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★河北大唐國際張家口熱電有限責任公司郭有福

關鍵詞：廠內熱網；蒸汽調門；控制策略

1 廠內熱網系統介紹

在我國北方熱力發電廠，尤其黃河以北的地區冬季溫度低，導致設備可靠性降低，故多采用廠內熱網系統作為保證冬季室內防寒、防凍的一個重要手段。以河北張家口某公司的廠內熱網系統為例，該系統配置廠內熱網加熱器2臺，廠內熱網循環泵3臺（1運2備），提供廠內熱網循環的動力，廠內熱網補水泵2臺，通過廠內低壓除氧器現對廠內熱網系統補水，系統圖如圖1所示。冬季廠內熱網投運，一般通過調整廠內熱網加熱器進汽調門，控制進入2臺加熱器的蒸汽量，實現對加熱器出水溫度的手動控制；通過廠內熱網加熱器水位調整門控制廠內熱網加熱器的液位，實現熱網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因素的影響，需要及時調整廠內熱網加熱器出口溫度，滿足實際需要。

圖1 廠內熱網系統的系統圖

2 自動控制策略設計

對于該系統，只有在冬季暖氣投入時需要進行控制。受加熱蒸汽溫度的參數（溫度、壓力）等外部擾動，以及室外溫度的變化、熱網系統的散熱等內擾的影響，廠內熱網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，要求運行人員通過天氣和疏水溫度變化及時進行調整。而運行人員也希望將該蒸汽調門自動調整，降低因此發生調整不及時發生的考核以及日常頻繁調整的操作強度。通過現行的技術路線分析，大致有三種控制策略的設計思路：

（1）將廠內熱網加熱器進汽調門設計開環控制。通過設計加熱器出水溫度和蒸汽閥門開度的對應函數，根據疏水的閥門控制進入2臺加熱器的蒸汽量，實現加熱器出水溫度控制。

該策略的優點：控制回路控制組成簡單，為開環控制，便于整定。

該策略的缺點：由于開環控制，該系統抑制外部擾動干擾能力低，需運行人員根據天氣情況，對溫度進行手動干預和控制；同時蒸汽參數變化等內部擾動沒有閉環控制，調節精度很難達到要求；開關的對象特性辨識難度大，同時調試、整定步驟不易于初學者的掌握。廠內熱網系統投入的時間、面積等因素有較大的偏差。

（2）設計根據環境溫度的F(x)函數，進行閉環控制。由于根據環境溫度，可以確定需要控制的疏水溫度的經驗值，將各經驗值進行匯總，然后設計廠內熱網加熱器進汽調門的控制策略，實現疏水溫度有效地控制。設計自動跟蹤功能：在控制回路處于手動模式時，PID跟蹤手動的輸出；設定值偏差，跟蹤F(x)輸出與當前疏水溫度的偏差，自動調整。

該策略的優點：整個回路簡單，為單回路控制系統。

該策略的缺點：此類型的跟蹤值理解難度大，同時F(x)函數的準確性也需要進一步的驗證，需要多年的摸索，目前難度最大在系統的辨識，實現對F(x)函數的設定。此函數與各單位所轄的熱網大小、容量等形式有關，需要多次進行嘗試才能得到相應的數值；調試周期增長，控制的難度也相對較大。

（3）通過設定疏水溫度和環境溫度的和

根據多年手動控制的經驗以及對歷史數據進行收集、辨識發現，多半運行人員將廠外熱網加熱器疏水溫度t1控制在50（可變常量）-環境溫度（t2）。通過此項進行自動回路的設計PV=t₁；SP=50-t₂，偏差e=PV-SP，則有

e=t₁-（t₂+50）=t₁+t₂-50

而50為相對固定的一個可變常量，可以根據天氣變化適當調整。

對整個回路進行化簡可以得到：控制廠外熱網加熱器疏水溫度、環境溫度兩個溫度和，與現有的控制唯一可變的常量作為對比的量進行控制，可以得到相對好的控制效果。自動跟蹤回路的設計：自動控制時，PID跟蹤手動的數輸出；PV為t₁+t₂，而控制兩個溫度的和為一個常量；在手動控制時，該常量與自動跟蹤廠內熱網加熱器疏水溫度、環境溫度兩個溫度和，實現無擾切換。

該策略的優點：該設計易于人員對控制回路的理解，于兩個相關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；同時也預留運行人員進行手動偏差控制的接口，便于操控。該策略的缺點：暫未發現。

3 系統調試的問題選擇

3.1 常規PID的策略設計

同時設計溫度死區、解決溫度系統大的遲延和慣性，避免溫度響應時間長導致閥門大幅度波動，從而引起系統震蕩。

參照其他設計PID下限，防止關死。要設計一種控制策略，避免長期關在低位和開在高位。基于日立H-5000M控制系統，沒有防止積分飽和的功能，必要時需要其他元件輔助以實現該功能。如圖2所示。

圖2 廠內熱網自動控制策略

3.2 環境溫度的選擇

在熱力發電廠內，一般面積較大，很難采用單一的溫度，實現對環境溫度的綜合測量。而實踐中，將一臺機組的送風機進口平均溫度作為環境溫度。由于一次風機進口的流速過高，導致過冷、計算異常，應避免選取一次風機進口。而作為配置為兩臺機組的廠內熱網系統，則需要兩臺機組進行優選，對送風機的溫度進行優選，使得可靠性進一步提高。如圖3所示。

圖3 廠內熱網環境溫度的處理

3.3 系統對象的辨識

對閉環系統對象的模擬，采用的方法有飛升曲線法、方波擾動法、理論推導法、頻率特性法、閉環特性曲線法等方法^[1]。根據現場的實際系統分析，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））進行對象的特征函數的求取。根據實際進行閥門開關進10%的實驗，檢查熱網加熱器的出口溫度上升16℃，延時時間30s，上升的時間2600s左右。對象進行辨識如圖4所示。

圖4 擾動實驗的結果

通過曲線計算出K=1.45，τ=30s，T=2600s

G(s)=1.45×e^-30s×（1/（2600s+1））

系統的實際響應，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節，就可以對大遲延慣性關節進行整定。

4 取得的成果

（1）控制策略實用性分析

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

對于溫度控制不必特別精準地自動控制回路，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，避免溫度響應時間長導致閥門大幅度波動，從而引起系統震蕩。

參照其他設計PID下限，防止關死。同時要設計一種控制策略，避免長期關在低位和開在高位。基于日立H-5000M控制系統，PID功能塊沒有防止積分飽和的功能，必要時需要輔助以其他元件實現該功能^[2]。經長時間運行的曲線如圖5所示。

圖5 熱網蒸汽投入自動投入的曲線

期間未解除熱網蒸汽調門的自動控制，可見該控制策略與就地實際對象相適應，運行操作人員工作強度實現了進一步降低。

（2）控制策略經濟性分析

對熱力系統進行計算，當環境溫度升高或供汽參數升高導致熱網循環水溫度升高，則導致不必要的能量浪費。以廠內#3熱網循環泵運行為例，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℃，累計一個小時計算。

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

經查1kJ=0.0002778kWh，計算金額，以上網電價0.372元/kWh計算，每月可以節約25,391元，而每年可以節約12.7萬元的收益。由此可見，此項控制策略是有一定的經濟效益。

5 結語

對于自動調節系統，需要合理系統辨識，結合實際使用情況，構建閉環控制性系統，通過調整控制策略中的相關參數，可實現被控量的合理控制。同時為類似廠內熱網系統采用簡單的獨立自動控制，實現溫度可控，使得能耗進一步降低提供了一種新的控制思路。

作者簡介：

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

參考文獻：

[1]金以惠.過程控制[M].北京:清華大學出版社,1998.

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

摘自《自動化博覽》2022年7月刊