研究基于PLC的熱電廠鍋爐水位控制技術(shù)

王強(qiáng)

摘 要：在國內(nèi)，鍋爐是熱電廠企業(yè)中重要的動力設(shè)備。目前，熱電廠的蒸汽鍋爐存在的控制變量較多，產(chǎn)生了虛假水位的情況。因此，加強(qiáng)對鍋爐的控制非常重要。介紹了PLC控制，對鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并運用汽包水位三沖量雙PID技術(shù)的設(shè)計維持鍋爐水位的平衡，這有利于減小熱電廠的能耗，提高發(fā)電效率。

關(guān)鍵詞：PLC；熱電廠；鍋爐；水位控制技術(shù)

中圖分類號：TM62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.147

鍋爐本身是一個能量轉(zhuǎn)換的設(shè)備。為了加快能量轉(zhuǎn)換，需要采取相應(yīng)的技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率，這有利于提高能源的利用率。因此，運用PLC技術(shù)對鍋爐的水位進(jìn)行控制有利于促進(jìn)能源的轉(zhuǎn)換。

1 PLC控制

PLC控制是可編程邏輯控制器的簡稱。主要運用與計算機(jī)思維進(jìn)行相關(guān)的邏輯運算。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，PLC控制越來越智能化、自動化，其指令不斷增多，運算也更加多樣，可以充分實現(xiàn)邏輯控制、數(shù)值控制等。在工業(yè)控制中，還可以運用PID原理進(jìn)行PID運算，從而提高控制的準(zhǔn)確性。將其運用在熱電廠鍋爐水位的控制中，有利于保持水位的平衡，提高鍋爐的穩(wěn)定性和安全性。

2 給水系統(tǒng)的控制

2.1 鍋爐汽包水位

在鍋爐的給水控制系統(tǒng)中，一個重點的變量就是鍋爐汽包水位。汽包水位關(guān)系著鍋爐的安全、穩(wěn)定運行，因此，在操作中要保持汽包水位的穩(wěn)定性。當(dāng)水位較低時，會減少汽包內(nèi)的水量。給水系統(tǒng)的負(fù)荷變動較大時，汽包中水量的變化速度會突然加快，如果未及時控制，汽包內(nèi)的水將會氣化，損壞水冷壁的結(jié)構(gòu)。情況比較嚴(yán)重，則可能導(dǎo)致鍋爐爆炸。當(dāng)汽包水位較高時，會干擾汽水分離的裝置，并影響其正常運行，發(fā)生蒸汽帶液的現(xiàn)象。當(dāng)汽包的出口處蒸汽中水分含量較高時，蒸汽中的鹽的含量也會增大，進(jìn)而在過熱器管內(nèi)壁凝結(jié)鹽垢，影響導(dǎo)熱的效率。同時，蒸汽的溫度也會隨之下降，導(dǎo)致蒸汽驅(qū)動透平機(jī)產(chǎn)生液化現(xiàn)象，破壞透平機(jī)的葉片，進(jìn)而埋下安全隱患。

2.2 “虛假水位”

當(dāng)蒸汽負(fù)荷出現(xiàn)較大波動，尤其是當(dāng)負(fù)荷過大且波動也較大時，鍋爐會出現(xiàn)“虛假水位”的情況。該現(xiàn)象主要的表現(xiàn)為：由于負(fù)荷的突然增加，使鍋爐內(nèi)的水位突然上升，隨后突然下降，且波動幅度過大；當(dāng)負(fù)荷突然下降時，鍋爐內(nèi)的水位會突然下降，又突然上升，且波動幅度過大。“虛假水位”的出現(xiàn)不利于對鍋筒水位的控制。

2.3 汽包水位控制系統(tǒng)

2.3.1 汽包水位位式控制系統(tǒng)

在該控制系統(tǒng)中，唯一的調(diào)節(jié)信號為鍋爐內(nèi)的水位。當(dāng)鍋爐內(nèi)的水位比預(yù)設(shè)值低時，控制電路就會自動開啟水泵；反之，則關(guān)閉水泵。這有利于保持鍋爐水位的平衡。

2.3.2 汽包水位單沖量控制系統(tǒng)

單沖量水位控制系統(tǒng)只有一個變量，結(jié)構(gòu)較為簡單，“虛假水位”情況出現(xiàn)較少，相對穩(wěn)定，可進(jìn)行水位的報警設(shè)置。

2.3.3 汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)

在對汽包水位進(jìn)行控制時，主要涉及的干擾因素是負(fù)荷變動，因此，可以引入蒸汽流量來對負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少“虛假水位”的干擾，從而減少水位的波動情況。其中，蒸汽流量信號可以構(gòu)成一個前饋信號，從而與汽包水位構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，這樣既有前饋控制，又有反饋控制。

2.3.4 汽包水位三沖量控制系統(tǒng)

汽包水位雙沖量系統(tǒng)存在2方面的缺陷：①控制閥在工作時難以進(jìn)行靜態(tài)補(bǔ)償；②給水系統(tǒng)會造成干擾。因此，在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了給水流量，使其成為三沖量控制系統(tǒng)。

在三沖量給水控制系統(tǒng)中，汽包水位是主沖量的唯一信號，蒸汽流量和給水流量作為補(bǔ)充。在操作時，當(dāng)蒸汽流量有所增加時，調(diào)節(jié)器會立即反應(yīng)，增加一定的給水流量，從而減少“虛假水位”的干擾。當(dāng)給水流量發(fā)生變化時，調(diào)節(jié)器也會及時反應(yīng)，將給水流量恢復(fù)到原來的水平，使汽包水位保持平衡。

3 運用PID控制原理設(shè)計

3.1 PID原理

在PLC控制程序中，可以運用PID控制原理對鍋爐水位進(jìn)行控制。在控制器中常會用到的控制原理為PID控制，該控制系統(tǒng)主要由PID控制器和控制對象構(gòu)成。

3.2 模擬鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)

模擬主要是利用數(shù)學(xué)模型或物理模型對實物進(jìn)行模擬，以達(dá)到對真實過程的再現(xiàn)。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用MATLAB中的SIMULINK作為模擬軟件，SIMULINK可以監(jiān)測動態(tài)系統(tǒng)，也可以同時支持線性、非線性系統(tǒng)的模擬，具有強(qiáng)大的模擬功能。在建立模型時，具有更加直觀、便利的特點。

本次對汽包水位控制技術(shù)的模擬主要采用基于PID原理的三沖量系統(tǒng)控制技術(shù)，與普通的串級控制系統(tǒng)相比，其可將蒸汽流量因素納入到鍋爐中，作為前饋控制的信號，構(gòu)成一個具有前饋控制的串級控制系統(tǒng)。

4 鍋爐水位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

鍋爐水位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)包括2部分：①下位機(jī)。主要運用某自動化工廠的工業(yè)控制器1769-L33E，上位機(jī)則運用iFIX的自動化監(jiān)測軟件。下位機(jī)存放鍋爐水位控制的各種數(shù)據(jù)，②上位機(jī)。負(fù)責(zé)顯示數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行管理。本次系統(tǒng)的硬件主要有PLC、交換機(jī)、現(xiàn)場的各種儀表等，其中，以PLC為主要硬件。在本系統(tǒng)中運用三沖量雙PID進(jìn)行控制。

在設(shè)計中，汽包水位是被調(diào)節(jié)的控制量，給水流量和蒸汽流量則作為輔助性的沖量信號，三沖量雙PID的工作原理為：汽包水位是主PID控制過程中的變量，通過比較汽包水位與預(yù)設(shè)值進(jìn)行PID運算，將蒸汽流量的信號傳遞給主PID，使其作為從PID的預(yù)設(shè)值。在從PID中，給水流量是控制的過程變量，與預(yù)設(shè)值進(jìn)行做差計算，從而調(diào)節(jié)水閥的開合度，保持汽包水位的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

在熱電廠中，鍋爐是廣泛應(yīng)用的動力設(shè)備，承擔(dān)著發(fā)電的重要作用。鍋爐系統(tǒng)可以分為3個子系統(tǒng)，其中，給水控制系統(tǒng)在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在給水控制系統(tǒng)中，可以采用汽包水位單沖量、雙沖量、三沖量控制技術(shù)。其中，基于PLC三沖量的控制系統(tǒng)可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，以調(diào)節(jié)水閥、保持汽包水位的穩(wěn)定性，從而提高熱電廠的發(fā)電效率。

參考文獻(xiàn)

[1]于機(jī)鵬.熱電廠鍋爐改造及綜合自動控制研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（05）.

[2]劉國華.基于PLC和FCS集中供熱鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2011（02）.

〔編輯：張思楠〕