給水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制效果的優(yōu)化

俞利鋒

(浙江勝利熱電有限公司，浙江 紹興 312000)

給水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制效果的優(yōu)化

俞利鋒

(浙江勝利熱電有限公司，浙江 紹興 312000)

為優(yōu)化鍋爐給水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制的效果，對(duì)影響給水調(diào)節(jié)閥控制效果的參數(shù)測(cè)量的精確性、汽包水位的動(dòng)態(tài)特性、基本的控制原理、參數(shù)處理和設(shè)備選用的合理性進(jìn)行了分析研究。對(duì)參數(shù)的補(bǔ)償修正、控制策略的優(yōu)化、參數(shù)的合理濾波以及設(shè)備的合理選型等影響自動(dòng)控制效果的因素進(jìn)行了優(yōu)化處理。實(shí)踐表明，通過(guò)一系列的優(yōu)化處理既能優(yōu)化自動(dòng)控制的效果，又能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

給水調(diào)節(jié)閥 自動(dòng)控制 參數(shù)測(cè)量 可控性 優(yōu)化

0 引言

雖然在電力生產(chǎn)中，工業(yè)鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制早已得到應(yīng)用，但是在實(shí)際使用中，特別是負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁的熱電產(chǎn)業(yè)，由于受到各種因素的干擾和影響，自動(dòng)控制的效果較差。汽包水位不能穩(wěn)定控制或控制在合理范圍之內(nèi)，影響了鍋爐的蒸汽品質(zhì)和鍋爐的安全運(yùn)行［1］。如果汽包水位的控制改成手動(dòng)，則增加了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。汽包水位的不穩(wěn)定控制，又會(huì)使電動(dòng)調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，這樣容易使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分損傷，影響設(shè)備性能以及使用壽命。為優(yōu)化鍋爐給水調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制效果，需要對(duì)以下幾方面進(jìn)行分析研究和合理處理。

1 控制系統(tǒng)優(yōu)化處理

1.1 參數(shù)的補(bǔ)償修正

參數(shù)測(cè)量的精確性是提高鍋爐給水調(diào)節(jié)閥自動(dòng)控制效果的基礎(chǔ)。在汽包水位的自動(dòng)控制中，汽包水位、主汽流量和給水流量這些參數(shù)直接參與汽包水位的自動(dòng)控制。而這些參數(shù)特性是隨著介質(zhì)溫度、壓力的改變而改變。如果不進(jìn)行補(bǔ)償修正，參數(shù)的測(cè)量值與真實(shí)值之間就會(huì)存在很大的偏差，從而影響汽包水位自動(dòng)控制的效果。因此，必須進(jìn)行補(bǔ)償修正或合理處理。

1.1.1 汽包水位的補(bǔ)償修正

在汽包水位、主汽流量和給水流量這3個(gè)參數(shù)中，汽包水位被測(cè)介質(zhì)的量程小，所對(duì)應(yīng)單位的電信號(hào)值小，導(dǎo)致其測(cè)量的分辨率低。

如果不對(duì)汽包水位進(jìn)行補(bǔ)償修正，只要汽包水位參數(shù)發(fā)生微小變化，那么誤差就會(huì)放大，使其測(cè)量處于失準(zhǔn)狀態(tài)。在鍋爐汽包水位的測(cè)量中，一次部件一般利用雙室平衡容器或單室平衡容器。無(wú)論利用哪種平衡容器，要提高參數(shù)的精確性，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行溫度和壓力的補(bǔ)償。

以雙室平衡容器為例，為簡(jiǎn)化測(cè)量的復(fù)雜性，對(duì)溫度的補(bǔ)償通常根據(jù)《電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(熱工儀表及控制裝置篇)》的要求和設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)雙室平衡容器的外面進(jìn)行保溫，使里面的汽、水更接近于飽和蒸汽和飽和水［2］。

對(duì)于壓力的補(bǔ)償則運(yùn)用式(1)，然后再對(duì)(ρW-ρS)與汽包壓力P進(jìn)行拆線函數(shù)運(yùn)算，這樣就提高了汽包水位測(cè)量的精確性［3］。

式中:h為水位;L為汽包水位測(cè)量總高度;h0為汽包水位測(cè)量總高度的一半;ΔP為差壓;ρW為飽和水密度;ρS為飽和蒸汽密度;g為重力加速度。

1.1.2 主汽流量的補(bǔ)償修正

對(duì)于過(guò)熱蒸汽而言，只要壓力、溫度發(fā)生變化，其蒸汽密度必定發(fā)生變化。為了能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量主汽流量，一般使用流量噴嘴作為差壓式流量計(jì)的測(cè)量設(shè)備［4］。通過(guò)DCS組態(tài)軟件對(duì)主汽流量進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，得到的主汽流量測(cè)量值精確性很高，幾乎等于真實(shí)值。

1.1.3 給水流量的補(bǔ)償修正

對(duì)于給水流量而言，由于水介質(zhì)隨溫度和壓力的改變對(duì)水流量的影響并不是很大，無(wú)須進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，只要設(shè)計(jì)流量裝置時(shí)按照接近的原則進(jìn)行制造即可。

通過(guò)上述參數(shù)修正處理，能提高參數(shù)測(cè)量的精確性，從而為自動(dòng)控制效果的優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1.2 控制策略的優(yōu)化

要提高給水調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制效果，還要優(yōu)化自動(dòng)控制的策略。首先需要了解參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性、PID的控制原理以及實(shí)際運(yùn)行方式，才能確定汽包水位的控制方案以及調(diào)整PID控制和前饋控制的系數(shù)。

1.2.1 動(dòng)態(tài)特性分析

由汽包水位的物理特性可知，只要汽包中的儲(chǔ)水量和水面下氣泡容積發(fā)生變化，汽包水位就會(huì)受到影響。而鍋爐的蒸發(fā)量、給水流量和燃燒工況變化是影響水位變化的主要因素。

當(dāng)給水流量在t1時(shí)刻突然增加ΔW后，給水流量雖然大于蒸發(fā)量，但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，給水吸收了原有飽和水中的部分熱量，使水面下氣泡容積減小，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下氣泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡時(shí)，水位就反映出由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升的趨勢(shì)。最后當(dāng)水面下氣泡容積不再變化時(shí)，由于進(jìn)、出流量不平衡，水位將以一定的速度上升。給水流量擾動(dòng)下的汽包水位曲線圖如圖1所示。

圖1 給水流量擾動(dòng)下汽包水位曲線圖Fig.1 Curves of drum water level disturbed by feedwater flow

在燃料不變的情況下，主汽流量瞬間突然增加，必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個(gè)水位抬高形成虛假水位。經(jīng)過(guò)一個(gè)慣性后，由于蒸發(fā)量大于給水流量，汽包水位逐漸呈下降趨勢(shì)。主汽流量擾動(dòng)下的汽包水位曲線圖如圖2所示。

圖2 主汽流量擾動(dòng)下汽包水位曲線圖Fig.2 Curves of drum water level disturbed by main steam flow

當(dāng)蒸發(fā)量和給水流量不變時(shí)，增加鍋爐的燃料同樣也會(huì)形成虛假水位，但它的影響比突然增加蒸發(fā)量要小。因此，要消除來(lái)自汽包水位的內(nèi)部擾動(dòng)和外部影響，就需要采用一個(gè)合適的PID調(diào)節(jié)控制方案。

1.2.2 PID控制原理

PID控制是比例、積分、微分控制，它是一種基本的控制方式［5］。

比例調(diào)節(jié)作用是按比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

積分調(diào)節(jié)作用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。有誤差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)誤差，積分調(diào)節(jié)才停止。

積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，反之Ti越大，則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。

微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢(shì)。因此，微分調(diào)節(jié)能產(chǎn)生超前的控制作用，即偏差還沒(méi)有形成之前已被消除，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，不利于系統(tǒng)抗干擾。

微分反映的是變化率，當(dāng)輸入沒(méi)有變化時(shí)，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。

1.2.3 控制方案的確定

熱電聯(lián)產(chǎn)行業(yè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)沒(méi)有火電行業(yè)的負(fù)荷調(diào)節(jié)那么穩(wěn)定。在正常運(yùn)行時(shí)，鍋爐的主汽流量隨著用戶用熱的變化而不斷變化，如果僅用單沖量或雙沖量進(jìn)行控制，不利于汽包水位的自動(dòng)控制。因此，為優(yōu)化汽包水位的自動(dòng)控制，除了PID串級(jí)控制，還要加上主汽流量的前饋控制。

在實(shí)際控制中，主汽流量受負(fù)荷、燃燒工況等諸多因素的影響，給水流量受給水壓力、調(diào)節(jié)閥等因素的影響，導(dǎo)致汽包水位控制復(fù)雜。為解決這些實(shí)際難題，把汽包水位作為主控信號(hào)，主汽流量作為前饋信號(hào)，給水流量作為反饋信號(hào)，構(gòu)成汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。引入主汽流量前饋信號(hào)，可以消除“虛假水位”現(xiàn)象對(duì)自動(dòng)控制的不良影響;引入給水流量反饋信號(hào)，可以消除給水側(cè)擾動(dòng)對(duì)自動(dòng)控制的不良影響［6］。

汽包水位三沖量控制策略示意圖如圖3所示。

圖3 汽包水位三沖量控制策略示意圖Fig.3 Schematic of the three elements control strategy for drum water level

圖3中，主調(diào)節(jié)控制汽包水位，把汽包水位的輸出值與主汽流量的前饋控制值進(jìn)行加法運(yùn)算，所得的值作為副調(diào)節(jié)的給定值;副調(diào)節(jié)控制給水流量。

理論上，只要副調(diào)節(jié)與前饋控制設(shè)置合理，就有可能消除所有的干擾，那么汽包水位本身的變化就可以依靠主調(diào)節(jié)進(jìn)行緩慢調(diào)節(jié)。

1.2.4 參數(shù)的整定

自動(dòng)控制效果的好壞還取決于參數(shù)整定的合理性。由于理論計(jì)算的整定參數(shù)法計(jì)算繁瑣，工作量大，可靠性不高，加上工業(yè)過(guò)程特性的復(fù)雜性，因此，在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，往往利用工程經(jīng)驗(yàn)湊試法來(lái)整定PID的參數(shù)。

工程經(jīng)驗(yàn)湊試法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，先將控制器參數(shù)放在一個(gè)數(shù)值上，在閉合的控制系統(tǒng)中，直接通過(guò)改變給定值施加干擾，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線;然后運(yùn)用P、I和D對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響為指導(dǎo)，按照規(guī)定順序，逐個(gè)整定比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間，直到觀察曲線達(dá)到滿意為止［7］。

使用串級(jí)控制的調(diào)試順序是先整定主調(diào)節(jié)器，再整定副調(diào)節(jié)器。

為了達(dá)到更好的調(diào)節(jié)效果，可修正前饋控制系數(shù)，使系數(shù)從小到大進(jìn)行整定，直至自動(dòng)控制效果達(dá)到滿意為止。

1.3 控制參數(shù)的處理

在汽包水位的自動(dòng)控制中，控制系統(tǒng)的參與量會(huì)受到諸多因素的干擾，對(duì)其進(jìn)行合理的處理也是不可缺少的環(huán)節(jié)。

首先需要處理汽包水位，該參數(shù)的反應(yīng)速度快。受到干擾時(shí)，汽包水位參數(shù)反映到坐標(biāo)圖上是一個(gè)個(gè)脈沖波形，影響了給水自動(dòng)控制的效果。如果干擾稍重，就有可能使電動(dòng)給水調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作。

為消除給水調(diào)節(jié)閥不必要的動(dòng)作，可以通過(guò)兩種方法解決:一是在進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器之前加一個(gè)軟濾波器設(shè)置，通過(guò)設(shè)置合理的時(shí)間常數(shù)，對(duì)汽包水位進(jìn)行濾波處理;二是改變變送器的阻尼時(shí)間常數(shù)，使輸出的電流信號(hào)波形平滑。對(duì)于主汽流量和給水流量，如果曲線比較平滑，則可加或不加。如果由于控制或其他原因引起脈沖波形，一般采用第一種方法，因?yàn)樗鼈兩婕傲髁康睦鄯e計(jì)算。

除了上述對(duì)參與量作響應(yīng)調(diào)整外，還需要對(duì)給水調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈敏度進(jìn)行調(diào)整，即所謂的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)死區(qū)調(diào)整。過(guò)高的靈敏度會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥頻繁動(dòng)作，影響電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械部分以及調(diào)節(jié)閥的使用壽命;反之過(guò)低的靈敏度，又會(huì)影響汽包水位控制的穩(wěn)定性。因此，合理設(shè)置電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏度，才能達(dá)到滿意的控制效果。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般把電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏度設(shè)置在2%左右，但最終還是需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際調(diào)試結(jié)果而定。這樣既不會(huì)對(duì)汽包水位控制構(gòu)成影響，又能減少電動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的次數(shù)，從而達(dá)到滿意的自動(dòng)控制效果。

1.4 設(shè)備的合理選型

如果沒(méi)有合理的設(shè)備選型，實(shí)際控制的效果也不會(huì)滿意。這是因?yàn)檐浖O(shè)施與硬件設(shè)施不匹配，導(dǎo)致輸入信號(hào)與輸出信號(hào)不能按照要求執(zhí)行，影響了自動(dòng)控制的效果。

在汽包水位的自動(dòng)控制中，涉及的設(shè)備有提供PID控制的設(shè)備、測(cè)量?jī)x表、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥(或用替代電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制汽包水位的變頻器)。這些設(shè)備均須進(jìn)行合理的選型。

2 優(yōu)化處理后的效果

綜合上述分析，優(yōu)化處理后的效果如下。

①克服了汽包水位的“虛假水位”現(xiàn)象，消除了給水壓力等因素的干擾。

②在給水流量、主汽流量和燃燒工況等發(fā)生變化的情況下，較好地完成了汽包水位控制任務(wù)，使汽包水位控制在設(shè)定值的±15 mm范圍之內(nèi)。

③當(dāng)主汽流量發(fā)生變化時(shí)，給水流量與主汽流量朝著同一方向變化，避免了由于“虛假水位”的影響造成鍋爐給水調(diào)節(jié)閥的反向控制。

④給水側(cè)壓力變化或多爐運(yùn)行造成給水流量變化時(shí)，不用等到汽包水位發(fā)生變化，給水調(diào)節(jié)閥就自動(dòng)控制，調(diào)節(jié)滿足正常需要的給水流量。這明顯減小了由于主汽流量、給水流量等因素的擾動(dòng)導(dǎo)致汽包水位的明顯波動(dòng)，且縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，提高了汽包水位的控制效果。

⑤另外，把分析研究得到的結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，在無(wú)特殊情況下，給水閥自動(dòng)調(diào)節(jié)平均周期約為30 s，延長(zhǎng)了給水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)時(shí)間，減少了給水調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)次數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析研究和實(shí)踐表明，要進(jìn)行汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的優(yōu)化控制，就不能忽視參與控制的各個(gè)環(huán)節(jié)。優(yōu)化鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的效果，就能提高鍋爐的蒸汽品質(zhì)，保證鍋爐安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

［1］遼寧省電力工業(yè)局.鍋爐運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［2］能源部基本建設(shè)司.電力建設(shè)施工及驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范(熱工儀表及控制裝置篇)［S］.北京:水利電力出版社，1990.

［3］俞利鋒.壓力補(bǔ)償在汽包水位中的精確應(yīng)用［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2007(4):50.

［4］梁福波.流量測(cè)量與選型［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2007(4):54.

［5］胡壽松.自動(dòng)控制原理［M］.北京:科學(xué)出版社，2001.

［6］王偉.工業(yè)鍋爐汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，1999(5):14-17.

［7］戴雅馨.淺析PID參數(shù)整定法［J］.純堿工業(yè)，2009(6):15-17.

Optimization of the Automatic Control Effect of Feedwater Regulating Valve

In order to optimize the automatic control effect of the boiler feedwater regulating valve，some factors affecting the control effect of feedwater regulating valve are analyzed and researched，such as the accuracy of parameters measurement，dynamic characteristic of drum water level，basic control principle，and the rationality of parameters processing and equipment selection.The factors affecting the automatic control are optimized，such as parameters compensation and correction，control strategy optimization，parameters reasonable filtering and equipment rational selection.Practice shows that automatic control effect is improved and equipment life is extended by conducting a series of optimization processes.

Feedwater regulating valve Automatic control Parameters measurement Controllability Optimization

TP273+.1

A

修改稿收到日期:2011-12-06。

作者俞利鋒(1976-)，男，2006年畢業(yè)于重慶大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，工程師;主要從事生產(chǎn)管理與自動(dòng)化技術(shù)研究。