減溫水自動(dòng)控制改造及串級(jí)PID的應(yīng)用

寧波經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)熱電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部 仇 輝

1 背景現(xiàn)狀

本公司是一家熱電聯(lián)產(chǎn)型企業(yè)，依托開發(fā)區(qū)進(jìn)行集中供電供熱的基礎(chǔ)配套型企業(yè)。目前，公司擁有四爐四機(jī)的生產(chǎn)規(guī)模，其中四臺(tái)鍋爐為：三臺(tái)130t／h 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐、一臺(tái)75t／h 高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，四臺(tái)汽輪機(jī)組分別為兩臺(tái)12MW 高溫高壓背壓供熱機(jī)組、一臺(tái)6MW 高溫高壓背壓供熱機(jī)組和一臺(tái)15MW 高溫高壓抽凝供熱機(jī)組，總裝機(jī)容量為45MW。供熱能力達(dá)400t/h。公司供熱主管線、支線總長(zhǎng)度達(dá)到62km，其中最大主管線直徑達(dá)到DN600，最長(zhǎng)支線達(dá)到近10km，為周邊一百多家企業(yè)用戶提供用熱需求。

廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)有#2、#4減溫減壓器（出口蒸汽壓力1.96MPa、溫度250℃）和#3、#5減溫減壓器（出口蒸汽壓力0.98Mpa、溫度250℃）共四套雙減，聯(lián)能478減溫器（出口蒸汽壓力1.4Mpa、溫度250℃）、青峙377減溫器（出口蒸汽壓力1.96MPa、溫度250℃）兩套減溫裝置，總計(jì)六套減溫裝置對(duì)鍋爐、汽機(jī)蒸汽出口進(jìn)行減溫減壓操作，使對(duì)外所供蒸汽的壓力、溫度符合用戶需要。

2 供熱減溫系統(tǒng)情況

整套供熱管道及減溫水系統(tǒng)歷經(jīng)20多年的時(shí)間逐步改造升級(jí)成現(xiàn)有系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)不是一次整體規(guī)劃設(shè)計(jì)建設(shè)，導(dǎo)致管道繁雜。各種壓力等級(jí)、溫度管道都有聯(lián)通，并且當(dāng)時(shí)因節(jié)省投資將鍋爐高壓主給水直接引出當(dāng)減溫水系統(tǒng)用，導(dǎo)致減溫水系統(tǒng)用水壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于供熱蒸汽的壓力。目前，主要存在以下幾點(diǎn)問題。

一是減溫水與出口蒸汽壓差太大（最大有13MPa），導(dǎo)致減溫裝置內(nèi)漏嚴(yán)重、減溫水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能下降，供熱蒸汽溫度較難控制，同時(shí)帶來對(duì)閥門設(shè)備的損害。

二是日常運(yùn)行過程中需要值班人員花費(fèi)大量時(shí)間專門盯著供熱蒸汽溫度、壓力參數(shù)，頻繁進(jìn)行人工干預(yù)，既浪費(fèi)大量人力，同時(shí)又不能很好地控制參數(shù)，導(dǎo)致用熱端用戶參數(shù)不達(dá)標(biāo)，影響公司經(jīng)濟(jì)效益。

三是機(jī)組排汽和抽汽溫度受進(jìn)汽溫度和流量影響較大，正常情況不用雙減時(shí)1.0MPa 供熱蒸汽溫度多靠調(diào)節(jié)鍋爐產(chǎn)汽溫度來控制，為保證供熱蒸汽不超限，往往主動(dòng)降低鍋爐出口主汽溫度。

這樣操作僅保證供熱蒸汽溫度，但是導(dǎo)致鍋爐效能下降，煤耗升高，使鍋爐長(zhǎng)時(shí)間處于不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，也降低了機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)，汽輪機(jī)主設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間處于欠參數(shù)運(yùn)行狀態(tài)，降低汽輪機(jī)的安全可靠穩(wěn)定，也使汽組未處于最佳經(jīng)濟(jì)狀態(tài)運(yùn)行，影響公司經(jīng)濟(jì)效益。

為實(shí)現(xiàn)公司提出的減員增效目標(biāo)，需對(duì)供熱減溫系統(tǒng)進(jìn)行改造，以實(shí)現(xiàn)供熱減溫系統(tǒng)自動(dòng)控制，達(dá)到減少人員監(jiān)視和提高鍋爐、汽機(jī)主設(shè)備運(yùn)行效率的目的。

3 供熱減溫系統(tǒng)改造實(shí)施

經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有鍋爐、汽輪機(jī)、供熱減溫系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)的研究，確定自動(dòng)控制改造的步驟，第一步首先要將供熱蒸汽減溫水的供給壓力下降到一個(gè)合理范圍內(nèi)；第二步根據(jù)下降的減溫水與供熱蒸汽的差壓及蒸汽流量、流速等參數(shù)進(jìn)行減溫水噴頭的合理選型，以達(dá)到能將減溫水充分混合進(jìn)供熱蒸汽，達(dá)到減溫的效果；第三步合理選擇減溫水調(diào)節(jié)閥及電動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，使閥門行程控制更精細(xì)，以便于減溫水適量進(jìn)去，防止減溫水欠噴或過噴導(dǎo)致溫度忽上忽下；第四步當(dāng)外圍硬件都已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，手動(dòng)控制減溫水能及時(shí)響應(yīng)、反饋，當(dāng)供熱蒸汽能控制在合理范圍之內(nèi)后，通過DCS 系統(tǒng)進(jìn)行PID 參數(shù)設(shè)置，使電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定與供熱蒸汽溫度之間進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)整[1]。

根據(jù)主設(shè)備檢修計(jì)劃，首先取消供熱蒸汽減溫水直接采用鍋爐高壓主給水（最大有13MPa），將減溫水系統(tǒng)分為中壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)，鍋爐出口雙減仍采用鍋爐高壓主給水當(dāng)減溫水使用；供熱蒸汽減溫水改由中繼水進(jìn)行供給，中繼水壓力運(yùn)行參數(shù)為壓力1.2MPa、溫度85℃。

本公司對(duì)外供熱蒸汽壓力等級(jí)主要是兩個(gè)，分別是1MPa 和2MPa，考慮到中繼水壓力在1.2MPa，為保證減溫水進(jìn)入供熱管道后與供熱蒸汽混合，對(duì)中繼水引出的減溫水進(jìn)行二次加壓。從中繼水母管引一路減溫水到廠區(qū)中間位置點(diǎn)，增設(shè)兩臺(tái)增壓泵（一用一備）。增壓泵選型為流量8t/h、揚(yáng)程180m、功率11kW，經(jīng)過泵增壓后使減溫水壓力提升到3.0MPa 后，通過母管制式向所需的供熱減溫水進(jìn)行供給。

考慮公司的生產(chǎn)方式、管道走勢(shì)及改造的便利性，決定在1#、2#機(jī)組排汽口和6#機(jī)組抽汽口安裝減溫器并將減溫水引到，使在供熱管道的供汽源頭直接進(jìn)行減溫，并將原1MPa、2MPa 供熱蒸汽母管的減溫水控制閥及噴頭進(jìn)行更換，以適配現(xiàn)有的壓力等級(jí)和減溫水調(diào)節(jié)流量。自動(dòng)投入控制方面對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的要求有以下幾點(diǎn)。

一是閥門類調(diào)節(jié)設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有空行程；二是閥門類調(diào)節(jié)設(shè)備的動(dòng)作靈敏度（死區(qū)）小于1.5%；三是閥門的流量特性良好，漏流量情況良好；四是負(fù)荷在30%～100%調(diào)整時(shí)，調(diào)節(jié)設(shè)備的余量滿足，即開度在20%～80%；五是壓力、流量、溫度等測(cè)量?jī)x表工作與顯示反饋正常。

根據(jù)以上設(shè)備要求及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前期使用經(jīng)驗(yàn)，新減溫器采用浙江浙臨品牌，調(diào)節(jié)閥組采用無錫華益品牌，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用瑞基品牌，溫度采用安徽天康品牌，壓力表采用上自儀品牌，壓力、差壓變送器采用橫河品牌。利用安裝更換減溫器、調(diào)節(jié)閥組，在減溫器出口后10m 左右選擇合適點(diǎn)安裝鎧裝熱電組，以便觀察減溫水投運(yùn)后的使用效果及為后一步減溫水投運(yùn)自動(dòng)提供溫度參數(shù)參考。

4 減溫水PID 自動(dòng)調(diào)整策略

PID 調(diào)節(jié)器即比例積分微分調(diào)節(jié)器，其PID運(yùn)算的輸出結(jié)果等于比例作用+積分作用+微分作用。

P：比例，就是輸入偏差乘以一個(gè)系數(shù)；I：積分，就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行積分運(yùn)算；D：微分，就是對(duì)輸入偏差進(jìn)行微分運(yùn)算。

本次減溫水PID 自動(dòng)調(diào)整通過DCS 系統(tǒng)PID 功能塊來實(shí)現(xiàn)，本公司DCS 系統(tǒng)為和利時(shí)MACV6.5火電版K 系列，每個(gè)主控站配置兩臺(tái)K-CU01主控單元。公用系統(tǒng)14#控制柜將減溫器出口溫度、供熱管道蒸汽溫度、壓力、流量、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出反饋4-20Ma 信號(hào)接入，通過DCS控制柜主控單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、分析。按每套減溫水控制器在DCS 主控單元內(nèi)編寫一套溫度PID程序。

PID 控制量各參數(shù)定義：

被調(diào)量。反映被調(diào)對(duì)象的實(shí)際波動(dòng)的量值，即減溫器出口溫度。

設(shè)定值。本公司期待被調(diào)量需要達(dá)到的值，即本公司想要的減溫器出口溫度，這個(gè)設(shè)定值可以是固定的，也可以是變化的。

控制輸出。根據(jù)設(shè)定值以及被調(diào)量的變化情況運(yùn)算之后發(fā)出的命令值；單回路。指只有一個(gè)PID調(diào)節(jié)器組成的控制回路。

串級(jí)。兩個(gè)PID 調(diào)節(jié)器串接起來形成一個(gè)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也即雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)；主調(diào)。串級(jí)回路中主要調(diào)節(jié)被調(diào)量的PID 調(diào)節(jié)器。

副調(diào)。輸出直接去指揮電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的PID 調(diào)節(jié)器，主調(diào)的控制輸出進(jìn)入副調(diào)作為副調(diào)的設(shè)定值。

正作用?？刂戚敵鲭S被調(diào)量增高而增高，隨被調(diào)量減少而減少的作用。

反作用。控制輸出隨被調(diào)量增高而降低，隨被調(diào)量減少而增高的作用。

動(dòng)態(tài)偏差。在調(diào)節(jié)過程中，被調(diào)量和設(shè)定值之間的偏差隨時(shí)改變，任意時(shí)刻二者之間的偏差。

靜態(tài)偏差。調(diào)節(jié)趨于穩(wěn)定之后，被調(diào)量和設(shè)定值之間還存在的偏差，消除靜態(tài)偏差是通過PID 調(diào)節(jié)器積分作用實(shí)現(xiàn)的。

回調(diào)。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用顯示，使被調(diào)量開始由上升變?yōu)橄陆?，或者由下降變?yōu)樯仙厔?shì)成為回調(diào)。

本次DCS 程序中應(yīng)用的PID 為HSVPID，HSVPID 的傳遞函數(shù)為：

Mek：偏差增益，相當(dāng)于標(biāo)度變換系統(tǒng)FF（s）為前饋，E（S）為被調(diào)偏差值，E（S）=SP（S）-PV（S）。

溫度PID 調(diào)節(jié)是屬于大滯后性的調(diào)節(jié)回路，供熱減溫水都是同一類型PID，參數(shù)都有一定參考性。下文以本公司青峙377（2.0MPa）供熱管道溫度調(diào)節(jié)PID 為例詳細(xì)介紹PID 參數(shù)整定。青峙377（2.0MPa）供熱管道平時(shí)正常流量為20～30t/h，高峰時(shí)最高可到45t/h，低峰時(shí)最低到10t/h，存在著流量波動(dòng)大、電動(dòng)行程短、閥門內(nèi)漏、減溫水進(jìn)口壓力高的問題，溫度忽上忽下較難控制精準(zhǔn)穩(wěn)定控制，日常工作中需要運(yùn)行人員花費(fèi)大量精力去盯著參數(shù)調(diào)整減溫水調(diào)節(jié)閥開度。

經(jīng)過減溫水降壓改造、更換優(yōu)質(zhì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、調(diào)長(zhǎng)控制行程后，手動(dòng)模式下較能準(zhǔn)確的控制，流量波動(dòng)范圍內(nèi)，手動(dòng)行程范圍控制在10%～60%，調(diào)整及時(shí)，具備了自動(dòng)控制調(diào)整的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備條件。前期整定時(shí)，針對(duì)青峙377供熱管道，在DCS 程序內(nèi)該調(diào)節(jié)閥控制模塊前設(shè)置了一個(gè)單回路PID 控制器，被調(diào)量設(shè)置為青峙377減溫水出口溫度，目標(biāo)設(shè)定值為260±5℃，供熱管道蒸汽溫度要求控制250～270范圍之內(nèi)。根據(jù)目標(biāo)設(shè)定值與減溫水出口溫度的偏差值，經(jīng)過PID 運(yùn)算后給出一個(gè)控制輸出到減溫水調(diào)節(jié)閥門控制功能塊作為調(diào)節(jié)給定輸出的依據(jù)[2]。

整定時(shí)，按照習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)，首先整定P，即比例帶，放大I 積分參數(shù)，縮小D 微分參數(shù)，使積分和微分都不起作用，使PID 變成一個(gè)單純比例調(diào)節(jié)器。比例調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度與偏差E 的大小成正比，當(dāng)比例帶PT 為100時(shí)，比例系數(shù)為1（比例系數(shù)=100/PT），比例作用的輸出與偏差按各自量程范圍的1∶1動(dòng)作。當(dāng)比例帶為20時(shí)，按5∶1動(dòng)作，比例值越小，比例作用越強(qiáng)。比例作用太強(qiáng)會(huì)引起被調(diào)量周期性振蕩。比例太弱會(huì)造成比例欠調(diào)，造成系統(tǒng)收斂過程周期過長(zhǎng)，衰減比太小。

比例帶P 預(yù)設(shè)為100后，調(diào)節(jié)閥DCS 畫面手操器點(diǎn)自動(dòng)后，將減溫水出口溫度、目標(biāo)設(shè)定值、手操器輸出給定曲線到同一畫面進(jìn)行觀察，看三者曲線變化情況、偏差值E、回調(diào)時(shí)候是否合理。運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，被調(diào)量與輸出量陷入二條剛好相反的周期振蕩曲線，即100的比例帶設(shè)定值偏小，需要進(jìn)一步減少比例作用，調(diào)高比例帶設(shè)定值；然后逐漸增大比例帶數(shù)值，每次間隔10往上增加，發(fā)現(xiàn)在240時(shí)，振蕩減少，被調(diào)量能在一定程度內(nèi)收斂，基本可以穩(wěn)定被調(diào)量。

在確定比例帶數(shù)值并能基本穩(wěn)定被調(diào)量后，下一步開始調(diào)整I 積分參數(shù)。積分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度與偏差E 對(duì)時(shí)間的積分成正比，即積分時(shí)間大、積分作用弱。前期調(diào)整比例帶參數(shù)時(shí)，將積分參數(shù)已設(shè)定在較大值，即積分不起作用，現(xiàn)狀開始將積分設(shè)定值開始逐漸減少，每次間隔10往下減少，然后觀察三者曲線變化情況，比較偏差程度、收斂周期、比例作用帶來的余差情況，發(fā)現(xiàn)積分時(shí)間在180左右為一個(gè)比較合適的值，往下再調(diào)整，積分作用開始變強(qiáng)導(dǎo)致引起曲線振蕩，往上調(diào)整，收斂周期會(huì)開始變長(zhǎng)。

微分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度與偏差的變化速度成正比。其作用是阻止被調(diào)量的一起變化，有超前調(diào)節(jié)的作用，因前期只采用單回路PID 進(jìn)行減溫水自動(dòng)初步調(diào)試，因此沒有引入微分參數(shù)，默認(rèn)設(shè)定值為0。

按照調(diào)試過程設(shè)定的比例帶240、積分時(shí)間180，開始將青峙377供熱管道減溫水手操器自動(dòng)投入運(yùn)行當(dāng)中，要求運(yùn)行注意觀察溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)有超調(diào)或欠調(diào)導(dǎo)致青峙377供熱蒸汽溫度開始超限時(shí)及時(shí)退出自動(dòng)，人工手動(dòng)參與調(diào)整。經(jīng)過一周的試運(yùn)行，觀察三者曲線變化，發(fā)現(xiàn)青峙377供熱蒸汽流量穩(wěn)定在25t/h 時(shí)進(jìn)行自動(dòng)控制，整個(gè)溫度能控制目標(biāo)溫度左右5℃，即260±5℃內(nèi)。

但是當(dāng)早上流量高峰開始或晚上流量低谷開始后，PID 自動(dòng)調(diào)整就存在著過調(diào)或者欠調(diào)的問題，導(dǎo)致溫度下降或上升后無法收斂，破壞整個(gè)曲線導(dǎo)致調(diào)整陷入震蕩或離散，只能手動(dòng)切除自動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)為運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)控制。研究流量、溫度、執(zhí)行器輸出反饋的變化趨勢(shì)，主要的原因是當(dāng)流量下降時(shí)，經(jīng)過減溫器的蒸汽和減溫水混合后因蒸汽變小，混合后的溫度在減溫處出口立即增大的趨勢(shì)，而經(jīng)PID 反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出命令是開大減溫水平抑溫度上升的趨勢(shì)[3]。

而減溫水出口溫度就安裝在減溫器出口不遠(yuǎn)，溫度變化比較敏感導(dǎo)致PID 運(yùn)算后出現(xiàn)過調(diào)，又導(dǎo)致出口溫度下降趨勢(shì)，PID 反饋到執(zhí)行機(jī)構(gòu)給出命令是開小，使整個(gè)偏差曲線陷入震蕩，并逐漸開始變得離散，回調(diào)無法實(shí)現(xiàn)，最終影響到青峙377供熱管道蒸汽溫度不能控制在目標(biāo)溫度。同樣，當(dāng)流量發(fā)生很大上升，也會(huì)同樣導(dǎo)致溫度失去控制。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際反映出的情況，需要再加入一個(gè)PID 形成串級(jí)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，并適當(dāng)增加微分調(diào)節(jié)作用，起到超前調(diào)節(jié)的作用，來控制滯后大的溫度調(diào)節(jié)控制對(duì)象。微分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)度與偏差的變化速度成正比，其作用是阻止被調(diào)量的一起變化，使用微分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)收斂周期的時(shí)間縮短。在青峙377供熱管道溫度控制引入串級(jí)調(diào)節(jié)，將遠(yuǎn)端的青峙377供熱管道蒸汽溫度作為主PID 的控制對(duì)象，將近端的減溫器出口溫度作為副PID 的控制對(duì)象，其中主調(diào)PID 起反作用，副調(diào)PID 起正作用，微分時(shí)間參數(shù)在主調(diào)PID 中進(jìn)行設(shè)置。圖1為串級(jí)PID 控制邏輯結(jié)構(gòu)圖。

圖1 串級(jí)PID 控制邏輯結(jié)構(gòu)圖

按照邏輯圖在DCS 主控單元中寫好雙回路串級(jí)PID 的程序，將主調(diào)溫度（青峙377供熱管道蒸汽溫度）設(shè)定值與實(shí)際值經(jīng)過主PID 運(yùn)算的輸出控制信號(hào)接入到副PID，作為副PID 的設(shè)定值與副調(diào)溫度（減溫器出口溫度）進(jìn)行PID 偏差計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果作為減溫水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制輸出的依據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制。

整定過程將串級(jí)回路孤立成兩個(gè)單回路，主調(diào)、副調(diào)隔離起來，單獨(dú)整定。按照先副調(diào)、后主調(diào)，先比例、再積分、最后微分的原則來進(jìn)行，前文已詳細(xì)描述過單回路PID 整定過程，這里不再展開描寫。經(jīng)過多次長(zhǎng)時(shí)間的整定過程，主調(diào)PID 的最終參數(shù)為：比例帶280、積分時(shí)間310、微分時(shí)間60，反作用。副調(diào)PID 的最終參數(shù)為：比例帶100、積分時(shí)間80、微分時(shí)間0，正作用。在這套參數(shù)情況下投入減溫水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)運(yùn)行后，青峙377供熱管道蒸汽溫度無論流量如何發(fā)生變化，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥都能及時(shí)響應(yīng)調(diào)整，使全天的溫度偏差控制在2℃范圍內(nèi)，即260±1℃。

5 結(jié)語

本次改造取得較大收獲，在鍋爐燃燒方面可以按照高溫高壓循環(huán)流化床額定溫度540℃來進(jìn)行控制，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；保證汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)在額定溫度，使汽機(jī)處于額定參數(shù)運(yùn)行，保證汽機(jī)主設(shè)備安全溫度的運(yùn)行，同時(shí)也為用熱端用戶輸送符合參數(shù)要求的優(yōu)質(zhì)蒸汽。