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★侯偉軍，李福軍，軒福杰，史春方（杭州和利時自動化有限公司，浙江杭州310000）

關鍵詞：鍋爐；過熱蒸汽溫度；PID控制；數據預測；和利時DCS；優化控制

1 引言

隨著分散控制系統越來越成熟完善，對鍋爐的自動化控制要求越來越高，蒸汽溫度是機組熱力系統的重要參數之一，其變化幅度直接影響整個機組的可靠性與經濟效益[１]。因此，在機組實際運行過程中，過熱汽溫必須嚴格控制在一定范圍內，當發生擾動時，控制系統必須迅速調節減溫水閥開度，使汽溫維持在設定值±５℃以內，并使整個系統快速達到穩定狀態，由于鍋爐出口溫度控制在調節過程中，存在滯后和延遲，同時在實際工況中又存在燃燒狀況、給水壓力、閥門特性等影響，在變負荷情況下，蒸汽溫度會有很多的變化幅度，導致溫度極易容易控制，本文在通過傳統串級PID的調節基礎上[2，3]，引入狀態判斷和數據趨勢前饋方法，根據鍋爐溫度及其變化趨勢，基于串級控制邏輯，提出3種控制狀態，4個控制分區，有針對地調整減溫水開度，使其更好地滿足變負荷，尤其是全工況，其控制效果明顯。

2 控制對象

鍋爐過熱系統的蒸汽從包墻管出口，經過低溫過熱器、屏式過熱器、高溫過熱器到鍋爐出口，如圖1所示。為了使過熱汽溫達到設定值，鍋爐一般采用兩級噴水減溫裝置。其中一級噴水減溫器設置在低溫過熱器之后，用來控制屏式過熱器出口溫度，使其達到設定值470℃；二級噴水減溫器設置在屏式過熱器之后，用來控制高溫過熱器出口溫度，使其達到設定值538℃，通過調節減溫水閥門控制減溫水流量，使過熱汽溫維持到設定值。

圖1 鍋爐過熱系統

3 控制原理

在常規蒸汽溫度控制中，采用串級PID調節，PID控制器因其結構清晰、魯棒性好、參數調節方便等特點被廣泛應用[4]，可表示如式（1）所示：

（1）式中：K_p為比例因子；K_i為積分增益；K_d為微分增益；e(t)為系統誤差。

在蒸汽溫度控制策略中，來自鍋爐給煤量、風量的變化，都會對鍋爐蒸汽溫度產生擾動，對溫度控制的趨勢和幅度進行過數據趨勢分析，根據變化趨勢，判斷是否控制器動作，同時依據溫度差值變化計算前饋量，疊加到串級PID調節的前饋上，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 控制原理圖

3.1 控制狀態判讀

在常規PID的調節過程中，為了避免調節器長時間微量調節發熱等，保護執行器，一般會設置死區，這種簡單的設置雖然有一定效果，但會產生另外的問題，當溫度從高位降低到死區上限內或從低位上升到死區下限，由于調節器存在死區，溫度會穩定在死區上部或下部，并不是穩定在溫度目標值附近，在實際控制過程中，如果當時溫度在控制溫度的上限附近，這時給煤增加或燃燒增強，溫度就會超標，如果死區設置過小，則減溫水調門會時常調整，就相當于犧牲閥門來保證溫度。在鍋爐實際控制要求中，既要將溫度控制在設定值附近，同時又能及時響應負荷變化，本文通過數據分析將調節器狀態分穩態、暫態、死態三種進行調節，可以很好地解決這種問題。將鍋爐溫度存入數組中，輸出某段時間（內部參數）的平均值，如果|平均值-過程值|＜過程偏差設定值，且|設定值-過程值|＜調節偏差設定值，這時PID處于一種相對穩定的狀態，調節指令保持不變，處于“死態”；如果|平均值-過程值|＜過程偏差設定值，且|設定值-過程值|≥調節偏差設定值，這時控制器處于“穩態”，PID由于過程值在DCS中的掃描周期內變化很小，比例作用對調節的影響不大，需要通過積分作用加速溫度回頭；如果|平均值-過程值|≥過程偏差設定值，控制器處于“暫態”，則按照原參數，正常調整。在圖3中，T3~T4時間段，盡管過程值在設定值死區范圍內（例如±0.5℃），由于歷史趨勢（5分鐘）判定為暫態，PID正常參與調節；在T4~T7時間段，為判定為穩態，由于偏離設定值，PID需要適當增加積分成分（內部調整值，例如1.2倍）參與調節；在T13~T19時間段，判定為死態，PID不參與調節，保持輸出。

圖3 調節狀態判讀

3.2 控制過程分區

由于PID調節數據反饋調節，在調節過程中存在滯后性，對于減溫水這種慣性大的回路，調節過程更加滯后，本文采用對調節進行分區控制策略，將調節分為4個區，如圖4所示，1區正向增長（T6~T9），屬于增向調整區；2區正向回調（T10~T12），需要反向加速回調；3區反向減少（T13~T14），屬于減向調整區；4區反向回調（T16~T18），需要反向加速回調。在調節進入1區初期，由于慣性大，偏差基于PID自身，存在很大的滯后，個別回路達到10分鐘，實際給水調門會因為溫度的滯后性，超調很大，個別會引起震蕩，基于此，在1區會減弱比例積分參數，在進入1區開始階段引入偏差前饋（OCB），提前開啟或關閉減溫水調門，同時根據溫度斜率逐步回收指令，避免因溫度長時間高于設定值，導致減溫水門開度很大，在調節進入2區時，由于PID調節，此時過程值已經開始回頭，需要加速過程值回歸設定值附近，避免減溫水門開度持續在高位，導致減溫水噴入過多，因此溫度一旦開始降低，會低于設定值很多，引入回頭前饋（OCD），在調節過程中，周期性判斷過程值設指定值的整體偏差，如果偏差過大，則整體調整減溫水指令，引入整體前饋（OCC），抬升或降低蒸汽溫度幅度。通過引入3種前饋，既可以快速響應，又可避免超調。

圖4 調節分區

4 控制邏輯實現

在和利時DCS軟件MACSV6中，通過ST語言和CFC語言配合實現。如圖5所示，主調的設定值（SP1）由現場操作人員設定，過程值（PV）為鍋爐出口溫度；主調的輸出作為副調的設定值（SP2），副調的過程值（PV）為二級減溫水噴水后溫度，輸出量（FAO）為現場控制指令；狀態判斷（ZS）在控制器PIO內部邏輯實現，根據鍋爐出口溫度和設定值的變化趨勢，判斷其控制處于具體的4個分區，分別輸出前饋值（OC），如果根據溫度的變化趨勢進行前饋值的回收歸零操作。以OCB為例，鍋爐蒸汽溫度上升進入1區后，會觸發輸出OC，如果溫度繼續上升，則OC保持，鍋爐出口溫度由于控制器的調節和前饋作用的增加，溫度趨于平緩或下降，這時則將OC的逐步減少至零，如果在減少期間，溫度變化趨勢上升，則觸發保持OC。

通過這種邏輯，可以有效地減少溫升的幅度和速率，達到控溫目的。總的來說，在原來控制策略中，需要弱化原來的比例和積分，一旦溫度偏離設定值，通過加速前饋量預動作一部分減溫水調整量進行遏制溫度偏離，如果溫度向設定值回歸，則說明之前調整的減溫水量已經足夠，因為調節滯后，很有可能會多出一部分，這樣正好可以通過回頭前饋量回收一部分減溫水量，避免溫度回到設定值后又繼續偏離很多；在這兩種前饋的作用過程中，有可能會多一部分減溫水或少一部分減溫水，一旦這樣的情況發生，通過整體前饋進行彌補，達到最佳的溫控點。PIO為比例積分微分控制器，增加了位置式和增量式2中前饋，OCB為加速前饋功能塊；OCC為整體前饋功能塊，OCD為回頭前饋功能塊，這3個功能塊對位輸入輸出項一致，便于組態，內部參數不同，通過輸出可以很方便地查看輸出值，有利于調試。控制器PIO輸入側數據見表1，加速前饋OCB輸入側數據見表2，串級主邏輯、前饋邏輯如圖5、圖6所示。

表1 控制器PIO輸入側數據

圖5 串級主邏輯 

表2 加速前饋OCB輸入側數據

圖6 前饋邏輯

5 應用實例

某現場為化工廠供汽中心熱電聯產項目3×540t/h機組，其減溫水采用串級控制系統，通過常規控制策略中，增加了控制器狀態判斷，同時根據數據的變化趨勢進行前饋干預，可以有效地克服煤量、風量、爐膛燃燒狀況對出口溫度的干擾，避免機組其他參數動態超調量對鍋爐出口溫度的影響，整體控制在±2℃內，如圖7、圖8所示。

圖7 優化參數界面

圖8 優化蒸汽溫度曲線

6 結語

通過辨識狀態和數據趨勢前饋進行動態調整及優化，在不需要人工干預的情況下，對控制器調節進行彌補，即在連續的PID控制策略上，增加了類似“開關量”的點觸式控制，提升控制系統的響應速率，提高控制系統的控制精度。該方案控制結構簡單，通過現場修改參數可以很好解決滯后延遲回路，易于工程使用，具有廣闊的應用前景。

作者簡介：

侯偉軍 （1981-），男，河北石家莊人，中級工程師，碩士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化、燃燒優化。

李福軍 （1982-），男，浙江杭州人，中級工程師，學士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化、燃燒優化。

軒福杰 （1986-），男，山東菏澤人，中級工程師，學士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化、燃燒優化。

史春方 （1986-），男，吉林長春人，中級工程師，學士，現就職于杭州和利時自動化有限公司，研究方向為工業過程自動化、燃燒優化。

參考文獻：

[1]王萬召,王杰.過熱汽溫自適應逆控制方案研究[J].電力自動化設備,2013,33(9):54-57

[2]鍋爐蒸汽溫度串接多容小慣性全補償前饋控制[J].熱力發電,2010,39(6):42-43

[3]循環流化床鍋爐主蒸汽溫度的負荷自適應控制研究[J].熱力發電,2013,42(10):58-61

[4]鍋爐過熱蒸汽溫度動態預測PID控制算法[J].熱力發電,2016,45(8):104-108

摘自《自動化博覽》2022年9月刊