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★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(shù)據(jù)預(yù)測(cè)；和利時(shí)DCS；優(yōu)化控制

1 引言

隨著分散控制系統(tǒng)越來(lái)越成熟完善，對(duì)鍋爐的自動(dòng)化控制要求越來(lái)越高，蒸汽溫度是機(jī)組熱力系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其變化幅度直接影響整個(gè)機(jī)組的可靠性與經(jīng)濟(jì)效益[１]。因此，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)熱汽溫必須嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)必須迅速調(diào)節(jié)減溫水閥開(kāi)度，使汽溫維持在設(shè)定值±５℃以內(nèi)，并使整個(gè)系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由于鍋爐出口溫度控制在調(diào)節(jié)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、閥門特性等影響，在變負(fù)荷情況下，蒸汽溫度會(huì)有很多的變化幅度，導(dǎo)致溫度極易容易控制，本文在通過(guò)傳統(tǒng)串級(jí)PID的調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上[2，3]，引入狀態(tài)判斷和數(shù)據(jù)趨勢(shì)前饋方法，根據(jù)鍋爐溫度及其變化趨勢(shì)，基于串級(jí)控制邏輯，提出3種控制狀態(tài)，4個(gè)控制分區(qū)，有針對(duì)地調(diào)整減溫水開(kāi)度，使其更好地滿足變負(fù)荷，尤其是全工況，其控制效果明顯。

2 控制對(duì)象

鍋爐過(guò)熱系統(tǒng)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(dá)到設(shè)定值，鍋爐一般采用兩級(jí)噴水減溫裝置。其中一級(jí)噴水減溫器設(shè)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(dá)到設(shè)定值470℃；二級(jí)噴水減溫器設(shè)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(dá)到設(shè)定值538℃，通過(guò)調(diào)節(jié)減溫水閥門控制減溫水流量，使過(guò)熱汽溫維持到設(shè)定值。

圖1 鍋爐過(guò)熱系統(tǒng)

3 控制原理

在常規(guī)蒸汽溫度控制中，采用串級(jí)PID調(diào)節(jié)，PID控制器因其結(jié)構(gòu)清晰、魯棒性好、參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)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(tǒng)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(duì)鍋爐蒸汽溫度產(chǎn)生擾動(dòng)，對(duì)溫度控制的趨勢(shì)和幅度進(jìn)行過(guò)數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，根據(jù)變化趨勢(shì)，判斷是否控制器動(dòng)作，同時(shí)依據(jù)溫度差值變化計(jì)算前饋量，疊加到串級(jí)PID調(diào)節(jié)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(guī)PID的調(diào)節(jié)過(guò)程中，為了避免調(diào)節(jié)器長(zhǎng)時(shí)間微量調(diào)節(jié)發(fā)熱等，保護(hù)執(zhí)行器，一般會(huì)設(shè)置死區(qū)，這種簡(jiǎn)單的設(shè)置雖然有一定效果，但會(huì)產(chǎn)生另外的問(wèn)題，當(dāng)溫度從高位降低到死區(qū)上限內(nèi)或從低位上升到死區(qū)下限，由于調(diào)節(jié)器存在死區(qū)，溫度會(huì)穩(wěn)定在死區(qū)上部或下部，并不是穩(wěn)定在溫度目標(biāo)值附近，在實(shí)際控制過(guò)程中，如果當(dāng)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(qiáng)，溫度就會(huì)超標(biāo)，如果死區(qū)設(shè)置過(guò)小，則減溫水調(diào)門會(huì)時(shí)常調(diào)整，就相當(dāng)于犧牲閥門來(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(shè)定值附近，同時(shí)又能及時(shí)響應(yīng)負(fù)荷變化，本文通過(guò)數(shù)據(jù)分析將調(diào)節(jié)器狀態(tài)分穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、死態(tài)三種進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以很好地解決這種問(wèn)題。將鍋爐溫度存入數(shù)組中，輸出某段時(shí)間（內(nèi)部參數(shù)）的平均值，如果|平均值-過(guò)程值|＜過(guò)程偏差設(shè)定值，且|設(shè)定值-過(guò)程值|＜調(diào)節(jié)偏差設(shè)定值，這時(shí)PID處于一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，調(diào)節(jié)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(shè)定值，且|設(shè)定值-過(guò)程值|≥調(diào)節(jié)偏差設(shè)定值，這時(shí)控制器處于“穩(wěn)態(tài)”，PID由于過(guò)程值在DCS中的掃描周期內(nèi)變化很小，比例作用對(duì)調(diào)節(jié)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(shè)定值，控制器處于“暫態(tài)”，則按照原參數(shù)，正常調(diào)整。在圖3中，T3~T4時(shí)間段，盡管過(guò)程值在設(shè)定值死區(qū)范圍內(nèi)（例如±0.5℃），由于歷史趨勢(shì)（5分鐘）判定為暫態(tài)，PID正常參與調(diào)節(jié)；在T4~T7時(shí)間段，為判定為穩(wěn)態(tài)，由于偏離設(shè)定值，PID需要適當(dāng)增加積分成分（內(nèi)部調(diào)整值，例如1.2倍）參與調(diào)節(jié)；在T13~T19時(shí)間段，判定為死態(tài)，PID不參與調(diào)節(jié)，保持輸出。

圖3 調(diào)節(jié)狀態(tài)判讀

3.2 控制過(guò)程分區(qū)

由于PID調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)反饋調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程中存在滯后性，對(duì)于減溫水這種慣性大的回路，調(diào)節(jié)過(guò)程更加滯后，本文采用對(duì)調(diào)節(jié)進(jìn)行分區(qū)控制策略，將調(diào)節(jié)分為4個(gè)區(qū)，如圖4所示，1區(qū)正向增長(zhǎng)（T6~T9），屬于增向調(diào)整區(qū)；2區(qū)正向回調(diào)（T10~T12），需要反向加速回調(diào)；3區(qū)反向減少（T13~T14），屬于減向調(diào)整區(qū)；4區(qū)反向回調(diào)（T16~T18），需要反向加速回調(diào)。在調(diào)節(jié)進(jìn)入1區(qū)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(dá)到10分鐘，實(shí)際給水調(diào)門會(huì)因?yàn)闇囟鹊臏笮裕{(diào)很大，個(gè)別會(huì)引起震蕩，基于此，在1區(qū)會(huì)減弱比例積分參數(shù)，在進(jìn)入1區(qū)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(diào)門，同時(shí)根據(jù)溫度斜率逐步回收指令，避免因溫度長(zhǎng)時(shí)間高于設(shè)定值，導(dǎo)致減溫水門開(kāi)度很大，在調(diào)節(jié)進(jìn)入2區(qū)時(shí)，由于PID調(diào)節(jié)，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(shè)定值附近，避免減溫水門開(kāi)度持續(xù)在高位，導(dǎo)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(shè)定值很多，引入回頭前饋（OCD），在調(diào)節(jié)過(guò)程中，周期性判斷過(guò)程值設(shè)指定值的整體偏差，如果偏差過(guò)大，則整體調(diào)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(yīng)，又可避免超調(diào)。

圖4 調(diào)節(jié)分區(qū)

4 控制邏輯實(shí)現(xiàn)

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(xiàn)。如圖5所示，主調(diào)的設(shè)定值（SP1）由現(xiàn)場(chǎng)操作人員設(shè)定，過(guò)程值（PV）為鍋爐出口溫度；主調(diào)的輸出作為副調(diào)的設(shè)定值（SP2），副調(diào)的過(guò)程值（PV）為二級(jí)減溫水噴水后溫度，輸出量（FAO）為現(xiàn)場(chǎng)控制指令；狀態(tài)判斷（ZS）在控制器PIO內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)，根據(jù)鍋爐出口溫度和設(shè)定值的變化趨勢(shì)，判斷其控制處于具體的4個(gè)分區(qū)，分別輸出前饋值（OC），如果根據(jù)溫度的變化趨勢(shì)進(jìn)行前饋值的回收歸零操作。以O(shè)CB為例，鍋爐蒸汽溫度上升進(jìn)入1區(qū)后，會(huì)觸發(fā)輸出OC，如果溫度繼續(xù)上升，則OC保持，鍋爐出口溫度由于控制器的調(diào)節(jié)和前饋?zhàn)饔玫脑黾?，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(shì)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(dá)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(shè)定值，通過(guò)加速前饋量預(yù)動(dòng)作一部分減溫水調(diào)整量進(jìn)行遏制溫度偏離，如果溫度向設(shè)定值回歸，則說(shuō)明之前調(diào)整的減溫水量已經(jīng)足夠，因?yàn)檎{(diào)節(jié)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(shè)定值后又繼續(xù)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(bǔ)，達(dá)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(duì)位輸入輸出項(xiàng)一致，便于組態(tài)，內(nèi)部參數(shù)不同，通過(guò)輸出可以很方便地查看輸出值，有利于調(diào)試。控制器PIO輸入側(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，加速前饋OCB輸入側(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，串級(jí)主邏輯、前饋邏輯如圖5、圖6所示。

表1 控制器PIO輸入側(cè)數(shù)據(jù)

圖5 串級(jí)主邏輯 

表2 加速前饋OCB輸入側(cè)數(shù)據(jù)

圖6 前饋邏輯

5 應(yīng)用實(shí)例

某現(xiàn)場(chǎng)為化工廠供汽中心熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目3×540t/h機(jī)組，其減溫水采用串級(jí)控制系統(tǒng)，通過(guò)常規(guī)控制策略中，增加了控制器狀態(tài)判斷，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行前饋干預(yù)，可以有效地克服煤量、風(fēng)量、爐膛燃燒狀況對(duì)出口溫度的干擾，避免機(jī)組其他參數(shù)動(dòng)態(tài)超調(diào)量對(duì)鍋爐出口溫度的影響，整體控制在±2℃內(nèi)，如圖7、圖8所示。

圖7 優(yōu)化參數(shù)界面

圖8 優(yōu)化蒸汽溫度曲線

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)辨識(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)趨勢(shì)前饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整及優(yōu)化，在不需要人工干預(yù)的情況下，對(duì)控制器調(diào)節(jié)進(jìn)行彌補(bǔ)，即在連續(xù)的PID控制策略上，增加了類似“開(kāi)關(guān)量”的點(diǎn)觸式控制，提升控制系統(tǒng)的響應(yīng)速率，提高控制系統(tǒng)的控制精度。該方案控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)修改參數(shù)可以很好解決滯后延遲回路，易于工程使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

作者簡(jiǎn)介：

侯偉軍 （1981-），男，河北石家莊人，中級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)楣I(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(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)楣I(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(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

史春方 （1986-），男，吉林長(zhǎng)春人，中級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司，研究方向?yàn)楣I(yè)過(guò)程自動(dòng)化、燃燒優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊