基于除鹽水預(yù)熱調(diào)試探索多變量系統(tǒng)控制方法

黃志偉，常久虎

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司熱電總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，控制設(shè)備快速更新?lián)Q代，普通生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的門(mén)檻也變得越來(lái)越低。實(shí)際上，對(duì)于追求經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的有效途徑，不只是設(shè)備換代與技術(shù)革新，還能通過(guò)不斷地深挖現(xiàn)有設(shè)備的控制潛能，在現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次創(chuàng)新與實(shí)踐改造。

馬鋼熱電總廠主設(shè)備保護(hù)、重要設(shè)備聯(lián)鎖和重要參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，如汽輪機(jī)保護(hù)、主給水調(diào)節(jié)等，基本上都能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。但是對(duì)于部分外圍輔助系統(tǒng)，其控制設(shè)備的復(fù)雜多樣性，給提高系統(tǒng)自動(dòng)化程度造成了很大的困擾。

本課題主要是根據(jù)除鹽水預(yù)熱系統(tǒng)的調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，分析與探究現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中多變量系統(tǒng)的控制方式，通過(guò)優(yōu)化控制策略的方法，提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。在多變量系統(tǒng)內(nèi)，各參數(shù)相互耦合、相互影響，如何設(shè)計(jì)出切合實(shí)際需要、性能相對(duì)穩(wěn)定的控制方式，是本文研究的重點(diǎn)任務(wù)。

1 除鹽水預(yù)熱系統(tǒng)

我廠5#鍋爐設(shè)計(jì)給水210 t/h、排煙溫度170℃；南區(qū)系統(tǒng)除鹽水溫度約40℃、凝結(jié)水溫度約120℃。

從除鹽水母管引水一路，另從凝結(jié)水母管引水一路。通過(guò)兩路閥門(mén)調(diào)節(jié)給水量后，使混合水箱混合后出水溫度在102℃，進(jìn)入煙氣換熱器中。通過(guò)煙氣加熱后進(jìn)入除氧器補(bǔ)水母管中。

此系統(tǒng)有DCS控制器全自動(dòng)控制，并在機(jī)爐集控室配置DCS操作員站，可在PC圖形界面監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行情況，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)設(shè)備主要包括：凝結(jié)水主管路（凝結(jié)水截止閥、凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥、凝結(jié)水溫度傳感器、凝結(jié)水壓力傳感器）、除鹽水主管路（除鹽水截止閥、除鹽水調(diào)節(jié)閥、除鹽水溫度傳感器、除鹽水壓力傳感器）、混合水箱出水（混合水溫度傳感器、混合水箱溫度計(jì)、壓力表、放氣閥、排水閥）、變頻水泵及變頻控制柜（75 kW水泵2臺(tái)）、煙道熱交換器（出水溫度傳感器、放氣閥門(mén)、排水閥門(mén)、排煙溫度傳感器）、系統(tǒng)出水總管（出水溫度傳感器、系統(tǒng)水流量計(jì)、系統(tǒng)隔絕電動(dòng)截止閥）、DCS系統(tǒng)操作工作站。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為全自控調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要有：

根據(jù)混合集水箱出水溫度調(diào)節(jié)除鹽水調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度和凝結(jié)水閥門(mén)開(kāi)度。

根據(jù)系統(tǒng)排煙溫度調(diào)節(jié)水泵變頻。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除鹽水溫度、壓力。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)凝結(jié)水溫度、壓力。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)水泵運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、遠(yuǎn)程啟停、水泵轉(zhuǎn)換及出水壓力、水流開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

2 控制原理分析

該全自控調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可分為混合水溫調(diào)節(jié)與排煙溫度調(diào)節(jié)兩個(gè)控制回路，可以通過(guò)凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥、除鹽水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷熱水比例來(lái)控制混合水溫度，也可以通過(guò)變頻泵調(diào)節(jié)進(jìn)入煙氣換熱器的混合水流量來(lái)控制系統(tǒng)排煙溫度。

排煙溫度控制回路,見(jiàn)圖2，有一個(gè)被控對(duì)象，一個(gè)執(zhí)行器，執(zhí)行器（變頻泵）接受DCS自動(dòng)調(diào)節(jié)指令，對(duì)被控對(duì)象（排煙溫度）進(jìn)行反作用調(diào)節(jié)。當(dāng)排煙溫度過(guò)高時(shí)，加大變頻泵轉(zhuǎn)速，提高介質(zhì)流量，使煙氣溫度降低至設(shè)定值（125℃），反之亦然。這是典型的單回路控制，本文不作重點(diǎn)介紹。

圖2 排煙溫度控制回路

混合水溫控制回路，見(jiàn)圖3，是一個(gè)被控對(duì)象，有兩個(gè)執(zhí)行器。被控對(duì)象（混合水溫）既受執(zhí)行器1（凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥）的開(kāi)度影響，又受執(zhí)行器2（除鹽水調(diào)節(jié)閥）的開(kāi)度影響。凝結(jié)水調(diào)節(jié)回路的干擾1，很大程度受除鹽水調(diào)節(jié)閥影響，同時(shí)除鹽水調(diào)節(jié)回路的干擾2，主要受凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的影響，兩個(gè)調(diào)節(jié)回路相互耦合、相互影響。

圖3 混合水溫控制的兩個(gè)子回路

同時(shí)，兩個(gè)執(zhí)行器間不存在直接的因果聯(lián)系，亦無(wú)法構(gòu)成串級(jí)控制回路，只能作為兩個(gè)獨(dú)立的子控制回路。對(duì)于被控對(duì)象混合水溫，除鹽水調(diào)節(jié)閥是負(fù)作用控制，凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥是正作用控制。

在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中，二者同時(shí)參與控制，相互之間不斷造成干擾，容易發(fā)生震蕩或者超調(diào)。

兩個(gè)子調(diào)節(jié)回路相互耦合，接受同一設(shè)定值（設(shè)計(jì)102℃），通過(guò)2臺(tái)相互獨(dú)立的流量調(diào)節(jié)閥，控制同一被控對(duì)象（混合水溫度）。主要采用是在PI調(diào)節(jié)邏輯層增加一項(xiàng)強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)命令”（設(shè)備跳手動(dòng)時(shí)，該項(xiàng)邏輯無(wú)效），在特定條件觸發(fā)后，PI調(diào)節(jié)器將輸出預(yù)先設(shè)定的控制命令（有別于PI運(yùn)算命令）。當(dāng)被控對(duì)象出現(xiàn)過(guò)調(diào)或者跟蹤不及時(shí)，即可通過(guò)這樣的特定“聯(lián)動(dòng)”命令，使得兩臺(tái)設(shè)備都能及時(shí)地往正確方向快速調(diào)節(jié)，可以減弱調(diào)節(jié)回路之間相互耦合干擾的強(qiáng)度，使得整體調(diào)節(jié)控制都能穩(wěn)定地工作。

通過(guò)組態(tài)邏輯優(yōu)化、PI參數(shù)整定等方式，降低或消除過(guò)程控制的震蕩和超調(diào)，提高（多變量控制系統(tǒng)）自動(dòng)調(diào)節(jié)的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)該工藝過(guò)程的完全自動(dòng)控制，降低運(yùn)行崗位人員的人力成本。

3 組態(tài)調(diào)試

考慮除鹽水調(diào)節(jié)閥管徑相對(duì)較小（DN100），除鹽水回路對(duì)被控參數(shù)的調(diào)節(jié)相對(duì)較弱（不考慮比熱容公式計(jì)算），除鹽水調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)邏輯，不作任何強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)”，使其能全程穩(wěn)定調(diào)節(jié)，消除靜態(tài)偏差，達(dá)到精調(diào)的目的。

凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥管徑大（DN200），且母管壓力略高于除鹽水母管（當(dāng)凝結(jié)水流量過(guò)大時(shí)，除鹽水管路有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)明顯憋壓，限制除鹽水調(diào)節(jié)效果），所以要對(duì)凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)邏輯，增加強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)命令”，特定條件出發(fā)后，PI調(diào)節(jié)器將輸出預(yù)先設(shè)定的控制命令。

凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥增加了強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)命令”邏輯，經(jīng)最終調(diào)試確定，其簡(jiǎn)要邏輯如下幾條（實(shí)際組態(tài)邏輯如圖 4）：

圖4 凝結(jié)水組態(tài)邏輯圖

（1）凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥操作界面，設(shè)置“自動(dòng)/手動(dòng)”切換功能。

（2）凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥切“自動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器對(duì)設(shè)定值（混合水溫度102℃）的偏差信號(hào)進(jìn)行PI運(yùn)算，凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥接受調(diào)節(jié)器的運(yùn)算輸出指令工作，消除混合水溫偏差。

（3）當(dāng)凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥處于“自動(dòng)”狀態(tài)，如果除鹽水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度反饋（MSA0061.FB）小于或等于50%，那么凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)器輸出下限（PIDA06101.LLOP）將強(qiáng)制設(shè)置為90%。該設(shè)置僅對(duì)調(diào)節(jié)器輸出起作用，對(duì)調(diào)節(jié)器的偏差輸入及內(nèi)部PI運(yùn)算并無(wú)影響。

（4）凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥切“手動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，崗位人員可以通過(guò)操作盤(pán)手動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。第（2）、（3）條邏輯無(wú)效。

以上第（3）條邏輯，也就是我們之前提到的強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)命令”，主要功能就是在控制混合水溫的同時(shí)，讓2臺(tái)調(diào)節(jié)閥都能處于較大的閥門(mén)開(kāi)度位置，以達(dá)到混合水最大流量與煙氣換熱器最大效率的目的（混合水流量調(diào)節(jié)此處不作詳見(jiàn)介紹）。

溫度調(diào)節(jié)回路普遍都具有高滯后性，尤其對(duì)于多變量調(diào)節(jié)相互耦合干擾、介質(zhì)配比變化大、混合不充分的容器系統(tǒng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)被控參數(shù)過(guò)調(diào)震蕩或者調(diào)節(jié)不及時(shí)等現(xiàn)象，使得自動(dòng)調(diào)節(jié)功能無(wú)法投用。我們通過(guò)增加“聯(lián)動(dòng)命令”的方式，把2臺(tái)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)工作范圍限制在部分開(kāi)度區(qū)域，保證自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)期處于系統(tǒng)基本工況下，能夠應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)的工況干擾波動(dòng)（主要是機(jī)組負(fù)荷及凝氣器補(bǔ)水量變化導(dǎo)致的凝結(jié)水母管溫度變化），設(shè)備全程無(wú)需切回手動(dòng)調(diào)節(jié)。

調(diào)試曲線圖如圖5，曲線長(zhǎng)度為2 h（2017-12-18 8:30-10:30），凝結(jié)水溫度出現(xiàn)較大波動(dòng)，最低114℃，最高123℃，對(duì)混合水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生較大干擾，兩臺(tái)調(diào)節(jié)閥都能及時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)，使得被控對(duì)象混合水溫最低98℃，最高104℃，波動(dòng)偏差控制在±3℃以內(nèi)，符合控制要求。

圖5 調(diào)試曲線圖

在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，混合水一直保持較大流量，符合了煙氣換熱器追求最大效率的基本要求。

4 總結(jié)

本課題主要是基于除鹽水預(yù)熱系統(tǒng)的調(diào)試工作，分析與探究現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中多變量系統(tǒng)的控制方式，通過(guò)優(yōu)化控制策略，提升多變量系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

在多變量系統(tǒng)內(nèi)，各參數(shù)相互耦合、相互影響，通過(guò)在PI調(diào)節(jié)邏輯層增加一項(xiàng)強(qiáng)制“聯(lián)動(dòng)命令”，在特定條件下觸發(fā)后，PI調(diào)節(jié)器將輸出預(yù)先設(shè)定的控制命令，使得調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)工作范圍限制在部分開(kāi)度區(qū)域，自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)期處在系統(tǒng)基本工況下，系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)的工況干擾波動(dòng)，這樣就保證了自動(dòng)調(diào)節(jié)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)整體自動(dòng)化的程度。