基于復合PID調(diào)節(jié)給水自動加氨精確控制方法研究

張浩龍,楊明望,張倍堯,于年鑫,崔 燦

(華能澠池熱電有限責任公司,河南 三門峽 472499)

0 引言

鍋爐給水pH值是火電廠水汽監(jiān)督的重要指標之一,其合格與否嚴重影響熱力系統(tǒng)的安全運行。當鍋爐給水pH≤7時呈酸性,會造成給水的氫去極化腐蝕,大量的腐蝕物進入鍋爐造成鍋爐內(nèi)結(jié)垢和腐蝕,導致鍋爐效率下降,嚴重時可導致鍋爐發(fā)生爆管事故。當鍋爐給水pH值過高時呈堿性,堿性物質(zhì)在鍋爐內(nèi)經(jīng)過受熱分解、蒸發(fā)濃縮,會引起爐水pH值超標,一方面會造成金屬鈍化膜的破壞,另一方面易引發(fā)鍋爐爐水的二次水垢。因此鍋爐給水的pH值控制有嚴格規(guī)定,在GB/T 12145—2016《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設(shè)備水汽質(zhì)量》中規(guī)定,加氧處理給水pH值為8.5～9.3(25 ℃)［1］。

氨是熱力系統(tǒng)用于金屬防腐最常用的堿化劑。目前控制給水pH值的方法主要是采用加氨調(diào)節(jié)。pH控制就是控制給水的酸堿度,但pH控制存在嚴重的非線性、滯后性、時變性,其精確控制難度較大［2］。針對pH值的控制原理,有很多關(guān)于控制原理和算法的研究和應用,如常規(guī)PID、模糊自適應PID和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID［3-5］等。但是單一PID控制適用于建立了精確數(shù)學模型的確定線性系統(tǒng)。模糊系統(tǒng)的模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)等設(shè)計參數(shù)只能依靠經(jīng)驗來選擇,實際影響較大。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然具有較強的適應和學習功能,但不具備處理不確定信息的功能。目前實際生產(chǎn)過程中大多是通過人工調(diào)整加氨計量泵來控制給水pH值,存在操作量大、pH控制不嚴格及加氨耗量偏大等諸多問題。因此在實際生產(chǎn)中,如何采用較小成本對給水pH精確控制,嚴格控制加氨量是需要解決的問題。

1 概況

某電廠加氨系統(tǒng)為2臺機組公用,設(shè)置兩級加氨,分為凝結(jié)水加氨(一級加氨)和給水加氨(二級加氨)。一級加氨點設(shè)置在精處理混床出口母管,二級加氨設(shè)置在除氧器出口母管。兩級加氨公用2個氨溶液箱,每個氨溶液箱配置1臺攪拌器,每級加氨設(shè)置3臺變頻加氨計量泵,運行方式為每臺機組使用1臺,第3臺備用,全部在1號機組公用DCS系統(tǒng)進行控制。氨溶液配藥方式為加入溶液箱固定濃度工業(yè)氨水,再根據(jù)氨溶液箱的底部電導率表加入凝結(jié)水,使氨溶液電導率在850 μs/cm。加氨方式為運行人員進行手動控制加氨計量泵頻率,進而控制給水pH值,加氨系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 加氨系統(tǒng)

運行中存在問題有:①從凝結(jié)水母管加入氨溶液到省煤器入口檢測出pH值的變化,存在嚴重滯后,約滯后30 min,造成pH值波動較大;②機組升降負荷,加氨量變化較大,運行人員需頻繁監(jiān)視調(diào)整,工作量較大;③由于溫度、監(jiān)測儀表、外界干擾、純水靜電荷、校準等因素影響,pH值的準確性很難保證,造成加氨控制難度增大;④加氨泵在1號機組控制,監(jiān)測儀表在輔網(wǎng)進行監(jiān)測,無法通過集中監(jiān)視調(diào)整進行自動控制;⑤由于無法精準控制給水pH值,pH值過高易造成氨水浪費,pH值過低造成無法達到熱力系統(tǒng)防腐效果。

2 自動加氨控制系統(tǒng)

2.1 控制目標

給水pH值的測量影響因素較大,不宜作為加氨自動調(diào)節(jié)的控制目標。給水加氨后,氨溶于水呈弱堿性,增強了溶液的導電能力,使給水電導率增大10倍以上,因此給水電導率大小主要取決于水中氨的濃度。經(jīng)研究表明,在25 ℃以下,水中氨濃度與pH值和電導率之間存在確定關(guān)系［6-9］,如表1所示。根據(jù)給水電導率與pH值的關(guān)系,可以通過電導率計算出pH值［10］。電導率通過在電極兩端增加正弦波電壓,在電場作用下,帶電的離子產(chǎn)生一定方向移動,產(chǎn)生電流信號經(jīng)放大處理后測得。電極是2塊金屬板,比較穩(wěn)定,不受其他外界因素干擾。由于電導率是通過測量溶液阻抗再轉(zhuǎn)換電流得到,基本不受純水靜電荷影響,測量準確性和穩(wěn)定性大大提高。根據(jù)加氨量與電導率基本成線性關(guān)系、pH值與電導率存在確定關(guān)系的特性,pH=8.57+lgSC(SC:25 ℃時直接電導率,2 μs/cm),可選用給水電導率作為加氨自動調(diào)節(jié)的控制目標。根據(jù)對應關(guān)系,電導率控制在2.8～3.2 μs/cm即可使給水pH值控制在9.02～9.07,滿足控制要求。給水電導率與pH值的關(guān)系見表1。

表1 給水電導率與pH值的關(guān)系(加氨25 ℃)

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)目前設(shè)備情況,不增加監(jiān)測儀表,不利用常用外加PLC設(shè)備的情況下,所有設(shè)備和信號全部利用現(xiàn)有DCS系統(tǒng),就可實現(xiàn)整體自動調(diào)節(jié)和監(jiān)視的自動加氨控制。氨溶液箱及溶液箱電導率、變頻加氨計量泵等信號控制在1號機組公用DCS網(wǎng)絡(luò)中,給水流量信號分別在機組DCS網(wǎng)絡(luò)中,給水電導率監(jiān)視信號在輔網(wǎng)DCS網(wǎng)絡(luò)中,將所有信號全部引入1號機組公用DCS系統(tǒng),實現(xiàn)自動加氨,如圖2所示。

圖2 自動加氨控制系統(tǒng)

2.3 控制原理

自動加氨控制方法采用復合式PID調(diào)節(jié),如圖3所示,復合式PID控制包括兩部分,一部分為PID輸出,另一部分由前饋參數(shù)組成。PID部分是控制系統(tǒng)準確度的保證,主要是根據(jù)設(shè)定值與采樣值之間的偏差量,修改運算輸出數(shù)據(jù),從而達到采樣值與設(shè)定值一致。前饋部分是控制系統(tǒng)快速性的保證,主要是根據(jù)給水流量的變化,快速改變控制系統(tǒng)的運算量,從而減小控制系統(tǒng)在外部干擾下,達到設(shè)定值的快速性。結(jié)合自動加氨控制特點,設(shè)計復合式PID控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)實時采集給水流量,根據(jù)給水流量進行加氨量前饋比例調(diào)節(jié),同時采集省煤器入口電導率值,與電導率設(shè)定值比較,進行PID調(diào)節(jié),兩者疊加后,實現(xiàn)復合式PID控制,改變加氨泵的頻率,實現(xiàn)給水pH自動平穩(wěn)控制,自動加氨控制原理如圖3所示。

圖3 自動加氨控制原理

3 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

a.根據(jù)給水氨含量與pH值和電導率的關(guān)系,調(diào)節(jié)作用選擇反作用,即電導率低于設(shè)定值,增加調(diào)節(jié)器輸出,使加氨計量泵輸出頻率增加。反之亦然。

b.前饋參數(shù)擬合。根據(jù)以往運行工況,總結(jié)給水流量與加氨計量泵頻率之間的關(guān)系,擬合滿足給水電導率調(diào)整要求的關(guān)系曲線。再根據(jù)實際運行情況調(diào)整前饋參數(shù)K值,一般設(shè)定為0.8左右,既能滿足負荷快速變化的要求,也能粗調(diào)給水電導率值。

c. PID參數(shù)整定。采用經(jīng)驗法進行摸索,開始只采用比例作用,積分時間Ti=∞,微分時間Td=0,比例增益Kp=0.5,觀察特性曲線情況進行調(diào)整。曲線振蕩過小,應加大比例增益,調(diào)節(jié)過于緩慢,余差過大,則減小比例增益,直到衰減率基本合乎要求。再加入積分作用,當余差消除變慢,則加強積分作用縮短積分時間,當被調(diào)量發(fā)生振蕩,則減弱積分作用增大積分時間。根據(jù)實際調(diào)整經(jīng)驗,調(diào)節(jié)系統(tǒng)不采用微分作用即可滿足調(diào)節(jié)要求。

4 實施效果

使用復合PID調(diào)節(jié)的自動加氨控制系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的自動化程度,減小運行人員勞動強度。經(jīng)過半年時間的運行觀察,給水pH值得到精確控制,自動系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

a.通過自動加氨控制系統(tǒng),實現(xiàn)了給水電導率精確控制。機組加氨手動控制時,當機組負荷變化時,需運行人員手動控制加氨計量泵頻率,調(diào)節(jié)加氨量來控制給水電導率。人工調(diào)整存在較大控制偏差,給水電導率無法控制在2.8～3.2 μs/cm,存在忽高忽低的現(xiàn)象,如圖4所示。當機組加氨自動控制、機組負荷變化時,加氨量隨負荷變化自動調(diào)整,給水電導率可控制在2.88～3.15 μs/cm,如圖5所示。

圖4 加氨手動給水電導率控制情況

圖5 加氨自動給水電導率控制情況

b.大幅減少運行人員的操作量。機組加氨手動控制時,運行人員每天調(diào)整加氨計量泵頻率達上百次,且調(diào)整效果較差。機組加氨自動控制時,運行人員幾乎不用調(diào)整加氨計量泵頻率,自動控制完全可以達到控制要求。

c.大大節(jié)省氨水消耗量。機組加氨手動控制時,每月需向2 m3溶液箱增加850 μs/cm氨水6次。機組加氨自動控制后,每月加氨水次數(shù)減少至4次,大大節(jié)省氨水消耗量,2臺機組每年可節(jié)約采購氨水成本2萬元左右。

5 結(jié)語

實踐證明,本系統(tǒng)成本較低簡單易行。采用復合PID控制的給水加氨自動,可實現(xiàn)給水pH的精確控制,滿足加氨系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié),達到良好效果。解決了手動控制難以保證給水水質(zhì)要求、運行人員工作強度大、加氨浪費、熱力系統(tǒng)防腐效果不佳等問題,大大提高了機組的安全性和經(jīng)濟性。