給水調節閥自動控制效果的優化

俞利鋒

(浙江勝利熱電有限公司，浙江 紹興 312000)

給水調節閥自動控制效果的優化

俞利鋒

(浙江勝利熱電有限公司，浙江 紹興 312000)

為優化鍋爐給水調節閥自動控制的效果，對影響給水調節閥控制效果的參數測量的精確性、汽包水位的動態特性、基本的控制原理、參數處理和設備選用的合理性進行了分析研究。對參數的補償修正、控制策略的優化、參數的合理濾波以及設備的合理選型等影響自動控制效果的因素進行了優化處理。實踐表明，通過一系列的優化處理既能優化自動控制的效果，又能延長設備使用壽命。

給水調節閥 自動控制 參數測量 可控性 優化

0 引言

雖然在電力生產中，工業鍋爐汽包水位的自動控制早已得到應用，但是在實際使用中，特別是負荷調節頻繁的熱電產業，由于受到各種因素的干擾和影響，自動控制的效果較差。汽包水位不能穩定控制或控制在合理范圍之內，影響了鍋爐的蒸汽品質和鍋爐的安全運行［1］。如果汽包水位的控制改成手動，則增加了運行人員的勞動強度。汽包水位的不穩定控制，又會使電動調節閥頻繁動作，這樣容易使執行機構的機械部分損傷，影響設備性能以及使用壽命。為優化鍋爐給水調節閥的自動控制效果，需要對以下幾方面進行分析研究和合理處理。

1 控制系統優化處理

1.1 參數的補償修正

參數測量的精確性是提高鍋爐給水調節閥自動控制效果的基礎。在汽包水位的自動控制中，汽包水位、主汽流量和給水流量這些參數直接參與汽包水位的自動控制。而這些參數特性是隨著介質溫度、壓力的改變而改變。如果不進行補償修正，參數的測量值與真實值之間就會存在很大的偏差，從而影響汽包水位自動控制的效果。因此，必須進行補償修正或合理處理。

1.1.1 汽包水位的補償修正

在汽包水位、主汽流量和給水流量這3個參數中，汽包水位被測介質的量程小，所對應單位的電信號值小，導致其測量的分辨率低。

如果不對汽包水位進行補償修正，只要汽包水位參數發生微小變化，那么誤差就會放大，使其測量處于失準狀態。在鍋爐汽包水位的測量中，一次部件一般利用雙室平衡容器或單室平衡容器。無論利用哪種平衡容器，要提高參數的精確性，必須對汽包水位進行溫度和壓力的補償。

以雙室平衡容器為例，為簡化測量的復雜性，對溫度的補償通常根據《電力建設施工及驗收技術規范(熱工儀表及控制裝置篇)》的要求和設計規范對雙室平衡容器的外面進行保溫，使里面的汽、水更接近于飽和蒸汽和飽和水［2］。

對于壓力的補償則運用式(1)，然后再對(ρW-ρS)與汽包壓力P進行拆線函數運算，這樣就提高了汽包水位測量的精確性［3］。

式中:h為水位;L為汽包水位測量總高度;h0為汽包水位測量總高度的一半;ΔP為差壓;ρW為飽和水密度;ρS為飽和蒸汽密度;g為重力加速度。

1.1.2 主汽流量的補償修正

對于過熱蒸汽而言，只要壓力、溫度發生變化，其蒸汽密度必定發生變化。為了能夠比較準確地測量主汽流量，一般使用流量噴嘴作為差壓式流量計的測量設備［4］。通過DCS組態軟件對主汽流量進行溫壓補償，得到的主汽流量測量值精確性很高，幾乎等于真實值。

1.1.3 給水流量的補償修正

對于給水流量而言，由于水介質隨溫度和壓力的改變對水流量的影響并不是很大，無須進行溫壓補償，只要設計流量裝置時按照接近的原則進行制造即可。

通過上述參數修正處理，能提高參數測量的精確性，從而為自動控制效果的優化提供基礎。

1.2 控制策略的優化

要提高給水調節閥的自動控制效果，還要優化自動控制的策略。首先需要了解參數的動態特性、PID的控制原理以及實際運行方式，才能確定汽包水位的控制方案以及調整PID控制和前饋控制的系數。

1.2.1 動態特性分析

由汽包水位的物理特性可知，只要汽包中的儲水量和水面下氣泡容積發生變化，汽包水位就會受到影響。而鍋爐的蒸發量、給水流量和燃燒工況變化是影響水位變化的主要因素。

當給水流量在t1時刻突然增加ΔW后，給水流量雖然大于蒸發量，但由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量，使水面下氣泡容積減小，所以擾動初期水位不會立即升高。當水面下氣泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位就反映出由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升的趨勢。最后當水面下氣泡容積不再變化時，由于進、出流量不平衡，水位將以一定的速度上升。給水流量擾動下的汽包水位曲線圖如圖1所示。

圖1 給水流量擾動下汽包水位曲線圖Fig.1 Curves of drum water level disturbed by feedwater flow

在燃料不變的情況下，主汽流量瞬間突然增加，必然導致汽包壓力下降，汽包內水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個水位抬高形成虛假水位。經過一個慣性后，由于蒸發量大于給水流量，汽包水位逐漸呈下降趨勢。主汽流量擾動下的汽包水位曲線圖如圖2所示。

圖2 主汽流量擾動下汽包水位曲線圖Fig.2 Curves of drum water level disturbed by main steam flow

當蒸發量和給水流量不變時，增加鍋爐的燃料同樣也會形成虛假水位，但它的影響比突然增加蒸發量要小。因此，要消除來自汽包水位的內部擾動和外部影響，就需要采用一個合適的PID調節控制方案。

1.2.2 PID控制原理

PID控制是比例、積分、微分控制，它是一種基本的控制方式［5］。

比例調節作用是按比例反映系統的偏差，系統一旦出現偏差，比例調節立即產生作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調節，減少誤差，但是過大的比例，會使系統的穩定性下降，甚至造成系統的不穩定。

積分調節作用是使系統消除穩態誤差，提高無差度。有誤差，積分調節就進行，直至無誤差，積分調節才停止。

積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti，Ti越小，積分作用就越強，反之Ti越大，則積分作用弱。加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另外兩種調節規律結合，組成PI調節器或PID調節器。

微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢。因此，微分調節能產生超前的控制作用，即偏差還沒有形成之前已被消除，可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適的情況下，可以減少超調和調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的加微分調節，不利于系統抗干擾。

微分反映的是變化率，當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調節規律相結合，組成PD或PID控制器。

1.2.3 控制方案的確定

熱電聯產行業的負荷調節沒有火電行業的負荷調節那么穩定。在正常運行時，鍋爐的主汽流量隨著用戶用熱的變化而不斷變化，如果僅用單沖量或雙沖量進行控制，不利于汽包水位的自動控制。因此，為優化汽包水位的自動控制，除了PID串級控制，還要加上主汽流量的前饋控制。

在實際控制中，主汽流量受負荷、燃燒工況等諸多因素的影響，給水流量受給水壓力、調節閥等因素的影響，導致汽包水位控制復雜。為解決這些實際難題，把汽包水位作為主控信號，主汽流量作為前饋信號，給水流量作為反饋信號，構成汽包水位自動控制系統。引入主汽流量前饋信號，可以消除“虛假水位”現象對自動控制的不良影響;引入給水流量反饋信號，可以消除給水側擾動對自動控制的不良影響［6］。

汽包水位三沖量控制策略示意圖如圖3所示。

圖3 汽包水位三沖量控制策略示意圖Fig.3 Schematic of the three elements control strategy for drum water level

圖3中，主調節控制汽包水位，把汽包水位的輸出值與主汽流量的前饋控制值進行加法運算，所得的值作為副調節的給定值;副調節控制給水流量。

理論上，只要副調節與前饋控制設置合理，就有可能消除所有的干擾，那么汽包水位本身的變化就可以依靠主調節進行緩慢調節。

1.2.4 參數的整定

自動控制效果的好壞還取決于參數整定的合理性。由于理論計算的整定參數法計算繁瑣，工作量大，可靠性不高，加上工業過程特性的復雜性，因此，在實際的工業應用中，往往利用工程經驗湊試法來整定PID的參數。

工程經驗湊試法是根據經驗值，先將控制器參數放在一個數值上，在閉合的控制系統中，直接通過改變給定值施加干擾，觀察過渡過程曲線;然后運用P、I和D對過渡過程的影響為指導，按照規定順序，逐個整定比例系數、積分時間和微分時間，直到觀察曲線達到滿意為止［7］。

使用串級控制的調試順序是先整定主調節器，再整定副調節器。

為了達到更好的調節效果，可修正前饋控制系數，使系數從小到大進行整定，直至自動控制效果達到滿意為止。

1.3 控制參數的處理

在汽包水位的自動控制中，控制系統的參與量會受到諸多因素的干擾，對其進行合理的處理也是不可缺少的環節。

首先需要處理汽包水位，該參數的反應速度快。受到干擾時，汽包水位參數反映到坐標圖上是一個個脈沖波形，影響了給水自動控制的效果。如果干擾稍重，就有可能使電動給水調節閥頻繁動作。

為消除給水調節閥不必要的動作，可以通過兩種方法解決:一是在進入PID調節器之前加一個軟濾波器設置，通過設置合理的時間常數，對汽包水位進行濾波處理;二是改變變送器的阻尼時間常數，使輸出的電流信號波形平滑。對于主汽流量和給水流量，如果曲線比較平滑，則可加或不加。如果由于控制或其他原因引起脈沖波形，一般采用第一種方法，因為它們涉及流量的累積計算。

除了上述對參與量作響應調整外，還需要對給水調節閥的電動執行機構靈敏度進行調整，即所謂的電動執行機構死區調整。過高的靈敏度會導致調節閥頻繁動作，影響電動執行機構機械部分以及調節閥的使用壽命;反之過低的靈敏度，又會影響汽包水位控制的穩定性。因此，合理設置電動執行機構的靈敏度，才能達到滿意的控制效果。

根據經驗，一般把電動執行機構的靈敏度設置在2%左右，但最終還是需要根據設備的實際調試結果而定。這樣既不會對汽包水位控制構成影響，又能減少電動調節閥動作的次數，從而達到滿意的自動控制效果。

1.4 設備的合理選型

如果沒有合理的設備選型，實際控制的效果也不會滿意。這是因為軟件設施與硬件設施不匹配，導致輸入信號與輸出信號不能按照要求執行，影響了自動控制的效果。

在汽包水位的自動控制中，涉及的設備有提供PID控制的設備、測量儀表、電動執行機構和調節閥(或用替代電動調節閥控制汽包水位的變頻器)。這些設備均須進行合理的選型。

2 優化處理后的效果

綜合上述分析，優化處理后的效果如下。

①克服了汽包水位的“虛假水位”現象，消除了給水壓力等因素的干擾。

②在給水流量、主汽流量和燃燒工況等發生變化的情況下，較好地完成了汽包水位控制任務，使汽包水位控制在設定值的±15 mm范圍之內。

③當主汽流量發生變化時，給水流量與主汽流量朝著同一方向變化，避免了由于“虛假水位”的影響造成鍋爐給水調節閥的反向控制。

④給水側壓力變化或多爐運行造成給水流量變化時，不用等到汽包水位發生變化，給水調節閥就自動控制，調節滿足正常需要的給水流量。這明顯減小了由于主汽流量、給水流量等因素的擾動導致汽包水位的明顯波動，且縮短了調節時間，使系統快速進入穩態，提高了汽包水位的控制效果。

⑤另外，把分析研究得到的結果應用于生產實踐，在無特殊情況下，給水閥自動調節平均周期約為30 s，延長了給水調節閥的調節時間，減少了給水調節閥的調節次數。

3 結束語

通過以上分析研究和實踐表明，要進行汽包水位自動調節的優化控制，就不能忽視參與控制的各個環節。優化鍋爐給水自動調節的效果，就能提高鍋爐的蒸汽品質，保證鍋爐安全運行，延長設備使用壽命，降低企業的生產成本。

［1］遼寧省電力工業局.鍋爐運行［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］能源部基本建設司.電力建設施工及驗收技術規范(熱工儀表及控制裝置篇)［S］.北京:水利電力出版社，1990.

［3］俞利鋒.壓力補償在汽包水位中的精確應用［J］.自動化與儀器儀表，2007(4):50.

［4］梁福波.流量測量與選型［J］.自動化與儀器儀表，2007(4):54.

［5］胡壽松.自動控制原理［M］.北京:科學出版社，2001.

［6］王偉.工業鍋爐汽包水位自動控制系統設計［J］.自動化與儀器儀表，1999(5):14-17.

［7］戴雅馨.淺析PID參數整定法［J］.純堿工業，2009(6):15-17.

Optimization of the Automatic Control Effect of Feedwater Regulating Valve

In order to optimize the automatic control effect of the boiler feedwater regulating valve，some factors affecting the control effect of feedwater regulating valve are analyzed and researched，such as the accuracy of parameters measurement，dynamic characteristic of drum water level，basic control principle，and the rationality of parameters processing and equipment selection.The factors affecting the automatic control are optimized，such as parameters compensation and correction，control strategy optimization，parameters reasonable filtering and equipment rational selection.Practice shows that automatic control effect is improved and equipment life is extended by conducting a series of optimization processes.

Feedwater regulating valve Automatic control Parameters measurement Controllability Optimization

TP273+.1

A

修改稿收到日期:2011-12-06。

作者俞利鋒(1976-)，男，2006年畢業于重慶大學計算機科學與技術專業，工程師;主要從事生產管理與自動化技術研究。