★侯偉軍，李福軍，軒福杰，史春方（杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，浙江杭州310000）

關(guān)鍵詞：鍋爐；過(guò)熱蒸汽溫度；PID控制；數據預測；和利時(shí)DCS；優(yōu)化控制

1 引言

隨著(zhù)分散控制系統越來(lái)越成熟完善，對鍋爐的自動(dòng)化控制要求越來(lái)越高，蒸汽溫度是機組熱力系統的重要參數之一，其變化幅度直接影響整個(gè)機組的可靠性與經(jīng)濟效益[１]。因此，在機組實(shí)際運行過(guò)程中，過(guò)熱汽溫必須嚴格控制在一定范圍內，當發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，控制系統必須迅速調節減溫水閥開(kāi)度，使汽溫維持在設定值±５℃以?xún)?，并使整個(gè)系統快速達到穩定狀態(tài)，由于鍋爐出口溫度控制在調節過(guò)程中，存在滯后和延遲，同時(shí)在實(shí)際工況中又存在燃燒狀況、給水壓力、閥門(mén)特性等影響，在變負荷情況下，蒸汽溫度會(huì )有很多的變化幅度，導致溫度極易容易控制，本文在通過(guò)傳統串級PID的調節基礎上[2，3]，引入狀態(tài)判斷和數據趨勢前饋方法，根據鍋爐溫度及其變化趨勢，基于串級控制邏輯，提出3種控制狀態(tài)，4個(gè)控制分區，有針對地調整減溫水開(kāi)度，使其更好地滿(mǎn)足變負荷，尤其是全工況，其控制效果明顯。

2 控制對象

鍋爐過(guò)熱系統的蒸汽從包墻管出口，經(jīng)過(guò)低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、高溫過(guò)熱器到鍋爐出口，如圖1所示。為了使過(guò)熱汽溫達到設定值，鍋爐一般采用兩級噴水減溫裝置。其中一級噴水減溫器設置在低溫過(guò)熱器之后，用來(lái)控制屏式過(guò)熱器出口溫度，使其達到設定值470℃；二級噴水減溫器設置在屏式過(guò)熱器之后，用來(lái)控制高溫過(guò)熱器出口溫度，使其達到設定值538℃，通過(guò)調節減溫水閥門(mén)控制減溫水流量，使過(guò)熱汽溫維持到設定值。

圖1 鍋爐過(guò)熱系統

3 控制原理

在常規蒸汽溫度控制中，采用串級PID調節，PID控制器因其結構清晰、魯棒性好、參數調節方便等特點(diǎn)被廣泛應用[4]，可表示如式（1）所示：

（1）式中：K_p為比例因子；K_i為積分增益；K_d為微分增益；e(t)為系統誤差。

在蒸汽溫度控制策略中，來(lái)自鍋爐給煤量、風(fēng)量的變化，都會(huì )對鍋爐蒸汽溫度產(chǎn)生擾動(dòng)，對溫度控制的趨勢和幅度進(jìn)行過(guò)數據趨勢分析，根據變化趨勢，判斷是否控制器動(dòng)作，同時(shí)依據溫度差值變化計算前饋量，疊加到串級PID調節的前饋上，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 控制原理圖

3.1 控制狀態(tài)判讀

在常規PID的調節過(guò)程中，為了避免調節器長(cháng)時(shí)間微量調節發(fā)熱等，保護執行器，一般會(huì )設置死區，這種簡(jiǎn)單的設置雖然有一定效果，但會(huì )產(chǎn)生另外的問(wèn)題，當溫度從高位降低到死區上限內或從低位上升到死區下限，由于調節器存在死區，溫度會(huì )穩定在死區上部或下部，并不是穩定在溫度目標值附近，在實(shí)際控制過(guò)程中，如果當時(shí)溫度在控制溫度的上限附近，這時(shí)給煤增加或燃燒增強，溫度就會(huì )超標，如果死區設置過(guò)小，則減溫水調門(mén)會(huì )時(shí)常調整，就相當于犧牲閥門(mén)來(lái)保證溫度。在鍋爐實(shí)際控制要求中，既要將溫度控制在設定值附近，同時(shí)又能及時(shí)響應負荷變化，本文通過(guò)數據分析將調節器狀態(tài)分穩態(tài)、暫態(tài)、死態(tài)三種進(jìn)行調節，可以很好地解決這種問(wèn)題。將鍋爐溫度存入數組中，輸出某段時(shí)間（內部參數）的平均值，如果|平均值-過(guò)程值|＜過(guò)程偏差設定值，且|設定值-過(guò)程值|＜調節偏差設定值，這時(shí)PID處于一種相對穩定的狀態(tài)，調節指令保持不變，處于“死態(tài)”；如果|平均值-過(guò)程值|＜過(guò)程偏差設定值，且|設定值-過(guò)程值|≥調節偏差設定值，這時(shí)控制器處于“穩態(tài)”，PID由于過(guò)程值在DCS中的掃描周期內變化很小，比例作用對調節的影響不大，需要通過(guò)積分作用加速溫度回頭；如果|平均值-過(guò)程值|≥過(guò)程偏差設定值，控制器處于“暫態(tài)”，則按照原參數，正常調整。在圖3中，T3~T4時(shí)間段，盡管過(guò)程值在設定值死區范圍內（例如±0.5℃），由于歷史趨勢（5分鐘）判定為暫態(tài)，PID正常參與調節；在T4~T7時(shí)間段，為判定為穩態(tài)，由于偏離設定值，PID需要適當增加積分成分（內部調整值，例如1.2倍）參與調節；在T13~T19時(shí)間段，判定為死態(tài)，PID不參與調節，保持輸出。

圖3 調節狀態(tài)判讀

3.2 控制過(guò)程分區

由于PID調節數據反饋調節，在調節過(guò)程中存在滯后性，對于減溫水這種慣性大的回路，調節過(guò)程更加滯后，本文采用對調節進(jìn)行分區控制策略，將調節分為4個(gè)區，如圖4所示，1區正向增長(cháng)（T6~T9），屬于增向調整區；2區正向回調（T10~T12），需要反向加速回調；3區反向減少（T13~T14），屬于減向調整區；4區反向回調（T16~T18），需要反向加速回調。在調節進(jìn)入1區初期，由于慣性大，偏差基于PID自身，存在很大的滯后，個(gè)別回路達到10分鐘，實(shí)際給水調門(mén)會(huì )因為溫度的滯后性，超調很大，個(gè)別會(huì )引起震蕩，基于此，在1區會(huì )減弱比例積分參數，在進(jìn)入1區開(kāi)始階段引入偏差前饋（OCB），提前開(kāi)啟或關(guān)閉減溫水調門(mén)，同時(shí)根據溫度斜率逐步回收指令，避免因溫度長(cháng)時(shí)間高于設定值，導致減溫水門(mén)開(kāi)度很大，在調節進(jìn)入2區時(shí)，由于PID調節，此時(shí)過(guò)程值已經(jīng)開(kāi)始回頭，需要加速過(guò)程值回歸設定值附近，避免減溫水門(mén)開(kāi)度持續在高位，導致減溫水噴入過(guò)多，因此溫度一旦開(kāi)始降低，會(huì )低于設定值很多，引入回頭前饋（OCD），在調節過(guò)程中，周期性判斷過(guò)程值設指定值的整體偏差，如果偏差過(guò)大，則整體調整減溫水指令，引入整體前饋（OCC），抬升或降低蒸汽溫度幅度。通過(guò)引入3種前饋，既可以快速響應，又可避免超調。

圖4 調節分區

4 控制邏輯實(shí)現

在和利時(shí)DCS軟件MACSV6中，通過(guò)ST語(yǔ)言和CFC語(yǔ)言配合實(shí)現。如圖5所示，主調的設定值（SP1）由現場(chǎng)操作人員設定，過(guò)程值（PV）為鍋爐出口溫度；主調的輸出作為副調的設定值（SP2），副調的過(guò)程值（PV）為二級減溫水噴水后溫度，輸出量（FAO）為現場(chǎng)控制指令；狀態(tài)判斷（ZS）在控制器PIO內部邏輯實(shí)現，根據鍋爐出口溫度和設定值的變化趨勢，判斷其控制處于具體的4個(gè)分區，分別輸出前饋值（OC），如果根據溫度的變化趨勢進(jìn)行前饋值的回收歸零操作。以OCB為例，鍋爐蒸汽溫度上升進(jìn)入1區后，會(huì )觸發(fā)輸出OC，如果溫度繼續上升，則OC保持，鍋爐出口溫度由于控制器的調節和前饋作用的增加，溫度趨于平緩或下降，這時(shí)則將OC的逐步減少至零，如果在減少期間，溫度變化趨勢上升，則觸發(fā)保持OC。

通過(guò)這種邏輯，可以有效地減少溫升的幅度和速率，達到控溫目的?？偟膩?lái)說(shuō)，在原來(lái)控制策略中，需要弱化原來(lái)的比例和積分，一旦溫度偏離設定值，通過(guò)加速前饋量預動(dòng)作一部分減溫水調整量進(jìn)行遏制溫度偏離，如果溫度向設定值回歸，則說(shuō)明之前調整的減溫水量已經(jīng)足夠，因為調節滯后，很有可能會(huì )多出一部分，這樣正好可以通過(guò)回頭前饋量回收一部分減溫水量，避免溫度回到設定值后又繼續偏離很多；在這兩種前饋的作用過(guò)程中，有可能會(huì )多一部分減溫水或少一部分減溫水，一旦這樣的情況發(fā)生，通過(guò)整體前饋進(jìn)行彌補，達到最佳的溫控點(diǎn)。PIO為比例積分微分控制器，增加了位置式和增量式2中前饋，OCB為加速前饋功能塊；OCC為整體前饋功能塊，OCD為回頭前饋功能塊，這3個(gè)功能塊對位輸入輸出項一致，便于組態(tài)，內部參數不同，通過(guò)輸出可以很方便地查看輸出值，有利于調試?？刂破鱌IO輸入側數據見(jiàn)表1，加速前饋OCB輸入側數據見(jiàn)表2，串級主邏輯、前饋邏輯如圖5、圖6所示。

表1 控制器PIO輸入側數據

圖5 串級主邏輯 

表2 加速前饋OCB輸入側數據

圖6 前饋邏輯

5 應用實(shí)例

某現場(chǎng)為化工廠(chǎng)供汽中心熱電聯(lián)產(chǎn)項目3×540t/h機組，其減溫水采用串級控制系統，通過(guò)常規控制策略中，增加了控制器狀態(tài)判斷，同時(shí)根據數據的變化趨勢進(jìn)行前饋干預，可以有效地克服煤量、風(fēng)量、爐膛燃燒狀況對出口溫度的干擾，避免機組其他參數動(dòng)態(tài)超調量對鍋爐出口溫度的影響，整體控制在±2℃內，如圖7、圖8所示。

圖7 優(yōu)化參數界面

圖8 優(yōu)化蒸汽溫度曲線(xiàn)

6 結語(yǔ)

通過(guò)辨識狀態(tài)和數據趨勢前饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)調整及優(yōu)化，在不需要人工干預的情況下，對控制器調節進(jìn)行彌補，即在連續的PID控制策略上，增加了類(lèi)似“開(kāi)關(guān)量”的點(diǎn)觸式控制，提升控制系統的響應速率，提高控制系統的控制精度。該方案控制結構簡(jiǎn)單，通過(guò)現場(chǎng)修改參數可以很好解決滯后延遲回路，易于工程使用，具有廣闊的應用前景。

作者簡(jiǎn)介：

侯偉軍 （1981-），男，河北石家莊人，中級工程師，碩士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

李福軍 （1982-），男，浙江杭州人，中級工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

軒福杰 （1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

史春方 （1986-），男，吉林長(cháng)春人，中級工程師，學(xué)士，現就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向為工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

參考文獻：

[1]王萬(wàn)召,王杰.過(guò)熱汽溫自適應逆控制方案研究[J].電力自動(dòng)化設備,2013,33(9):54-57

[2]鍋爐蒸汽溫度串接多容小慣性全補償前饋控制[J].熱力發(fā)電,2010,39(6):42-43

[3]循環(huán)流化床鍋爐主蒸汽溫度的負荷自適應控制研究[J].熱力發(fā)電,2013,42(10):58-61

[4]鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度動(dòng)態(tài)預測PID控制算法[J].熱力發(fā)電,2016,45(8):104-108

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊