基于PID控制的蒸汽恒壓調節

魏玉紅

（青海省工業職業技術學校，青海 西寧 810021）

1 傳統蒸汽減壓裝置及其弊端

鍋爐額定蒸汽壓力為1.0－2.5MPa。為保證蒸汽傳輸速率，滿足熱負荷壓力需求，減少傳輸熱損失，在兼顧安全的前提下，蒸汽傳輸壓力要大于熱負荷額定工作壓力，因此，在分氣缸前段增設減壓閥以滿足生產所需壓力。一般情況下，板式換熱器額定工作壓力為1.2MPa，系統傳輸壓力為1.6MPa，經減壓閥降壓后分氣缸壓力為1.2－1.4MPa，隨著被加熱介質循環散熱，板式換熱器一次側蒸汽壓力隨熱量變化而變化。由于機械式減壓閥的固定減壓作用，分氣缸內蒸汽壓力在0.8－1.4MPa內波動，導致換熱器工作效率大幅降低，被加熱介質升溫速率受到影響。除此之外，還存在以下不足：（1）當被加熱介質在一個循環周期內熱損失比較小，或主設備停機造成流量小或者無流量的情況下，板式換熱器后端蒸汽壓力會逐漸上升，不能維持設定的壓力；（2）當輸送管路內凝結水較多的情況下，減壓閥會出現誤動作現象；（3）人工壓力設定值不精準，不能根據負荷變化進行調整；（4）特殊情況下不能自動關閉蒸汽通道，存在安全隱患；（5）機械式減壓閥壓力調節范圍及精度受限制，無法滿足精準調整的要求；（6）減壓閥毛細管或平衡孔易堵塞、膜片變形、破裂、泄漏等，會影響系統正常開機。

2 基于電氣控制的蒸汽恒壓調節方式的基本組成

為改善蒸汽系統工作的可靠性，實現蒸汽壓力恒壓控制，需要能夠替代機械式減壓閥的穩壓裝置，既能滿足熱負荷波動的需求，又能確保分氣缸、板式換熱器內正氣壓力穩定在設定值范圍內。因此，設計了基于電氣控制的蒸汽恒壓調節裝置，實現了上述目的，其結構圖如圖1所示。

圖1 電控恒壓蒸汽換熱系統

2.1 基本組成及功能

在分氣缸前段蒸汽進口管道上加裝電動調節閥，通過控制閥門的開度調節系統蒸汽流量。由于蒸汽自鍋爐輸出后，沿途熱損失相對固定，到達電動調節閥前端的壓力也相對固定，因此，控制了蒸汽流量就可控制電動調節閥后端蒸汽壓力。

在分氣缸上加裝壓力變送器檢測蒸汽壓力。一般情況下，分氣缸上安裝有壓力表，但為實現蒸汽流量連續調節的需要，加裝一臺蒸汽壓力變送器，采用3051系列電磁壓力變送器，將壓力信號轉化成電信號，對分氣缸、板式換熱器蒸汽壓力連續檢測并傳輸給控制單元，作為電動調節閥連續控制信號輸入。

控制單元選擇具有PID調節功能的智能數顯控制器，在控制器上設定蒸汽壓力值、在接收壓力變送器信號后，與給定值比較后輸出控制信號給電動調節閥執行器，驅動調節閥打開或關閉，從而實現了蒸汽流量控制，進而連續控制了蒸汽壓力，實現了蒸汽壓力恒壓控制［1］。

工作電源直接在現場選用交流220V電源，根據電動執行器額定電壓選擇加裝控制變壓器。

2.2 主要控制元件選型

電動執行器選用SiemensSKD60型電動液壓執行器，該型執行器具有選擇流量特性、閥位反饋、行程調校、LED狀態指示、優先控制等功能。工作電壓AC24V，輸入控制信號可選擇0－10V、4－20mA或0－1000Ω，通過控制面板操作可選擇線性控制和LOG控制，本文選擇線性控制。

調節閥選用SiemensVVF45型截止閥，該型閥門法蘭型，額定工作壓力1.6MPa，額定工作溫度0－240℃。

具有PID調節功能的控制器選用日本理化RKC CD901型控制器，該控制器是多功能調節儀表，性能可靠。具有自診斷、自整定、智能控制等功能。

蒸汽壓力變送器選用Siemens QBE9000-P16壓力傳感器，它適用于液體或氣體（蒸汽應用）作介質的液壓和氣動系統靜態與動態絕對壓力測量，輸出信號為DC0－10V，最大電流＜4mA，響應時間<2ms，工作電壓為AC 24V、50－60Hz或DC16－33V，最大電流<4mA。

3 基于電氣控制的蒸汽恒壓調節方式的原理分析

基于電氣控制的蒸汽恒壓調節方式原理如圖2所示。

圖2 基于電氣控制的蒸汽恒壓調節方式原理

圖中，QF為自動空氣斷路器，規格為2P 5A；TC為控制變壓器，規格為50W；BP為壓力變送器，型號為日本理工OEB9000-16；AS為數顯控制器，型號為SIENENS RKC CD901；YM為電動液壓執行器，型號為SKD65，配VVF42型閥體。

蒸汽恒壓控制系統工作電壓選擇交流220V，從安全角度考慮，壓力變送器和控制器選擇工作電壓為交流24V，電動調節閥執行器工作電壓為交流220V［4］。如圖3所示，設定蒸汽系統恒壓壓力為0.8MPa，蒸汽輸送壓力為1.2 MPa，

預先設置分氣缸工作壓力范圍為0.6－1.2 MPa，也就是壓力變送器的輸出0－5V信號隨蒸汽壓力按線性關系波動，即分氣缸壓力為0,6MPa時，壓力變送器輸出0V，1.2MPa時輸出5V。

壓力變送器0－5V作為控制器的輸入信號，其輸出給電動執行器的4－20mA控制信號呈反比變化，即分氣缸壓力為0,6MPa時，壓力變送器輸出0V，而控制器輸出20mA，電動閥門開度全部打開，隨著分汽缸壓力的上升，壓力變送器輸出信號從0V開始遞增，而控制器輸出信號自20mA遞減，閥門開度由最大狀態緩慢減小，分氣缸壓力的穩定過程呈振蕩暫態變化，最終分氣缸壓力穩定在設定值上，而壓力變送器輸出值、控制器輸出值、閥門開度均隨壓力設定值穩定在相對固定的范圍內小幅波動。壓力小幅波動的區間稱為控制精度，各元件間的輸入輸出信號波動成為系統響應時間，恒壓控制是相對恒壓，與設定值相比較會存在±δP的誤差，控制精度的誤差是客觀存在的，±δP相對于設定值基本可忽略不計，對整個系統正常運行不構成影響，分汽缸壓力從初始狀態到穩定的設定值暫態時間一般小于5S［2］。系統動態響應曲線如圖3所示,

圖3 動態響應曲線

4 控制器的應用設置

（1）輸入電壓選擇0－5V ，即控制器SL1=1110。

（2）輸出類型選擇4－20mA，即控制器SL6=0111。

（3）第一報警模式ALMI選擇上偏差報警，即控制器SL4=0001。

（4）設置報警繼電器動作時為1，非激勵報警。沒有動作時為0，即SL7=0。

（5）量程設置，量程上限SLH=1.2MPa，量程下限SLL=0.6MPa。

（6）控制器選擇PID自動演算逆動作型［3］。

5 結論

（1）基于電氣控制的恒壓系統可有效地避免機械式減壓閥存在的壓力不穩、誤動作等弊端，具有控制精度高、過渡過程短等特點。

（2）PID調節功能能夠很好的在恒參數系統中發揮作用，不僅可用于恒壓控制，也可根據被控對象的不同用于恒溫控制、恒流量控制等多個方面，具有較廣泛的使用價值［5］。

（3）隨著國內數顯式控制儀表、熱工檢測元件的發展，整個裝置的造價將會越來越低，其經濟性好于機械式減壓閥。

（4）對要求不高的工業場合，目前國內的3051系列變送器、XMT系列數顯儀表、ZA＼ZD等多個系列的產品均能滿足要求，只是在使用壽命和控制精度上稍有差別。