi)在高位?；谌樟-5000M控制系統，沒(méi)有防止積分飽和的功能，必要時(shí)需要其他元件輔助以實(shí)現該功能。如圖2所示。

圖2 廠(chǎng)內熱網(wǎng)自動(dòng)控制策略

3.2 環(huán)境溫度的選擇

在熱力發(fā)電廠(chǎng)內，一般面積較大，很難采用單一的溫度，實(shí)現對環(huán)境溫度的綜合測量。而實(shí)踐中，將一臺機組的送風(fēng)機進(jìn)口平均溫度作為環(huán)境溫度。由于一次風(fēng)機進(jìn)口的流速過(guò)高，導致過(guò)冷、計算異常，應避免選取一次風(fēng)機進(jìn)口。而作為配置為兩臺機組的廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統，則需要兩臺機組進(jìn)行優(yōu)選，對送風(fēng)機的溫度進(jìn)行優(yōu)選，使得可靠性進(jìn)一步提高。如圖3所示。

圖3 廠(chǎng)內熱網(wǎng)環(huán)境溫度的處理

3.3 系統對象的辨識

對閉環(huán)系統對象的模擬，采用的方法有飛升曲線(xiàn)法、方波擾動(dòng)法、理論推導法、頻率特性法、閉環(huán)特性曲線(xiàn)法等方法^[1]。根據現場(chǎng)的實(shí)際系統分析，該系統為一多容、帶有遲延、慣性、自平衡的對象，故選擇方波階躍的方式，G（s）=K×e^-τs×（1/（Ts+1））進(jìn)行對象的特征函數的求取。根據實(shí)際進(jìn)行閥門(mén)開(kāi)關(guān)進(jìn)10%的實(shí)驗，檢查熱網(wǎng)加熱器的出口溫度上升16℃，延時(shí)時(shí)間30s，上升的時(shí)間2600s左右。對象進(jìn)行辨識如圖4所示。

圖4 擾動(dòng)實(shí)驗的結果

通過(guò)曲線(xiàn)計算出K=1.45，τ=30s，T=2600s

G(s)=1.45×e^-30s×（1/（2600s+1））

系統的實(shí)際響應，按照大遲延、大慣性的對比系統，測得系統特性后，對于PID的整定，在控制策略選擇比例積分環(huán)節，就可以對大遲延慣性關(guān)節進(jìn)行整定。

4 取得的成果

（1）控制策略實(shí)用性分析

根據現有實(shí)際熱力系統，充分考慮實(shí)際運行狀況，擬采取按照第三種控制策略完善此項工作。通過(guò)整定對以上回路進(jìn)行搭設，同時(shí)根據傳遞函數已經(jīng)仿真整定后，投入自動(dòng)，可以根據環(huán)境溫度外部擾動(dòng)以及蒸汽溫度變換引起的內部擾動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)修正，實(shí)現暖氣溫度的溫度自動(dòng)控制。

對于溫度控制不必特別精準地自動(dòng)控制回路，需要合理設計控制的偏差死區、解決溫度系統大的遲延和慣性，避免溫度響應時(shí)間長(cháng)導致閥門(mén)大幅度波動(dòng)，從而引起系統震蕩。

參照其他設計PID下限，防止關(guān)死。同時(shí)要設計一種控制策略，避免長(cháng)期關(guān)在低位和開(kāi)在高位?；谌樟-5000M控制系統，PID功能塊沒(méi)有防止積分飽和的功能，必要時(shí)需要輔助以其他元件實(shí)現該功能^[2]。經(jīng)長(cháng)時(shí)間運行的曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 熱網(wǎng)蒸汽投入自動(dòng)投入的曲線(xiàn)

期間未解除熱網(wǎng)蒸汽調門(mén)的自動(dòng)控制，可見(jiàn)該控制策略與就地實(shí)際對象相適應，運行操作人員工作強度實(shí)現了進(jìn)一步降低。

（2）控制策略經(jīng)濟性分析

對熱力系統進(jìn)行計算，當環(huán)境溫度升高或供汽參數升高導致熱網(wǎng)循環(huán)水溫度升高，則導致不必要的能量浪費。以廠(chǎng)內#3熱網(wǎng)循環(huán)泵運行為例，額定流量650t/h計算，假定由于蒸汽參數、室外溫度變化引起溫度需要調整3℃，累計一個(gè)小時(shí)計算。

Q=CMΔt=4.2×1000×650×1000×3=8190×1000kJ=2275.182kWh

經(jīng)查1kJ=0.0002778kWh，計算金額，以上網(wǎng)電價(jià)0.372元/kWh計算，每月可以節約25,391元，而每年可以節約12.7萬(wàn)元的收益。由此可見(jiàn)，此項控制策略是有一定的經(jīng)濟效益。

5 結語(yǔ)

對于自動(dòng)調節系統，需要合理系統辨識，結合實(shí)際使用情況，構建閉環(huán)控制性系統，通過(guò)調整控制策略中的相關(guān)參數，可實(shí)現被控量的合理控制。同時(shí)為類(lèi)似廠(chǎng)內熱網(wǎng)系統采用簡(jiǎn)單的獨立自動(dòng)控制，實(shí)現溫度可控，使得能耗進(jìn)一步降低提供了一種新的控制思路。

作者簡(jiǎn)介：

郭有福 （1986-），男，山東榮成人，高級工程師，學(xué)士，現就職于河北大唐國際張家口熱電有限責任公司，主要從事熱工專(zhuān)業(yè)設備管理工作。

參考文獻：

[1]金以惠.過(guò)程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[2]北京日立華勝控制系統有限公司.R600C宏命令使用說(shuō)明書(shū)[Z].2007.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊