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

關鍵詞：鍋爐；過熱蒸汽溫度；PID控制；數(shù)據(jù)預測；和利時DCS；優(yōu)化控制

1 引言

隨著分散控制系統(tǒng)越來越成熟完善，對鍋爐的自動化控制要求越來越高，蒸汽溫度是機組熱力系統(tǒng)的重要參數(shù)之一，其變化幅度直接影響整個機組的可靠性與經(jīng)濟效益[１]。因此，在機組實際運行過程中，過熱汽溫必須嚴格控制在一定范圍內(nèi)，當發(fā)生擾動時，控制系統(tǒng)必須迅速調(diào)節(jié)減溫水閥開度，使汽溫維持在設定值±５℃以內(nèi)，并使整個系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定狀態(tài)，由于鍋爐出口溫度控制在調(diào)節(jié)過程中，存在滯后和延遲，同時在實際工況中又存在燃燒狀況、給水壓力、閥門特性等影響，在變負荷情況下，蒸汽溫度會有很多的變化幅度，導致溫度極易容易控制，本文在通過傳統(tǒng)串級PID的調(diào)節(jié)基礎上[2，3]，引入狀態(tài)判斷和數(shù)據(jù)趨勢前饋方法，根據(jù)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個控制分區(qū)，有針對地調(diào)整減溫水開度，使其更好地滿足變負荷，尤其是全工況，其控制效果明顯。

2 控制對象

鍋爐過熱系統(tǒng)的蒸汽從包墻管出口，經(jīng)過低溫過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器到鍋爐出口，如圖1所示。為了使過熱汽溫達到設定值，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熱器之后，用來控制屏式過熱器出口溫度，使其達到設定值470℃；二級噴水減溫器設置在屏式過熱器之后，用來控制高溫過熱器出口溫度，使其達到設定值538℃，通過調(diào)節(jié)減溫水閥門控制減溫水流量，使過熱汽溫維持到設定值。

圖1 鍋爐過熱系統(tǒng)

3 控制原理

在常規(guī)蒸汽溫度控制中，采用串級PID調(diào)節(jié)，PID控制器因其結構清晰、魯棒性好、參數(shù)調(diào)節(jié)方便等特點被廣泛應用[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(tǒng)誤差。

在蒸汽溫度控制策略中，來自鍋爐給煤量、風量的變化，都會對鍋爐蒸汽溫度產(chǎn)生擾動，對溫度控制的趨勢和幅度進行過數(shù)據(jù)趨勢分析，根據(jù)變化趨勢，判斷是否控制器動作，同時依據(jù)溫度差值變化計算前饋量，疊加到串級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)過程中，為了避免調(diào)節(jié)器長時間微量調(diào)節(jié)發(fā)熱等，保護執(zhí)行器，一般會設置死區(qū)，這種簡單的設置雖然有一定效果，但會產(chǎn)生另外的問題，當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)，溫度會穩(wěn)定在死區(qū)上部或下部，并不是穩(wěn)定在溫度目標值附近，在實際控制過程中，如果當時溫度在控制溫度的上限附近，這時給煤增加或燃燒增強，溫度就會超標，如果死區(qū)設置過小，則減溫水調(diào)門會時常調(diào)整，就相當于犧牲閥門來保證溫度。在鍋爐實際控制要求中，既要將溫度控制在設定值附近，同時又能及時響應負荷變化，本文通過數(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)三種進行調(diào)節(jié)，可以很好地解決這種問題。將鍋爐溫度存入數(shù)組中，輸出某段時間（內(nèi)部參數(shù)）的平均值，如果|平均值-過程值|＜過程偏差設定值，且|設定值-過程值|＜調(diào)節(jié)偏差設定值，這時PID處于一種相對穩(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-過程值|＜過程偏差設定值，且|設定值-過程值|≥調(diào)節(jié)偏差設定值，這時控制器處于“穩(wěn)態(tài)”，PID由于過程值在DCS中的掃描周期內(nèi)變化很小，比例作用對調(diào)節(jié)的影響不大，需要通過積分作用加速溫度回頭；如果|平均值-過程值|≥過程偏差設定值，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時間段，盡管過程值在設定值死區(qū)范圍內(nèi)（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(diào)節(jié)；在T4~T7時間段，為判定為穩(wěn)態(tài)，由于偏離設定值，PID需要適當增加積分成分（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)過程中存在滯后性，對于減溫水這種慣性大的回路，調(diào)節(jié)過程更加滯后，本文采用對調(diào)節(jié)進行分區(qū)控制策略，將調(diào)節(jié)分為4個區(qū)，如圖4所示，1區(qū)正向增長（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，個別回路達到10分鐘，實際給水調(diào)門會因為溫度的滯后性，超調(diào)很大，個別會引起震蕩，基于此，在1區(qū)會減弱比例積分參數(shù)，在進入1區(qū)開始階段引入偏差前饋（OCB），提前開啟或關閉減溫水調(diào)門，同時根據(jù)溫度斜率逐步回收指令，避免因溫度長時間高于設定值，導致減溫水門開度很大，在調(diào)節(jié)進入2區(qū)時，由于PID調(diào)節(jié)，此時過程值已經(jīng)開始回頭，需要加速過程值回歸設定值附近，避免減溫水門開度持續(xù)在高位，導致減溫水噴入過多，因此溫度一旦開始降低，會低于設定值很多，引入回頭前饋（OCD），在調(diào)節(jié)過程中，周期性判斷過程值設指定值的整體偏差，如果偏差過大，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。通過引入3種前饋，既可以快速響應，又可避免超調(diào)。

圖4 調(diào)節(jié)分區(qū)

4 控制邏輯實現(xiàn)

在和利時DCS軟件MACSV6中，通過ST語言和CFC語言配合實現(xiàn)。如圖5所示，主調(diào)的設定值（SP1）由現(xiàn)場操作人員設定，過程值（PV）為鍋爐出口溫度；主調(diào)的輸出作為副調(diào)的設定值（SP2），副調(diào)的過程值（PV）為二級減溫水噴水后溫度，輸出量（FAO）為現(xiàn)場控制指令；狀態(tài)判斷（ZS）在控制器PIO內(nèi)部邏輯實現(xiàn)，根據(jù)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個分區(qū)，分別輸出前饋值（OC），如果根據(jù)溫度的變化趨勢進行前饋值的回收歸零操作。以OCB為例，鍋爐蒸汽溫度上升進入1區(qū)后，會觸發(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)和前饋作用的增加，溫度趨于平緩或下降，這時則將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。總的來說，在原來控制策略中，需要弱化原來的比例和積分，一旦溫度偏離設定值，通過加速前饋量預動作一部分減溫水調(diào)整量進行遏制溫度偏離，如果溫度向設定值回歸，則說明之前調(diào)整的減溫水量已經(jīng)足夠，因為調(diào)節(jié)滯后，很有可能會多出一部分，這樣正好可以通過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(xù)偏離很多；在這兩種前饋的作用過程中，有可能會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，通過整體前饋進行彌補，達到最佳的溫控點。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個功能塊對位輸入輸出項一致，便于組態(tài)，內(nèi)部參數(shù)不同，通過輸出可以很方便地查看輸出值，有利于調(diào)試。控制器PIO輸入側數(shù)據(jù)見表1，加速前饋OCB輸入側數(shù)據(jù)見表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(shù)據(jù)

圖5 串級主邏輯 

表2 加速前饋OCB輸入側數(shù)據(jù)

圖6 前饋邏輯

5 應用實例

某現(xiàn)場為化工廠供汽中心熱電聯(lián)產(chǎn)項目3×540t/h機組，其減溫水采用串級控制系統(tǒng)，通過常規(guī)控制策略中，增加了控制器狀態(tài)判斷，同時根據(jù)數(shù)據(jù)的變化趨勢進行前饋干預，可以有效地克服煤量、風量、爐膛燃燒狀況對出口溫度的干擾，避免機組其他參數(shù)動態(tài)超調(diào)量對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 結語

通過辨識狀態(tài)和數(shù)據(jù)趨勢前饋進行動態(tài)調(diào)整及優(yōu)化，在不需要人工干預的情況下，對控制器調(diào)節(jié)進行彌補，即在連續(xù)的PID控制策略上，增加了類似“開關量”的點觸式控制，提升控制系統(tǒng)的響應速率，提高控制系統(tǒng)的控制精度。該方案控制結構簡單，通過現(xiàn)場修改參數(shù)可以很好解決滯后延遲回路，易于工程使用，具有廣闊的應用前景。

作者簡介：

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

李福軍 （1982-），男，浙江杭州人，中級工程師，學士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業(yè)過程自動化、燃燒優(yōu)化。

軒福杰 （1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業(yè)過程自動化、燃燒優(yōu)化。

史春方 （1986-），男，吉林長春人，中級工程師，學士，現(xiàn)就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業(yè)過程自動化、燃燒優(yōu)化。

參考文獻：

[1]王萬召,王杰.過熱汽溫自適應逆控制方案研究[J].電力自動化設備,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]鍋爐過熱蒸汽溫度動態(tài)預測PID控制算法[J].熱力發(fā)電,2016,45(8):104-108

摘自《自動化博覽》2022年9月刊