鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

毛永康，王雪晶，董文琦，曹玉波*

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院,吉林 吉林 132022；2.吉林石化公司 合成樹脂廠，吉林 吉林 132021)

汽包作為鍋爐生產(chǎn)過程中重要的蒸發(fā)設(shè)備，其良好的液位控制是工業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量保證的關(guān)鍵[1].在運(yùn)行過程中，汽包水位需始終處于程序設(shè)定的安全位置，過高或過低都會(huì)對(duì)鍋爐的運(yùn)行質(zhì)量和安全系數(shù)造成影響.據(jù)統(tǒng)計(jì)，約25%的鍋爐事故均由汽包水位異常波動(dòng)引起[2].因此，將汽包水位控制在安全范圍內(nèi)，對(duì)鍋爐安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行具有重要意義.

近年來，關(guān)于鍋爐汽包液位的先進(jìn)控制方法不斷被提出，如李一良設(shè)計(jì)了一款基于DCS系統(tǒng)的汽包液位控制系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)通過與緊急停車系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了汽包的連鎖控制，但對(duì)液位反復(fù)波動(dòng)、調(diào)節(jié)時(shí)間過長等問題未能實(shí)現(xiàn)良好的控制改進(jìn)；田剛使用模糊-PID控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽包液位超調(diào)量的有效控制[4]；袁俊文提出了一種將模糊控制理論與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制方法[5]，二者均采用了更為先進(jìn)的模糊控制方案，但仍停留在理論研究階段，無法在PLC和實(shí)際工程中得到廣泛的應(yīng)用.本文基于西門子300-PLC其特有的梯形圖編程指令、豐富的尋址方式和獨(dú)有的FB41數(shù)據(jù)處理模塊，將微分先行算法與PID控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了汽包液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)；采用上位機(jī)與下位機(jī)協(xié)同控制的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警處理以及參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)投運(yùn)后，有效改善了液位反復(fù)波動(dòng)和超調(diào)量過大的問題，提高了液位控制的穩(wěn)定性，在實(shí)際工程中取得了良好的控制效果.

1 鍋爐汽水循環(huán)工藝流程及控制要求

鍋爐汽包液位的控制在鍋爐的蒸汽產(chǎn)量、品質(zhì)及降低能耗、安全生產(chǎn)等方面起著重要的作用[6].液位過高，汽水分離裝置受到破壞，影響系統(tǒng)的蒸發(fā)效率；液位過低，造成鍋爐水循環(huán)管的損壞，燒毀汽包.由此可見，汽包液位的穩(wěn)定對(duì)鍋爐高效生產(chǎn)具有十分重要的意義.鍋爐汽水循環(huán)工藝流程如圖1所示，經(jīng)省煤器預(yù)加熱處理后的水進(jìn)入汽包后，由于溫度的不同帶來水的比重也不同，給水在進(jìn)入汽包后先向下移動(dòng)進(jìn)入下降管，流入爐底的下聯(lián)箱，后經(jīng)上升管進(jìn)入水冷壁吸收爐膛的輻熱，在吸收大量的熱量后發(fā)生相變形成汽水混合物進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)進(jìn)行水汽分離[7]，分離出的飽和蒸汽經(jīng)過過熱器形成過熱蒸汽送往生產(chǎn)負(fù)荷設(shè)備進(jìn)行供能，分離出的水回到汽包進(jìn)行下次循環(huán).液位PID控制為主回路，流量PID控制為副回路.其中，主回路設(shè)置汽包液位控制器，其輸出與蒸汽流量變送值共同作為副控制器的輸入給定值；副控制器設(shè)置進(jìn)水流量控制器，其輸出作用于進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的開度值.

2 汽包液位三沖量控制方案及控制算法設(shè)計(jì)

2.1 三沖量控制方案

汽包液位控制的目的是克服蒸汽負(fù)荷變化等擾動(dòng)作用對(duì)液位的影響，維持汽包液位在允許的范圍內(nèi)變化.目前在工業(yè)汽包液位控制系統(tǒng)中，針對(duì)不同的控制信號(hào)衍生出了單沖量、雙沖量和三沖量控制系統(tǒng).

鍋爐作為一個(gè)多輸入多輸出、相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)且具有非線性和時(shí)間滯后的系統(tǒng)[8-9]，若采用普通單沖量單回路控制，無法改善“虛假液位”現(xiàn)象和進(jìn)水量突變帶來的影響，而三沖量控制是在雙沖量的基礎(chǔ)上加入進(jìn)水流量控制信號(hào)，組成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)不僅可以有效克服“虛假液位”現(xiàn)象，對(duì)進(jìn)水?dāng)_動(dòng)也起到了快速調(diào)節(jié)的作用，維持了汽包液位的穩(wěn)定.為了可以有效控制內(nèi)部和外部干擾對(duì)液位帶來的影響，此次系統(tǒng)首先構(gòu)建了流量副控制器消除系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)水流量的干擾，之后以液位主控制器的輸出作為流量副控制器輸入的給定值，使流量控制器按照汽包液位高度的要求進(jìn)行工作，同時(shí)將蒸汽流量信號(hào)引入到系統(tǒng)的前饋控制環(huán)節(jié)當(dāng)中，由此構(gòu)成了三沖量液位-流量串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2所示.

在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，汽包液位值不變，主調(diào)節(jié)器的輸出不變，流量調(diào)節(jié)器僅會(huì)按副回路測量值和給定值進(jìn)行比較調(diào)節(jié)，控制進(jìn)水調(diào)節(jié)閥的開度，使汽包液位向設(shè)定高度調(diào)節(jié).

當(dāng)汽包液位發(fā)生變化時(shí)，主調(diào)節(jié)器不斷改變副調(diào)節(jié)器的輸入值，副調(diào)節(jié)器按照設(shè)定值和現(xiàn)場實(shí)際值進(jìn)行比較并輸出控制調(diào)節(jié)閥的開度，直到汽包液位重新穩(wěn)定到設(shè)定值為止.

2.2 微分先行-PID控制算法

主控制器以偏差作為輸入，采用PID控制算法，其比例、積分環(huán)節(jié)輸入信號(hào)為：

E1(k)=R(k)-H(k),

(1)

微分部分采用微分先行算法，其微分環(huán)節(jié)輸入信號(hào)為：

ΔH(k)=H(k)-H(k-1),

(2)

式中，E1(k)為采樣時(shí)刻主回路液位高度偏差；R(k)為采樣時(shí)刻主回路液位設(shè)定值；H(k)為采樣時(shí)刻主回路液位實(shí)際值；H(k-1)為上一采樣時(shí)刻主回路液位實(shí)際值；ΔH(k)為液位高度變化量.PLC系統(tǒng)采用循環(huán)掃描、順序執(zhí)行的工作方式，本次采樣周期控制器輸出值與上一采樣周期控制器輸出值作差值運(yùn)算處理，可得第k次主控制器增量為：

ΔU1(k)=Kp1[E1(k)-E1(k-1)]+Ki1E1(k)+ΔUd1(k),

(3)

其中：

式中，Kp1為主回路比例系數(shù)；Ki1=Kp1/Ti為主回路積分系數(shù)；Kd1=Kp1·Td為主回路微分系數(shù)，γ為增益系數(shù)，γ<1.

整理公式(1)～(3)可得液位控制器輸出：

U1(k)=ΔU1(k)+U1(k-1).

(4)

3 汽包液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 上位機(jī)操作畫面設(shè)計(jì)

本次監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子公司的WinCC7.0組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了人機(jī)接口畫面，能夠監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及檢測儀表的參數(shù)反饋信息等.整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要由工藝流程總畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、歷史曲線畫面組成[10].

汽包液位控制系統(tǒng)中電氣設(shè)備主要由一臺(tái)循環(huán)泵和一個(gè)調(diào)節(jié)閥構(gòu)成[11]，由現(xiàn)場操作人員進(jìn)行啟動(dòng)控制，在監(jiān)控畫面內(nèi)可以觀測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和調(diào)節(jié)閥開度大小.系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行后，給水調(diào)節(jié)閥持續(xù)產(chǎn)生作用使汽包內(nèi)液位穩(wěn)定在要求范圍70～85 cm內(nèi)，監(jiān)控畫面實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù).當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，給水泵由程序控制持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，保證汽包內(nèi)水量充足，在自動(dòng)或者手動(dòng)模式下，操作人員可以在畫面中對(duì)設(shè)備進(jìn)行急停控制，保證生產(chǎn)安全，如圖3所示.

系統(tǒng)操作畫面具有顯示、查詢、報(bào)警及報(bào)表等功能.在參數(shù)設(shè)定畫面中，可根據(jù)工藝需求以及系統(tǒng)的運(yùn)行情況，設(shè)置控制器參數(shù)，對(duì)液位和流量等參數(shù)設(shè)置報(bào)警限值；趨勢曲線畫面，以曲線方式實(shí)時(shí)顯示液位和流量等參數(shù)信息變化趨勢，便于觀察參數(shù)的實(shí)際情況；利用報(bào)表功能，可以記錄現(xiàn)場生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)的變化情況，根據(jù)需求查詢、打印歷史信息.

3.2 下位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

3.2.1 三沖量控制程序

汽包液位信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)共同組成了汽包液位控制系統(tǒng)的三沖量.蒸汽流量信號(hào)和主控制器輸出U1作為副控制器FIC103的給定值，與給水流量信號(hào)作差值運(yùn)算得到系統(tǒng)偏差E2，通過FB41模塊計(jì)算后輸出控制信號(hào)U2，經(jīng)模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)化為電信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)給水流量，實(shí)現(xiàn)液位的定值控制[12].汽包液位三沖量控制程序如圖4所示.

3.2.2 微分先行-PID控制器實(shí)現(xiàn)

在PLC控制程序中，采用微分先行-PID控制算法進(jìn)行LIC103主控模塊的設(shè)計(jì).將汽包液位設(shè)定值與測量值的偏差E1，作為控制器比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，微分環(huán)節(jié)采用微分先行算法只對(duì)輸出量微分而不對(duì)輸入量微分的控制結(jié)構(gòu)，將液位增量值ΔH(k)作為微分環(huán)節(jié)的輸入信號(hào)，經(jīng)PLC運(yùn)算后得到控制量信號(hào)U1.微分先行-PID控制器程序如圖5所示.

3.3 汽包液位控制系統(tǒng)應(yīng)用

傳統(tǒng)PID控制與微分先行-PID控制效果對(duì)比曲線如圖6所示.

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，隨著輸入量的變化要求，系統(tǒng)脫離了原來的穩(wěn)定狀態(tài)，通過觀察，常規(guī)PID和微分先行-PID控制都能調(diào)節(jié)至系統(tǒng)穩(wěn)定，但微分先行-PID控制在跟蹤設(shè)定值階躍變化時(shí)的響應(yīng)速度更快，控制輸入信號(hào)(給水流量)的調(diào)節(jié)更為迅速.由表1實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比可知，微分先行算法的應(yīng)用不僅降低了系統(tǒng)的超調(diào)量，減少了系統(tǒng)的過渡時(shí)間，并且有效改善了調(diào)節(jié)過程中液位波動(dòng)的問題，使系統(tǒng)的整體控制效果優(yōu)于常規(guī)PID控制.

表1 實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比

4 結(jié) 論

本文在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中，選用西門子S7-300 PLC作為控制核心，在PID單回路的基礎(chǔ)上，結(jié)合微分先行控制算法設(shè)計(jì)了液位-流量串級(jí)PID控制系統(tǒng)，改善了液位反復(fù)波動(dòng)和超調(diào)量過大的問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性.利用WinCC組態(tài)軟件組建了人機(jī)交互畫面，對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的集中監(jiān)控和操作控制提供了幫助.系統(tǒng)投運(yùn)后穩(wěn)定運(yùn)行，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了系統(tǒng)的抗干擾能力，人機(jī)交互畫面良好，汽包液位穩(wěn)定在安全范圍內(nèi).