減溫水自動控制改造及串級PID的應用

寧波經濟技術開發區熱電有限責任公司生產技術部 仇 輝

1 背景現狀

本公司是一家熱電聯產型企業，依托開發區進行集中供電供熱的基礎配套型企業。目前，公司擁有四爐四機的生產規模，其中四臺鍋爐為：三臺130t／h 高溫高壓循環流化床鍋爐、一臺75t／h 高溫高壓循環流化床鍋爐，四臺汽輪機組分別為兩臺12MW 高溫高壓背壓供熱機組、一臺6MW 高溫高壓背壓供熱機組和一臺15MW 高溫高壓抽凝供熱機組，總裝機容量為45MW。供熱能力達400t/h。公司供熱主管線、支線總長度達到62km，其中最大主管線直徑達到DN600，最長支線達到近10km，為周邊一百多家企業用戶提供用熱需求。

廠區內現有#2、#4減溫減壓器（出口蒸汽壓力1.96MPa、溫度250℃）和#3、#5減溫減壓器（出口蒸汽壓力0.98Mpa、溫度250℃）共四套雙減，聯能478減溫器（出口蒸汽壓力1.4Mpa、溫度250℃）、青峙377減溫器（出口蒸汽壓力1.96MPa、溫度250℃）兩套減溫裝置，總計六套減溫裝置對鍋爐、汽機蒸汽出口進行減溫減壓操作，使對外所供蒸汽的壓力、溫度符合用戶需要。

2 供熱減溫系統情況

整套供熱管道及減溫水系統歷經20多年的時間逐步改造升級成現有系統，整個系統不是一次整體規劃設計建設，導致管道繁雜。各種壓力等級、溫度管道都有聯通，并且當時因節省投資將鍋爐高壓主給水直接引出當減溫水系統用，導致減溫水系統用水壓力遠遠高于供熱蒸汽的壓力。目前，主要存在以下幾點問題。

一是減溫水與出口蒸汽壓差太大（最大有13MPa），導致減溫裝置內漏嚴重、減溫水調節閥調節性能下降，供熱蒸汽溫度較難控制，同時帶來對閥門設備的損害。

二是日常運行過程中需要值班人員花費大量時間專門盯著供熱蒸汽溫度、壓力參數，頻繁進行人工干預，既浪費大量人力，同時又不能很好地控制參數，導致用熱端用戶參數不達標，影響公司經濟效益。

三是機組排汽和抽汽溫度受進汽溫度和流量影響較大，正常情況不用雙減時1.0MPa 供熱蒸汽溫度多靠調節鍋爐產汽溫度來控制，為保證供熱蒸汽不超限，往往主動降低鍋爐出口主汽溫度。

這樣操作僅保證供熱蒸汽溫度，但是導致鍋爐效能下降，煤耗升高，使鍋爐長時間處于不經濟運行狀態。同時，也降低了機組進汽參數，汽輪機主設備長時間處于欠參數運行狀態，降低汽輪機的安全可靠穩定，也使汽組未處于最佳經濟狀態運行，影響公司經濟效益。

為實現公司提出的減員增效目標，需對供熱減溫系統進行改造，以實現供熱減溫系統自動控制，達到減少人員監視和提高鍋爐、汽機主設備運行效率的目的。

3 供熱減溫系統改造實施

經過對現有鍋爐、汽輪機、供熱減溫系統的運行參數的研究，確定自動控制改造的步驟，第一步首先要將供熱蒸汽減溫水的供給壓力下降到一個合理范圍內；第二步根據下降的減溫水與供熱蒸汽的差壓及蒸汽流量、流速等參數進行減溫水噴頭的合理選型，以達到能將減溫水充分混合進供熱蒸汽，達到減溫的效果；第三步合理選擇減溫水調節閥及電動控制機構，使閥門行程控制更精細，以便于減溫水適量進去，防止減溫水欠噴或過噴導致溫度忽上忽下；第四步當外圍硬件都已達到標準，手動控制減溫水能及時響應、反饋，當供熱蒸汽能控制在合理范圍之內后，通過DCS 系統進行PID 參數設置，使電動執行機構給定與供熱蒸汽溫度之間進行自動控制調整[1]。

根據主設備檢修計劃，首先取消供熱蒸汽減溫水直接采用鍋爐高壓主給水（最大有13MPa），將減溫水系統分為中壓系統和高壓系統，鍋爐出口雙減仍采用鍋爐高壓主給水當減溫水使用；供熱蒸汽減溫水改由中繼水進行供給，中繼水壓力運行參數為壓力1.2MPa、溫度85℃。

本公司對外供熱蒸汽壓力等級主要是兩個，分別是1MPa 和2MPa，考慮到中繼水壓力在1.2MPa，為保證減溫水進入供熱管道后與供熱蒸汽混合，對中繼水引出的減溫水進行二次加壓。從中繼水母管引一路減溫水到廠區中間位置點，增設兩臺增壓泵（一用一備）。增壓泵選型為流量8t/h、揚程180m、功率11kW，經過泵增壓后使減溫水壓力提升到3.0MPa 后，通過母管制式向所需的供熱減溫水進行供給。

考慮公司的生產方式、管道走勢及改造的便利性，決定在1#、2#機組排汽口和6#機組抽汽口安裝減溫器并將減溫水引到，使在供熱管道的供汽源頭直接進行減溫，并將原1MPa、2MPa 供熱蒸汽母管的減溫水控制閥及噴頭進行更換，以適配現有的壓力等級和減溫水調節流量。自動投入控制方面對現場設備的要求有以下幾點。

一是閥門類調節設備的執行機構沒有空行程；二是閥門類調節設備的動作靈敏度（死區）小于1.5%；三是閥門的流量特性良好，漏流量情況良好；四是負荷在30%～100%調整時，調節設備的余量滿足，即開度在20%～80%；五是壓力、流量、溫度等測量儀表工作與顯示反饋正常。

根據以上設備要求及現場設備前期使用經驗，新減溫器采用浙江浙臨品牌，調節閥組采用無錫華益品牌，電動執行機構采用瑞基品牌，溫度采用安徽天康品牌，壓力表采用上自儀品牌，壓力、差壓變送器采用橫河品牌。利用安裝更換減溫器、調節閥組，在減溫器出口后10m 左右選擇合適點安裝鎧裝熱電組，以便觀察減溫水投運后的使用效果及為后一步減溫水投運自動提供溫度參數參考。

4 減溫水PID 自動調整策略

PID 調節器即比例積分微分調節器，其PID運算的輸出結果等于比例作用+積分作用+微分作用。

P：比例，就是輸入偏差乘以一個系數；I：積分，就是對輸入偏差進行積分運算；D：微分，就是對輸入偏差進行微分運算。

本次減溫水PID 自動調整通過DCS 系統PID 功能塊來實現，本公司DCS 系統為和利時MACV6.5火電版K 系列，每個主控站配置兩臺K-CU01主控單元。公用系統14#控制柜將減溫器出口溫度、供熱管道蒸汽溫度、壓力、流量、電動執行機構輸出反饋4-20Ma 信號接入，通過DCS控制柜主控單元對信號進行采集、分析。按每套減溫水控制器在DCS 主控單元內編寫一套溫度PID程序。

PID 控制量各參數定義：

被調量。反映被調對象的實際波動的量值，即減溫器出口溫度。

設定值。本公司期待被調量需要達到的值，即本公司想要的減溫器出口溫度，這個設定值可以是固定的，也可以是變化的。

控制輸出。根據設定值以及被調量的變化情況運算之后發出的命令值；單回路。指只有一個PID調節器組成的控制回路。

串級。兩個PID 調節器串接起來形成一個串級調節系統，也即雙回路調節系統；主調。串級回路中主要調節被調量的PID 調節器。

副調。輸出直接去指揮電動執行機構動作的PID 調節器，主調的控制輸出進入副調作為副調的設定值。

正作用。控制輸出隨被調量增高而增高，隨被調量減少而減少的作用。

反作用。控制輸出隨被調量增高而降低，隨被調量減少而增高的作用。

動態偏差。在調節過程中，被調量和設定值之間的偏差隨時改變，任意時刻二者之間的偏差。

靜態偏差。調節趨于穩定之后，被調量和設定值之間還存在的偏差，消除靜態偏差是通過PID 調節器積分作用實現的。

回調。調節器調節作用顯示，使被調量開始由上升變為下降，或者由下降變為上升趨勢成為回調。

本次DCS 程序中應用的PID 為HSVPID，HSVPID 的傳遞函數為：

Mek：偏差增益，相當于標度變換系統FF（s）為前饋，E（S）為被調偏差值，E（S）=SP（S）-PV（S）。

溫度PID 調節是屬于大滯后性的調節回路，供熱減溫水都是同一類型PID，參數都有一定參考性。下文以本公司青峙377（2.0MPa）供熱管道溫度調節PID 為例詳細介紹PID 參數整定。青峙377（2.0MPa）供熱管道平時正常流量為20～30t/h，高峰時最高可到45t/h，低峰時最低到10t/h，存在著流量波動大、電動行程短、閥門內漏、減溫水進口壓力高的問題，溫度忽上忽下較難控制精準穩定控制，日常工作中需要運行人員花費大量精力去盯著參數調整減溫水調節閥開度。

經過減溫水降壓改造、更換優質電動調節閥、調長控制行程后，手動模式下較能準確的控制，流量波動范圍內，手動行程范圍控制在10%～60%，調整及時，具備了自動控制調整的現場設備條件。前期整定時，針對青峙377供熱管道，在DCS 程序內該調節閥控制模塊前設置了一個單回路PID 控制器，被調量設置為青峙377減溫水出口溫度，目標設定值為260±5℃，供熱管道蒸汽溫度要求控制250～270范圍之內。根據目標設定值與減溫水出口溫度的偏差值，經過PID 運算后給出一個控制輸出到減溫水調節閥門控制功能塊作為調節給定輸出的依據[2]。

整定時，按照習慣和經驗，首先整定P，即比例帶，放大I 積分參數，縮小D 微分參數，使積分和微分都不起作用，使PID 變成一個單純比例調節器。比例調節作用的強度與偏差E 的大小成正比，當比例帶PT 為100時，比例系數為1（比例系數=100/PT），比例作用的輸出與偏差按各自量程范圍的1∶1動作。當比例帶為20時，按5∶1動作，比例值越小，比例作用越強。比例作用太強會引起被調量周期性振蕩。比例太弱會造成比例欠調，造成系統收斂過程周期過長，衰減比太小。

比例帶P 預設為100后，調節閥DCS 畫面手操器點自動后，將減溫水出口溫度、目標設定值、手操器輸出給定曲線到同一畫面進行觀察，看三者曲線變化情況、偏差值E、回調時候是否合理。運行一段時間后發現，被調量與輸出量陷入二條剛好相反的周期振蕩曲線，即100的比例帶設定值偏小，需要進一步減少比例作用，調高比例帶設定值；然后逐漸增大比例帶數值，每次間隔10往上增加，發現在240時，振蕩減少，被調量能在一定程度內收斂，基本可以穩定被調量。

在確定比例帶數值并能基本穩定被調量后，下一步開始調整I 積分參數。積分調節作用的強度與偏差E 對時間的積分成正比，即積分時間大、積分作用弱。前期調整比例帶參數時，將積分參數已設定在較大值，即積分不起作用，現狀開始將積分設定值開始逐漸減少，每次間隔10往下減少，然后觀察三者曲線變化情況，比較偏差程度、收斂周期、比例作用帶來的余差情況，發現積分時間在180左右為一個比較合適的值，往下再調整，積分作用開始變強導致引起曲線振蕩，往上調整，收斂周期會開始變長。

微分調節作用的強度與偏差的變化速度成正比。其作用是阻止被調量的一起變化，有超前調節的作用，因前期只采用單回路PID 進行減溫水自動初步調試，因此沒有引入微分參數，默認設定值為0。

按照調試過程設定的比例帶240、積分時間180，開始將青峙377供熱管道減溫水手操器自動投入運行當中，要求運行注意觀察溫度變化情況，發現有超調或欠調導致青峙377供熱蒸汽溫度開始超限時及時退出自動，人工手動參與調整。經過一周的試運行，觀察三者曲線變化，發現青峙377供熱蒸汽流量穩定在25t/h 時進行自動控制，整個溫度能控制目標溫度左右5℃，即260±5℃內。

但是當早上流量高峰開始或晚上流量低谷開始后，PID 自動調整就存在著過調或者欠調的問題，導致溫度下降或上升后無法收斂，破壞整個曲線導致調整陷入震蕩或離散，只能手動切除自動狀態轉為運行人員進行手動控制。研究流量、溫度、執行器輸出反饋的變化趨勢，主要的原因是當流量下降時，經過減溫器的蒸汽和減溫水混合后因蒸汽變小，混合后的溫度在減溫處出口立即增大的趨勢，而經PID 反饋到執行機構給出命令是開大減溫水平抑溫度上升的趨勢[3]。

而減溫水出口溫度就安裝在減溫器出口不遠，溫度變化比較敏感導致PID 運算后出現過調，又導致出口溫度下降趨勢，PID 反饋到執行機構給出命令是開小，使整個偏差曲線陷入震蕩，并逐漸開始變得離散，回調無法實現，最終影響到青峙377供熱管道蒸汽溫度不能控制在目標溫度。同樣，當流量發生很大上升，也會同樣導致溫度失去控制。

根據現場實際反映出的情況，需要再加入一個PID 形成串級調節器系統，并適當增加微分調節作用，起到超前調節的作用，來控制滯后大的溫度調節控制對象。微分調節作用的強度與偏差的變化速度成正比，其作用是阻止被調量的一起變化，使用微分調節可使系統收斂周期的時間縮短。在青峙377供熱管道溫度控制引入串級調節，將遠端的青峙377供熱管道蒸汽溫度作為主PID 的控制對象，將近端的減溫器出口溫度作為副PID 的控制對象，其中主調PID 起反作用，副調PID 起正作用，微分時間參數在主調PID 中進行設置。圖1為串級PID 控制邏輯結構圖。

圖1 串級PID 控制邏輯結構圖

按照邏輯圖在DCS 主控單元中寫好雙回路串級PID 的程序，將主調溫度（青峙377供熱管道蒸汽溫度）設定值與實際值經過主PID 運算的輸出控制信號接入到副PID，作為副PID 的設定值與副調溫度（減溫器出口溫度）進行PID 偏差計算，將計算結果作為減溫水電動調節閥控制輸出的依據進行自動控制。

整定過程將串級回路孤立成兩個單回路，主調、副調隔離起來，單獨整定。按照先副調、后主調，先比例、再積分、最后微分的原則來進行，前文已詳細描述過單回路PID 整定過程，這里不再展開描寫。經過多次長時間的整定過程，主調PID 的最終參數為：比例帶280、積分時間310、微分時間60，反作用。副調PID 的最終參數為：比例帶100、積分時間80、微分時間0，正作用。在這套參數情況下投入減溫水電動調節閥自動運行后，青峙377供熱管道蒸汽溫度無論流量如何發生變化，電動調節閥都能及時響應調整，使全天的溫度偏差控制在2℃范圍內，即260±1℃。

5 結語

本次改造取得較大收獲，在鍋爐燃燒方面可以按照高溫高壓循環流化床額定溫度540℃來進行控制，增加企業的經濟效益；保證汽輪機進汽參數在額定溫度，使汽機處于額定參數運行，保證汽機主設備安全溫度的運行，同時也為用熱端用戶輸送符合參數要求的優質蒸汽。