主汽溫度控制系統投入情況分析和改進案例

　　主汽溫度自動調節系統雖然說控制理論已經成熟，可是有些電廠的鍋爐因為干擾大等原因，自動投入效果不大理想。河南焦作華潤熱電有限公司，兩臺135MW機組。鍋爐由武漢鍋爐廠生產，中間倉儲式，兩臺磨煤機兩臺給粉機。05年5月份正式投入運行。北京和利時自動化有限公司提供DCS系統。
　　
　　自運行以來，因為種種原因，協調沒有投入。運行中發現，主汽溫度控制非常困難。波動大，易受干擾。在負荷大幅度快速波動時候，主汽壓力不易穩定。當燃料量波動的時候，主汽溫度波動也很大。為此，我們進行了多次努力，主汽溫度控制越來越穩定，zui終滿足了生產要求。現將投入步驟跟大家作以下介紹，也許會有一些啟示。
　　
　　為了行文的簡潔，咱們對幾個重要參數用符號做個規定：
　　
　　1、主PID的比例帶：δ1
　　
　　2、主PID的積分時間：Ti1
　　
　　3、副PID的比例帶：δ2
　　
　　4、副PID的積分時間：Ti2
　　
　　5、主PID的輸入偏差△1
　　
　　6、副PID的輸入偏差△2
　　
　　7、微分增益：KD
　　
　　8、微分時間：KT
　　
　　1.*階段串級調節系統

　　
　　起初我們設計的時串級調節系統。其控制編程示意圖如上：
　　
　　在調試期間，調試所的人員根據以往的經驗，用常規的參數。使用參數大致如下：
　　
　　δ1=100，Ti1=150，δ2=60，Ti2=260
　　
　　在整定參數的過程中，調試人員，在這個基礎上，大約上下浮動50%的幅度，始終不能使得系統穩定下來。系統一直處于大幅度震蕩過程。
　　
　　后來我考慮到我們公司的減溫系統可能有其特殊性。經過仔細觀察該系統，發現超前信號始終不能發揮超前作用。是不是超前信號采樣不當呢？我們的超前信號跟常規系統一樣，也采用的是噴水減溫后的溫度。經過對超前信號和主信號的觀察，發現超前信號還是能夠超前地反映主信號波動的趨勢的。可以斷定，信號采集正確。
　　
　　為了提高超前信號的作用，我大幅度加強副調的比例作用。zui終確定δ2=10左右可以正常發揮超前作用。這時候又發現，雖然超前信號起到了作用，可是主信號還是太強，超前信號發揮的作用很不明顯。那么就減弱主信號吧。zui終整定主信號δ1=320。
　　
　　為了消除靜差，我們逐漸強積分作用。zui終確認Ti1=800。
　　
　　讀者可能會發現這里的積分作用有點弱了。這個數值不是有意為之。是在反復衡量之后才得出的數值。本來擬欲增強積分作用，可是總是發現積分作用蓋過了比例作用，對系統調節造成了干擾。增大積分時間之后，發現*可以消除靜差，因而確認了這個參數。究其數值過大，可能屬于DCS系統的原因。
　　
　　在調整副調的積分作用的過程中，發現副調的積分作用始終不利于系統的穩定。為此，我們干脆舍棄積分作用。讓Ti2大于等于2000以上。
　　
　　此時，調節質量有了明顯的好轉，系統不再震蕩。穩定工況下，系統可以正常運行。主汽溫度一般穩定在535±4℃。煙氣及燃燒稍有波動，溫度波動就較大。抗*力較弱。
　　
　　此階段zui參數如下：
　　
　　δ1=320，Ti1=800，δ2=10，Ti2=2500
　　
　　2.第二階段導前微分調節系統
　　
　　總結*階段溫度波動的原因，發現即使有超前信號作為前饋，但是系統反應還是不夠快，再加上執行機構有一定的死區，所以往往等到閥門流量有反應的時候，主汽溫度已經開始變化了。經過觀察，從超前信號開始變化，到主信號有變化，之間的時間滯后，大約為30秒左右。這么短的時間，超前信號所起到的超前作用比較微弱。
　　
　　為了克服這個問題，能不能使用帶有導前微分的調節系統呢？我公司的DCS由北京和利時提供，在線修改下裝比較難。只有在聽爐時候修改下裝比較安全。因為修改下裝一次比較困難，為了穩妥起見，我設計了個帶有導前微分功能的串級調節系統。在必要的時候，在導前微分模式和串級模式之間可以互相切換。
　　
　　具體編程如下：　　
　　在上圖中，微分塊和PID2模塊之間，增加了一個加法模塊。因為超前信號經過微分之后的數值，始終圍繞在0左右波動。為了觀察方便，特在微分功能之后加了50%，沒有其它額外的作用。當使用串級功能的時候，令微分增益KD=0即可。
　　
　　經過調試，發現我公司的鍋爐，更適用于導前微分調節系統。
　　
　　在導前信號一有波動的苗頭，微分作用馬上使閥門開度變化。在波動來臨的時候，微分作用可以根據變化速率使輸出比串級系統更加快速調節。更重要的是微分作用的另一個特性：波動來臨時，微分增益使得輸出變化，波動停止的時候，即使這個波動沒有向相反方向回調，而保持在靜止狀態，微分作用也會因為自身的原因，使得輸出開始回調，因而更顯得“導前”信號的超前調節作用。這個“超前調節”帶來的超前作用，往往比超前信號更要超前。我們知道：超前信號在波動結束的時候，往往會有個相對靜止的平穩期，然后再向相反方向波動。因而，微分時間帶來的超前回調作用，顯得非常重要了。
　　
　　那么，我們需要注意的就是，因為微分增益的原因，可能會給系統輸出帶來微小而快速的抖動，造成執行機構反復動作。增加微分時間，可以消除抖動。可是增加了微分時間，有可能會使超前作用減弱。要消除抖動和超前之間的矛盾，需要對微分增益和微分時間作個比較合適的考慮。
　　
　　zui終，我們得到如下的調節參數：
　　
　　δ1=160，Ti1=255，δ2=20，Ti2=2500，KD=55，KT=55。
　　
　　根據系統的不同，上面這個參數也會有改變。我們同一臺鍋爐，兩套主汽文之間的參數就很不一樣。另一套參數如下：
　　
　　δ1=255，Ti1=255，δ2=4，Ti2=2500，KD=15，KT=75。
　　
　　因而，提醒讀者注意：本文所提到的參數僅作參考。本文得出的主要經驗就是：不能拘泥于以往的經驗對待所有的系統，而應該根據具體情況，設定合適的參數。不管這個參數跟以往的經驗區別再大，只要系統穩定，參數就算合理。
　　
　　zui終得到的調節效果是：穩定工況下，主汽溫度維持在535±3℃之內。系統抗*力有了大幅度提高。
　　
　　3.第三階段帶有導前微分和減溫水負反饋功能的串級調節系統
　　
　　第二階段的調節效果雖然有很大效果，但是我還發現了許多不足。總結起來有如下幾個方面：
　　
　　1、執行機構動作頻繁。執行機構反復開關，雖然動作幅度不大，但是時間久了，可能會對閥門特性曲線不利；
　　
　　2、由于閥門存在一定的空行程，執行機構的動作很多都屬于無效調節。一方面造成執行機構徒勞無益的動作。另一方面，空行程也抵消了一部分的超前作用。
　　
　　空行程幾乎是所有調節系統都存在的問題，也幾乎是不可避免的問題。對于一些不大敏感的系統，這個問題大都可以忽略。但是因為我公司鍋爐的抗*力較差，經過仔細研究，在解決了其它問題之后，這個問題就凸顯了起來了。
　　
　　以前我在別的地方曾經嘗試用了一些手段來彌補空行程，可是程序較復雜。和利時軟件運行后修改程序較為困難。這個方法不能使用。
　　
　　那么，我考慮到，加入流量反饋，加強積分作用，PID1的輸出去控制減溫水流量，只要PID1的輸出與減溫水流量有偏差，PID2就不停的運算，直到減溫水流量變化，達到了PID1的輸出的要求為止。經過反復考慮，理論上行得通。關鍵在于PID2的積分作用要足夠的強，使得PID2的輸入端只要有偏差，輸出端能夠在幾秒鐘內，不斷地依靠積分運算，命令閥門動作，去彌補這個偏差。
　　
　　具體編程如圖三：　　
　　考慮到可能因減溫水流量信號過強，造成系統震蕩，特給該信號加了一個系數。
　　
　　編程設計下裝后，經過多次整定，確認參數如下：
　　
　　δ1=330，Ti1=555，δ2=20，Ti2=5，KD=40，KT=88；流量系數=0.58，PID2的死區=0.07
　　
　　考慮到超前信號不斷的變化，微分作用運算使得PID2的測量值不斷地處于波動中，可能會造成執行機構不停動作，電機可能會因過熱燒壞。因而給PID2加了個死去。
　　
　　經過實踐檢驗，確認這個方案是可行的。系統抗*力也大大加強，即使在負荷有大幅度波動的情況下溫度波動范圍也不超過±5℃。zui終主汽溫度的偏差在548±3℃之內。執行機構要么不動作，要么較大幅度動作，*克服了執行機構的空行程。在標準工況和一定的干擾工況情況下，一般人工干預往往還不如自動調節效果好。在大擾動情況下，適當修改設定值，可以使得溫度仍然波動達到要求。
　　
　　4.今后還可能可以改進的地方
　　
　　為什么負荷大幅度快速波動的時候，主汽溫度會波動較大呢？假如負荷快速升高，我公司的操作人員往往要修改主汽壓力定值，欲使主汽壓力快速增加，這時候燃料量急劇加大，煙氣流速加快。主汽管道吸熱面此時會因對流加強，使得主汽溫度快速升高。同時，當負荷增加的時候，蒸汽量增加，單位蒸汽吸熱量降低，都會導致超前氣溫會急劇增加，減溫水即使急速增加，往往還是有點慢。造成溫度過高。如果我們使得系統運算加強，又可能造成穩定工況下系統震蕩。
　　
　　怎樣才可以彌補因為煙氣流動和蒸汽量波動帶來的溫度波動呢？我初步考慮，需要再增加一個總燃料量信號。經觀察，從總燃料量開始波動，到主汽溫度有反應，大約有1分鐘左右的間隔。這樣燃料量波動帶來的減溫水調節可能過于“超前”，因而可能調節質量反而下降。為了消除這個問題，需要在總燃料量后加一個純滯后功能。然后在調試過程中，多次調節純滯后時間，應該可以達到要求。這個思路沒有經過驗證，不知道能不能行得通。也許真正實用的時候，要經過許多修改和探索吧。
　　
　　5.需要說明的問題
　　
　　各個電廠的環境工況設備不同，參數設置各有不同。不可拘泥某個經驗參數。在上述調試過程中，所列舉的參數，僅可以作為參考。附圖中，調節效果*有可能會再進一步提高。同時，如果協調投入自動，溫度控制會可能再上一個臺階。本文目的在于闡述作者自己的整定參數的思路。我的思路也有盲區，歡迎各位批評指正。