基于PKS系統鍋爐溫度控制的研究

趙波，張寶,2

（1. 河南理工大學，河南 焦作 454174）

（2. 中鋁中州鋁業有限公司，河南 焦作 454174）

基于PKS系統鍋爐溫度控制的研究

趙波1，張寶1,2

（1. 河南理工大學，河南 焦作 454174）

（2. 中鋁中州鋁業有限公司，河南 焦作 454174）

1 引言

鍋爐出口溫度的穩定控制十分重要，太高浪費燃料，太低則不能達到工藝的要求。本文針對鍋爐的溫度進行了研究，運用串級控制方式，以鍋爐為被控對象，以鍋爐出口水溫為主被控參數，以爐膛內水溫為副被控參數，首先進行了理論的研究，利用仿真軟件對串級回路各參數的變化對鍋爐溫度的影響進行了仿真研究。在生產實踐中，利用霍尼韋爾PKS DCS為控制器，構成鍋爐溫度串級控制系統；采用PID算法，運用DCS功能塊圖編程語言進行編程，實現鍋爐溫度的自動控制。

2 鍋爐溫度串級PID控制研究

（1）鍋爐溫度控制現狀

現有鍋爐溫度共有三個測點，測點1和2分別安裝在蒸汽管道的中間位置，距離比較近，測點3安裝在蒸汽管道的出口位置，通過現場的熱電偶元件（K型號）傳給溫度變送器，再通過溫度變送器傳到DCS系統，進而對蒸汽溫度進行測量。三個溫度測量點量程都是0℃～800℃，正常工作下，溫度不會低于515℃或者高于545℃，所以正常運行時汽包溫度應在正常溫度15℃上下范圍波動。

（2）串級調節回路特點分析

主蒸汽溫度調節的主要困難在于引起蒸汽溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐膛受熱面結焦和過熱器積灰的變化等，都會使主蒸汽溫度發生變化。其中起主要作用的是蒸汽流量和減溫水流量兩個方面。由于被控對象（過熱器通道）具有較大的延遲和慣性以及運行中要求有較小的溫度控制偏差，所以采用單回路調節系統往往不能獲得較好的調節品質。針對主汽溫調節對象調節通道慣性延遲大、被調量信號反饋慢的特點，應該從對象的調節通道中選擇一個比被調量反應快的中間點信號作為調節的補充反饋信號，以改善調節通道的動態特性，提高調節系統的控制品質。

（3）主蒸汽溫度調節系統的組成及原理

圖1為主蒸汽溫度調節原理圖，正常運行時，主要是通過兩級減溫器來調節主蒸汽溫度。第一級噴水減溫器設在分隔屏出口，用以保護后屏不超溫，作為過熱器溫的粗調；第二級噴水減溫器設在后屏出口，作為細調，一級和二級噴水減溫控制系統均系串級控制系統。一級噴水減溫控制系統調節的主參數為后屏出口溫度，副參數為一級減溫器出口溫度（作為前饋信號）。二級噴水減溫控制系統的被控對象為末過出口溫度，副參數為二級減溫器出口溫度（作為前饋信號）。由于兩級減溫器調門的開度與正參數不是成比例關系，因此正常運行時應保持減溫器具有一定的開度。

圖1 主蒸汽溫度調節原理圖

3 鍋爐溫度串級PID控制系統設計

由圖2可以看出，此串級控制回路是用兩個串聯的PID控制器和一個執行器來控制主汽溫度。其基本原理就是系統根據主蒸汽溫度設定值和反饋值y1的偏差e，作為主調節器的輸入，主調節器經過PID運算后的輸出u，作為副調節器的輸入設定值，此設定值與二級噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為二級過熱器出口溫度調節器的輸入，其輸出u2作為執行器的輸入動作指令。一般在主蒸汽溫度調節系統中，副調節回路動態特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調節過程快得多，當副回路消除噴水擾動時，主蒸汽溫度基本上不受影響。因此，當副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號e成比例變化。

圖2 主蒸汽溫度調節系統方框圖

4 鍋爐溫度串級PID控制MATLAB仿真研究

PID Controller 模塊的結構圖如圖3所示。

圖3 PID Controller 模塊結構圖

通過用PID控制器、模糊控制器和模糊PID控制器分別對系統進行控制，可以得到響應曲線如圖4所示。

圖4 三種控制對比的響應曲線圖

黃色為PID控制曲線，綠色為模糊PID控制響應曲線，紫色為模糊控制響應曲線。從圖中可以看出基于模糊PID控制器的系統的性能指標為：調節時間Ts=450秒，超調量δ=27%，穩態誤差為ess=0，由仿真的曲線很容易看出，采用串級PID的方法來控制鍋爐溫度，可以使系統超調小、穩定性高，而且調節時間也顯著減少了。

當模型參數改變時，假設模型變為GS=1/（1+60S），用上述三種方法對其通過以上對PID控制、串級控制和模糊自整定PID控制三種方案的理論分析和仿真研究，不難得出：用PID方法來控制系統容易產生超調和振蕩；而串級控制雖說可以減少控制系統的振蕩，卻產生了穩態誤差，并且穩態誤差比較大；最后采用模糊PID的方法來控制系統既克服了單純采用PID控制及模糊控制的缺點，同時也使系統實現了超調量小、調節時間短、穩態誤差小的性能指標。因此本文選用模糊自整定PID串級控制為鍋爐溫度控制系統的控制方案。

5 鍋爐溫度串級控制的實現

（1）組態邏輯控制

此主蒸汽溫度一共有3個，位號分別為：G7TT0271、G7TT0272、G7TT0273，測點1和2分別安裝在蒸汽管道的中間位置，距離比較近，測點3安裝在蒸汽管道的出口位置，通過現場的熱電偶元件（K型號）傳給溫度變送器，再通過溫度變送器傳到DCS系統，進而對蒸汽溫度進行測量。從鍋爐出來的蒸汽溫度經過二級減溫，分為1級減溫水減溫和2級減溫水減溫，每個減溫站又分為南側和北側減溫裝置，通過人工調節1、2級南側和北側的減溫水調節閥開度來控制減溫水流量以達到減溫目的，在二級減溫裝置出來后得到需要的蒸汽溫度。G7TV0043代表二級減溫水1#調節閥回路，G7TV0044代表二級減溫水2#調節閥回路。

兩個串級PID回路分為主控制回路和副控制回路。

主控制回路（G7TV0043PID）用三取中的方法對三個水位進行選取，三個溫度分別為G7TT0271、G7TT0272、G7TT0273，用signalsela塊進行三取中的算法將輸出的值作為PV值，然后與主蒸汽溫度的設定值進行比較作為副調節器的輸入值。主控制回路組態畫面如圖5所示。

副控制回路G7TV0043Y和G7TV0044Y（如圖6所示）、G7TT0251和G7TT0253分別為二級減溫水溫度值，作為副控制回路的輸入值PV，和主回路的輸入值（即G7TV0043PID的OP），兩者進行比較，然后進行PID調節，最后輸出到二級減溫水調節閥的給定值，去控制減溫水閥的開度大小。

（2）手動回路保護

如果遇到鍋爐運行狀況不穩定，或者由于工藝變化，導致PID運行性能不好或下降時，可以人工進行手動調節，暫時可以調控生產需要。

由圖7調節畫面可以看到，左側為主控制回路的調節畫面，右圖為副控制回路的調節畫面，其MD（即Mode）分別為AUTO和CAS方式，說明是在自動狀態，若出現緊急情況，可把MD設置為MAN，即手動模式，根據工藝需要進行溫度的調節。

圖5 主控制回路組態畫面

圖6 副控制回路之G7TV0043Y和G7TV0044Y

圖7 自動調節畫面顯示

（3）結論

系統設計完成后的調節畫面如圖8所示：

圖8 最終的調節畫面

查看溫度趨勢圖如圖9所示：

圖9 溫度趨勢畫面

串級PlD控制系統主汽溫度趨勢圖的波動可以看出，副調節器起粗調作用，主調節器起細調作用，當減溫水流量發生擾動或者副回路受到其它外來的擾動時，通過副調節器的調節作用能盡快消除擾動，減弱對主汽溫度的影響。主蒸汽溫度在擾動作用下，波動范圍在±5℃，完全滿足實際工藝要求。

6 結語

前饋控制是將擾動信號經前饋控制器處理后用以消除擾動對被調量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。由自動控制原理知道，擾動補償屬于開環控制。前饋控制對系統的穩定性無影響，只要原系統是穩定的，施以前饋控制后，系統仍然穩定。只能對于可以測量的擾動作用進行擾動補償。前饋控制器的結構、參數取決于被控制對象與擾動通道的特性。從本設計系統可知，此系統對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應，具有較高的調節質量和調節精度，能夠維持汽包水位的穩定，保障機組的安全穩定運行。

通過此次系統控制系統的設計，可看出PKS系統具有強大的硬件和軟件功能，能很好地實現系統的設計要求，采用串級PlD控制對主汽溫調節進行改造，串級PID控制系統主、副兩個調節回路的工作相對比較獨立，系統投運時的整定、調試直觀方便。其實際控制效果良好。

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Study on Control of Boiler Temperature Based on PKS System

本文采用霍尼韋爾PKS系統進行鍋爐溫度系統的設計，對于鍋爐溫度的控制提出了采用串級方式進行調節，通過理論和實際相結合，對串級控制系統的原理進行探討，通過Matlab仿真軟件，研究最優控制的參數，并在PKS系統中通過程序組態和畫面顯示，達到良好的調控效果，最后驗證相關結論。

鍋爐溫度；PKS系統；串級；Matlab軟件

In this paper, the Honeywell PKS system is used to design the temperature system of boil, and the cascade control is proposed to control the boil temperature. By combining theory and practice, the principle of the cascade control is studied. By the Matlab software, the optimal control parameters is studied, and it can therefore achieve the good control affect by using routine configuration and image display in the PKS system. Finally, the related results are demonstrated.

Boiler temperature; PKS system; Cascade; Matlab software

B

1003-0492(2016)03-0082-03

TP273

趙波（1956-），男，博士，教授，博士生導師，現任河南理工大學機械與動力工程學院院長，享受國務院政府特殊津貼，河南省省管優秀專家，省杰出人才創新基金獲得者，省跨世紀學術技術帶頭人，機械工程省一級重點學科帶頭人，省先進制造技術創新型科研團隊帶頭人，省高校優秀共產黨員。

張寶（1984-），男，湖北棗陽人，中級人力資源師，本科，2008年畢業于武漢科技大學人力資源專業，現就職于河南焦作中鋁中州鋁業有限公司人力資源部。