蒸發(fā)線冷凝器PID自控調(diào)節(jié)初步探究

摘 要：本文針對某廠低放射性廢水蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行存在預(yù)熱器溫度不穩(wěn)定、蒸發(fā)器壓力過高、液位不穩(wěn)定、冷凝液產(chǎn)量不足、冷凝器出口溫度不穩(wěn)定、空氣預(yù)熱器積水滲漏、尾氣系統(tǒng)凝結(jié)水量過多等問題，基于PLC控制系統(tǒng)的PID控制原理，結(jié)合冷凝器冷卻水出口溫度等參數(shù)要求，根據(jù)比例、積分、微分控制進(jìn)行了分析，保證蒸發(fā)線冷凝器PID自控調(diào)節(jié)冷卻水進(jìn)口閥門，獲得了滿足蒸發(fā)工藝要求的控制參數(shù)，保證了某廠低放廢水蒸發(fā)生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，為國內(nèi)同類型蒸發(fā)線穩(wěn)定控制提供參考。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)線；冷凝器；PID

中圖分類號：TQ 05" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某廠采用蒸發(fā)濃縮工藝對大量低放射性廢水進(jìn)行處理，該工藝結(jié)合了PLC（可編程邏輯控制器）控制系統(tǒng)，當(dāng)?shù)头派湫詮U水蒸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行趨于穩(wěn)定運(yùn)行時，切換至PID反饋調(diào)節(jié)控制，以保證低放射性廢水蒸發(fā)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行[1]。

某廠低放廢水蒸發(fā)生產(chǎn)線已運(yùn)行三年多，能夠滿足生產(chǎn)運(yùn)行的需求，但在運(yùn)行中會存在預(yù)熱器溫度不穩(wěn)定、蒸發(fā)器壓力過高、液位不穩(wěn)定、冷凝液產(chǎn)量不足、冷凝器出口溫度不穩(wěn)定、空氣預(yù)熱器積水滲漏、尾氣系統(tǒng)凝結(jié)水量過多等問題，為解決這些問題，本文提出了自動改手動設(shè)想，或?qū)淠魃a(chǎn)水出口工藝管道改進(jìn)的辦法，可解決二次蒸汽冷凝局部問題，但破壞了系統(tǒng)整體的平衡性，工藝管線改造耗時影響生產(chǎn)進(jìn)度。PLC控制系統(tǒng)[2]在生產(chǎn)運(yùn)行中具有先進(jìn)性，其針對閉環(huán)的PID控制，在溫度、壓力、流量這一類連續(xù)變化的模擬量的控制中得到了廣泛應(yīng)用。本文針對冷凝器冷卻水出口溫度等PID自控調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行初步探究，通過充分利用某蒸發(fā)線冷凝器換熱面積，來解決二次蒸汽冷凝效果不佳、冷凝液產(chǎn)量偏低、冷凝器出口溫度不穩(wěn)定等問題。

1 PID控制原理及特點

在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c（t）是連續(xù)變化的模擬量，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行PLC輸出模擬量信號mv（t），整個控制過程如圖1所示，虛線框內(nèi)的部分是用PLC實現(xiàn)的。

采用測量元件對被控量c（t）進(jìn)行檢測，并通過變送元件將信號轉(zhuǎn)換為直流電流或直流電壓pv（t），通過PLC輸入模塊中的A-D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為多位的二進(jìn)制數(shù)過程變量pv（n），該值又稱為反饋值，CPU將它與設(shè)定值sp（n）比較，誤差ev（n）=sp（n）-pv（n）。PID控制器以誤差ev（n）為輸入量，進(jìn)行PID控制，模擬量輸出模塊的D-A轉(zhuǎn)換器將PID控制器的數(shù)字輸出值mv（n）轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流mv（t），用它來控制電動調(diào)節(jié)閥的開度。

PID是比例（proportional）、積分（integral）、

微分（derivative）的縮寫，PID控制器是應(yīng)用最廣的閉環(huán)控制器[3]，它將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，用該控制量對被控對象進(jìn)行控制。計算模擬量PID控制器的輸出如公式（1）所示。

（1）

式中：控制器的輸入量（誤差信號）ev（n）=sp（n）-pv（n）。

整個控制過程如圖2所示。

1.1 比例環(huán)節(jié)

成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號ev（n），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以縮小偏差。P參數(shù)（KP）越小比例作用越強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)。在以上定量計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)情況通過現(xiàn)場調(diào)試決定參數(shù)P的值，通常將P參數(shù)由大向小調(diào)，以能達(dá)到最快響應(yīng)又無超調(diào)（或無大的超調(diào)）為最佳參數(shù)。

1.2 積分環(huán)節(jié)

控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。通常I參數(shù)（Ki=KP/TI）也是由大往小調(diào)，即積分作用由小往大調(diào)，觀察系統(tǒng)響應(yīng)以能快速消除誤差，達(dá)到給定值，又不引起振蕩為準(zhǔn)。

1.3 微分環(huán)節(jié)

在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。D越大，微分作用越強(qiáng)，D越小，微分作用越弱。系統(tǒng)調(diào)試時通常把D參數(shù)（Kd=KP·TD）從小往大調(diào)，由試驗決定具體參數(shù)。

2 某蒸發(fā)線冷凝器PID控制現(xiàn)狀及分析

2.1 工藝分析

針對蒸發(fā)線運(yùn)行中出現(xiàn)的冷凝液產(chǎn)量偏少和尾氣系統(tǒng)中的空氣預(yù)熱器漏水等現(xiàn)象，本文進(jìn)行了工藝分析。工藝流程圖如圖3所示。

在蒸發(fā)系統(tǒng)實際運(yùn)行過程中，供料系統(tǒng)上料約為2.5m3/h

（上料控制在2.4m3/h， 低放廢液密度約為1.06 kg/cm3），在蒸發(fā)器液位穩(wěn)定的情況下，蒸發(fā)器實際處理量應(yīng)約為2.5m3/h，

在冷凝器中產(chǎn)生的冷凝液也應(yīng)約為2.5m3/h，因此冷凝液槽接收量約為2.25m3/h（根據(jù)設(shè)計，10%冷凝液回流至泡罩塔，90%到冷卻器，進(jìn)一步冷卻后排至冷凝液槽），而根據(jù)2019年生產(chǎn)運(yùn)行結(jié)果顯示，冷凝液槽接收量約為1.86m3/h。

對蒸發(fā)線冷凝器運(yùn)行進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該冷凝器采用臥式的固定管板式換熱器，蒸汽走殼程，冷卻水走管程，在冷卻水進(jìn)口管路設(shè)置有氣動自動控制閥，并和冷卻水出口溫度監(jiān)測形成聯(lián)鎖反饋調(diào)節(jié)控制。在冷凝器冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥為自動控制狀態(tài)運(yùn)行過程中，受冷卻水出口溫度反饋調(diào)節(jié)控制冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥處于全開、全閉狀態(tài)。冷凝工藝如圖4所示。

2.2 冷凝器控制現(xiàn)狀

某蒸發(fā)線冷凝器對生產(chǎn)冷卻水出口溫度進(jìn)行監(jiān)測，按設(shè)計與工藝要求[4]，冷凝器冷卻水出口溫度不高于60℃。在實際生產(chǎn)運(yùn)行中，設(shè)定值為60℃，將冷凝器冷卻水出口溫度作為反饋值，與設(shè)定值進(jìn)行對比求出偏差。當(dāng)偏差為正值時，表明溫度未超過60℃，冷凝器冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)偏差為負(fù)值時，表明溫度超過60℃，冷凝器冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥處于開啟狀態(tài)。

在生產(chǎn)運(yùn)行中，控制參數(shù)設(shè)定為P=2，I=20，D=10，在此PID參數(shù)控制下，冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的即時響應(yīng)效率極高，開閥或關(guān)閥均在1s～2s完成，當(dāng)運(yùn)行時，溫度高于60℃，閥門全開，大量冷卻水涌入，冷卻水出口溫度會繼續(xù)升至約64℃后開始下降，在1min內(nèi)，冷卻水出口溫度低于60℃時，調(diào)節(jié)閥全關(guān)，此時冷卻水出口溫度將會持續(xù)降至約52℃后，再次開始升溫，約5min時，溫度高于60℃，循環(huán)上述過程。此狀態(tài)的反饋調(diào)節(jié)導(dǎo)致冷卻水供給前端壓力不穩(wěn)定，冷卻水大量涌入冷凝器，也會引起強(qiáng)烈的水擊作用，對設(shè)備的使用壽命影響較大。運(yùn)行現(xiàn)狀見表1。

2.3 冷凝器PID控制分析

由冷凝器控制現(xiàn)狀可知，結(jié)合前述P、I、D控制參數(shù)特性，P參數(shù)設(shè)置控制值為2，其值非常小，越小比例作用越強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)越快，消除誤差的能力越強(qiáng)，在冷凝器控制中表現(xiàn)為響應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)即時，約1s～2s閥門全開。I參數(shù)設(shè)置控制值為20，其積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)，由于反饋時間極短，調(diào)節(jié)作用極強(qiáng)，因此在在冷凝器控制中表現(xiàn)為調(diào)節(jié)即時。D參數(shù)設(shè)置控制值為10，其值偏小，微分作用越弱，易出現(xiàn)后置調(diào)節(jié)反應(yīng)，具有嚴(yán)重超調(diào)現(xiàn)象，使溫度曲線劇烈震蕩，始終處于非穩(wěn)態(tài)。需要減少比例控制或是增加積分和微分控制，以解決超調(diào)現(xiàn)象，使系統(tǒng)趨于動態(tài)穩(wěn)定，使冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥在某開度范圍內(nèi)上下波動，不迅速開關(guān)閥門。

2.4 冷凝器PID控制預(yù)期目標(biāo)

根據(jù)生產(chǎn)需求以及對冷凝器穩(wěn)定保護(hù)的要求，設(shè)定控制預(yù)期目標(biāo)見表2。

3 冷凝器PID控制初步探究

3.1 比例調(diào)節(jié)

當(dāng)去掉PID的積分項和微分項（I=0、D=0），僅變動比例項P時，增加P，調(diào)節(jié)閥啟閉更迅速，超調(diào)現(xiàn)象明顯。減少P值，調(diào)節(jié)閥開啟速度會減慢，但超調(diào)現(xiàn)象仍然明顯。該現(xiàn)象表明，僅變動比例控制項無法解決超調(diào)現(xiàn)象。

3.2 比例和積分調(diào)節(jié)

為緩解超調(diào)現(xiàn)象，保證閥門啟閉過程減緩，因此，將P參數(shù)設(shè)定為1，D=0，I=100，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門啟閉與開始變化差異不大，超調(diào)現(xiàn)象仍然明顯。將I增至1000和2000后，閥門啟閉動作變慢，但仍會出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。I繼續(xù)增至10000后，此時閥門開啟速度明顯變慢，超調(diào)現(xiàn)象明顯減弱。

3.3 比例、積分、微分調(diào)節(jié)

消除超調(diào)現(xiàn)象必須配合微分調(diào)節(jié)，另外，在閥門啟閉的過程中，沒有微分項是無法在溫度上升或下降過程中動態(tài)調(diào)節(jié)的，因此，引入D參數(shù)控制，將D設(shè)定為10，超前控制現(xiàn)象不明顯。將D增至100，超前動態(tài)控制效果仍不明顯。將D增至1000后，出現(xiàn)了一定的超前控制，但是隨著溫度變化的控制效果對結(jié)果的影響較小。繼續(xù)將D增至2000后，出現(xiàn)了明顯超前動態(tài)控制，使冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥處于動態(tài)微調(diào)狀態(tài)，具體結(jié)果見表3。

4 效果與問題

4.1 試驗效果

冷卻水出口溫度為59℃～61℃，冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥的流量為70m3/h～90 m3/h，基本實現(xiàn)了冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥在某開度范圍內(nèi)波動，避免迅速開關(guān)閥門。連續(xù)運(yùn)行5天后，針對冷凝液產(chǎn)量進(jìn)行了核算，產(chǎn)能穩(wěn)定在2.0m3/h～2.1m3/h，基本滿足生產(chǎn)設(shè)計能力。

4.2 存在問題

在冷凝器單一設(shè)備上進(jìn)行本次研究工作，在較長的時間內(nèi)（14min～21 min）均為穩(wěn)定狀態(tài)，但會周期性出現(xiàn)一次劇烈的溫度波動，最大波動為51℃～65℃，波動時間為3min～4 min。根據(jù)前端蒸發(fā)器監(jiān)測情況發(fā)現(xiàn)，每次冷凝器周期性調(diào)節(jié)失控，基本是蒸發(fā)器運(yùn)行導(dǎo)致異常液位波動。當(dāng)蒸發(fā)器處于穩(wěn)定狀態(tài)時，冷凝器的PID控制效果較好，一旦蒸發(fā)器運(yùn)行不穩(wěn)定，就會對冷凝器PID控制影響較大。

5 結(jié)論

采用PID自控調(diào)節(jié)，基本可以穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)冷凝器的冷卻水進(jìn)口調(diào)節(jié)閥，對在某一流量區(qū)間進(jìn)行微調(diào)，可以達(dá)到手動控制的效果，同時無須對出口管線進(jìn)行改造。

通過初步探究，冷凝液產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計能力（2.0m3/h～2.1m3/h），冷凝器生產(chǎn)水出口溫度穩(wěn)定在（60±1）℃，二次蒸汽冷凝效果較好，表明采用冷凝器進(jìn)口冷卻水PID自控調(diào)節(jié)基本可以解決二次蒸汽冷凝效果不佳、冷凝液產(chǎn)量偏低、冷凝器出口冷卻水溫度不穩(wěn)定等問題，是一條可行的途徑。

目前針對PID的探究僅停留在初步摸索階段，對其3種控制參數(shù)疊加的作用還需要進(jìn)一步詳細(xì)研究。

限于生產(chǎn)運(yùn)行要求，考慮受前端蒸發(fā)器的影響較大，因此僅在該設(shè)備上進(jìn)行PID自控調(diào)節(jié)，完成冷凝器穩(wěn)態(tài)控制后，應(yīng)采用同樣的方法對預(yù)熱器、蒸發(fā)器進(jìn)行PID自控調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.蒸發(fā)操作的特點.化工原理上冊[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用教程.[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

[3]楊平. PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2016.

[4]劉殿宇. 蒸發(fā)器工藝設(shè)計計算及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2020.