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，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)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)的門檻也變得越來越低。實際上，對于追求經(jīng)濟效益的生產(chǎn)企業(yè)來說，提高生產(chǎn)線自動化程度的有效途徑，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)上進行二次創(chuàng)新與實踐改造。

馬鋼熱電總廠主設(shè)備保護、重要設(shè)備聯(lián)鎖和重要參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，如汽輪機保護、主給水調(diào)節(jié)等，基本上都能實現(xiàn)長時間穩(wěn)定工作，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。但是對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，分析與探究現(xiàn)場生產(chǎn)中多變量系統(tǒng)的控制方式，通過優(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)計出切合實際需要、性能相對穩(wěn)定的控制方式，是本文研究的重點任務(wù)。

1 除鹽水預(yù)熱系統(tǒng)

我廠5#鍋爐設(shè)計給水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。通過兩路閥門調(diào)節(jié)給水量后，使混合水箱混合后出水溫度在102℃，進入煙氣換熱器中。通過煙氣加熱后進入除氧器補水母管中。

此系統(tǒng)有DCS控制器全自動控制，并在機爐集控室配置DCS操作員站，可在PC圖形界面監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，見圖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、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）、煙道熱交換器（出水溫度傳感器、放氣閥門、排水閥門、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、系統(tǒng)隔絕電動截止閥）、DCS系統(tǒng)操作工作站。

本系統(tǒng)設(shè)計為全自控調(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)閥門開度和凝結(jié)水閥門開度。

根據(jù)系統(tǒng)排煙溫度調(diào)節(jié)水泵變頻。

監(jiān)測系統(tǒng)除鹽水溫度、壓力。

監(jiān)測系統(tǒng)凝結(jié)水溫度、壓力。

監(jiān)測系統(tǒng)水泵運行狀態(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)兩個控制回路，可以通過凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥、除鹽水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷熱水比例來控制混合水溫度，也可以通過變頻泵調(diào)節(jié)進入煙氣換熱器的混合水流量來控制系統(tǒng)排煙溫度。

排煙溫度控制回路,見圖2，有一個被控對象，一個執(zhí)行器，執(zhí)行器（變頻泵）接受DCS自動調(diào)節(jié)指令，對被控對象（排煙溫度）進行反作用調(diào)節(jié)。當(dāng)排煙溫度過高時，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，本文不作重點介紹。

圖2 排煙溫度控制回路

混合水溫控制回路，見圖3，是一個被控對象，有兩個執(zhí)行器。被控對象（混合水溫）既受執(zhí)行器1（凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥）的開度影響，又受執(zhí)行器2（除鹽水調(diào)節(jié)閥）的開度影響。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子回路

同時，兩個執(zhí)行器間不存在直接的因果聯(lián)系，亦無法構(gòu)成串級控制回路，只能作為兩個獨立的子控制回路。對于被控對象混合水溫，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。

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

兩個子調(diào)節(jié)回路相互耦合，接受同一設(shè)定值（設(shè)計102℃），通過2臺相互獨立的流量調(diào)節(jié)閥，控制同一被控對象（混合水溫度）。主要采用是在PI調(diào)節(jié)邏輯層增加一項強制“聯(lián)動命令”（設(shè)備跳手動時，該項邏輯無效），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運算命令）。當(dāng)被控對象出現(xiàn)過調(diào)或者跟蹤不及時，即可通過這樣的特定“聯(lián)動”命令，使得兩臺設(shè)備都能及時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度，使得整體調(diào)節(jié)控制都能穩(wěn)定地工作。

通過組態(tài)邏輯優(yōu)化、PI參數(shù)整定等方式，降低或消除過程控制的震蕩和超調(diào)，提高（多變量控制系統(tǒng)）自動調(diào)節(jié)的可靠性，最終實現(xiàn)該工藝過程的完全自動控制，降低運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)閥管徑相對較小（DN100），除鹽水回路對被控參數(shù)的調(diào)節(jié)相對較弱（不考慮比熱容公式計算），除鹽水調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)邏輯，不作任何強制“聯(lián)動”，使其能全程穩(wěn)定調(diào)節(jié)，消除靜態(tài)偏差，達到精調(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)水流量過大時，除鹽水管路有時候會出現(xiàn)明顯憋壓，限制除鹽水調(diào)節(jié)效果），所以要對凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥的PI調(diào)節(jié)邏輯，增加強制“聯(lián)動命令”，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)閥增加了強制“聯(lián)動命令”邏輯，經(jīng)最終調(diào)試確定，其簡要邏輯如下幾條（實際組態(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/手動”切換功能。

（2）凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥切“自動”狀態(tài)時，調(diào)節(jié)器對設(shè)定值（混合水溫度102℃）的偏差信號進行PI運算，凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥接受調(diào)節(jié)器的運算輸出指令工作，消除混合水溫偏差。

（3）當(dāng)凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥處于“自動”狀態(tài)，如果除鹽水調(diào)節(jié)閥開度反饋（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）將強制設(shè)置為90%。該設(shè)置僅對調(diào)節(jié)器輸出起作用，對調(diào)節(jié)器的偏差輸入及內(nèi)部PI運算并無影響。

（4）凝結(jié)水調(diào)節(jié)閥切“手動”狀態(tài)時，崗位人員可以通過操作盤手動控制調(diào)節(jié)閥的開度。第（2）、（3）條邏輯無效。

以上第（3）條邏輯，也就是我們之前提到的強制“聯(lián)動命令”，主要功能就是在控制混合水溫的同時，讓2臺調(diào)節(jié)閥都能處于較大的閥門開度位置，以達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)此處不作詳見介紹）。

溫度調(diào)節(jié)回路普遍都具有高滯后性，尤其對于多變量調(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)常會出現(xiàn)被控參數(shù)過調(diào)震蕩或者調(diào)節(jié)不及時等現(xiàn)象，使得自動調(diào)節(jié)功能無法投用。我們通過增加“聯(lián)動命令”的方式，把2臺調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)工作范圍限制在部分開度區(qū)域，保證自動調(diào)節(jié)長期處于系統(tǒng)基本工況下，能夠應(yīng)對絕大多數(shù)的工況干擾波動（主要是機組負(fù)荷及凝氣器補水量變化導(dǎo)致的凝結(jié)水母管溫度變化），設(shè)備全程無需切回手動調(diào)節(jié)。

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

圖5 調(diào)試曲線圖

在整個調(diào)節(jié)過程中，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)場生產(chǎn)中多變量系統(tǒng)的控制方式，通過優(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，通過在PI調(diào)節(jié)邏輯層增加一項強制“聯(lián)動命令”，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度區(qū)域，自動調(diào)節(jié)長期處在系統(tǒng)基本工況下，系統(tǒng)能夠應(yīng)對絕大多數(shù)的工況干擾波動，這樣就保證了自動調(diào)節(jié)能夠長時間穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)整體自動化的程度。