★河北大唐国际张家口热电有限责任公司郭有福

关键词：厂内热网；蒸汽调门；控制策略

1 厂内热网系统介绍

在我国北方热力发电厂，尤其黄河以北的地区冬季温度低，导致设备可靠性降低，故多采用厂内热网系统作为保证冬季室内防寒、防冻的一个重要手段。以河北张家口某公司的厂内热网系统为例，该系统配置厂内热网加热器2台，厂内热网循环泵3台（1运2备），提供厂内热网循环的动力，厂内热网补水泵2台，通过厂内低压除氧器现对厂内热网系统补水，系统图如图1所示。冬季厂内热网投运，一般通过调整厂内热网加热器进汽调门，控制进入2台加热器的蒸汽量，实现对加热器出水温度的手动控制；通过厂内热网加热器水位调整门控制厂内热网加热器的液位，实现热网加热器的换热效率的提高。而受到机组负荷的变化以及室外的温度变化等不同扰动因素的影响，需要及时调整厂内热网加热器出口温度，满足实际需要。

图1 厂内热网系统的系统图

2 自动控制策略设计

对于该系统，只有在冬季暖气投入时需要进行控制。受加热蒸汽温度的参数（温度、压力）等外部扰动，以及室外温度的变化、热网系统的散热等内扰的影响，厂内热网系统控制对象变得更为复杂。为了达到冬季防寒防冻的具体要求，要求运行人员通过天气和疏水温度变化及时进行调整。而运行人员也希望将该蒸汽调门自动调整，降低因此发生调整不及时发生的考核以及日常频繁调整的操作强度。通过现行的技术路线分析，大致有三种控制策略的设计思路：

（1）将厂内热网加热器进汽调门设计开环控制。通过设计加热器出水温度和蒸汽阀门开度的对应函数，根据疏水的阀门控制进入2台加热器的蒸汽量，实现加热器出水温度控制。

该策略的优点：控制回路控制组成简单，为开环控制，便于整定。

该策略的缺点：由于开环控制，该系统抑制外部扰动干扰能力低，需运行人员根据天气情况，对温度进行手动干预和控制；同时蒸汽参数变化等内部扰动没有闭环控制，调节精度很难达到要求；开关的对象特性辨识难度大，同时调试、整定步骤不易于初学者的掌握。厂内热网系统投入的时间、面积等因素有较大的偏差。

（2）设计根据环境温度的F(x)函数，进行闭环控制。由于根据环境温度，可以确定需要控制的疏水温度的经验值，将各经验值进行汇总，然后设计厂内热网加热器进汽调门的控制策略，实现疏水温度有效地控制。设计自动跟踪功能：在控制回路处于手动模式时，PID跟踪手动的输出；设定值偏差，跟踪F(x)输出与当前疏水温度的偏差，自动调整。

该策略的优点：整个回路简单，为单回路控制系统。

该策略的缺点：此类型的跟踪值理解难度大，同时F(x)函数的准确性也需要进一步的验证，需要多年的摸索，目前难度最大在系统的辨识，实现对F(x)函数的设定。此函数与各单位所辖的热网大小、容量等形式有关，需要多次进行尝试才能得到相应的数值；调试周期增长，控制的难度也相对较大。

（3）通过设定疏水温度和环境温度的和

根据多年手动控制的经验以及对历史数据进行收集、辨识发现，多半运行人员将厂外热网加热器疏水温度t1控制在50（可变常量）-环境温度（t2）。通过此项进行自动回路的设计PV=t₁；SP=50-t₂，偏差e=PV-SP，则有

e=t₁-（t₂+50）=t₁+t₂-50

而50为相对固定的一个可变常量，可以根据天气变化适当调整。

对整个回路进行化简可以得到：控制厂外热网加热器疏水温度、环境温度两个温度和，与现有的控制唯一可变的常量作为对比的量进行控制，可以得到相对好的控制效果。自动跟踪回路的设计：自动控制时，PID跟踪手动的数输出；PV为t₁+t₂，而控制两个温度的和为一个常量；在手动控制时，该常量与自动跟踪厂内热网加热器疏水温度、环境温度两个温度和，实现无扰切换。

该策略的优点：该设计易于人员对控制回路的理解，于两个相关量有较为直接的含义；便于应对系统的外扰，如蒸汽参数的变化；应对系统内扰也有更好的控制；同时也预留运行人员进行手动偏差控制的接口，便于操控。该策略的缺点：暂未发现。

3 系统调试的问题选择

3.1 常规PID的策略设计

同时设计温度死区、解决温度系统大的迟延和惯性，避免温度响应时间长导致阀门大幅度波动，从而引起系统震荡。

参照其他设计PID下限，防止关死。要设计一种控制策略，避免长期关在低位和开在高位。基于日立H-5000M控制系统，没有防止积分饱和的功能，必要时需要其他元件辅助以实现该功能。如图2所示。

图2 厂内热网自动控制策略

3.2 环境温度的选择

在热力发电厂内，一般面积较大，很难采用单一的温度，实现对环境温度的综合测量。而实践中，将一台机组的送风机进口平均温度作为环境温度。由于一次风机进口的流速过高，导致过冷、计算异常，应避免选取一次风机进口。而作为配置为两台机组的厂内热网系统，则需要两台机组进行优选，对送风机的温度进行优选，使得可靠性进一步提高。如图3所示。

图3 厂内热网环境温度的处理

3.3 系统对象的辨识

对闭环系统对象的模拟，采用的方法有飞升曲线法、方波扰动法、理论推导法、频率特性法、闭环特性曲线法等方法^[1]。根据现场的实际系统分析，该系统为一多容、带有迟延、惯性、自平衡的对象，故选择方波阶跃的方式，G（s）=K×e^-τs×（1/（Ts+1））进行对象的特征函数的求取。根据实际进行阀门开关进10%的实验，检查热网加热器的出口温度上升16℃，延时时间30s，上升的时间2600s左右。对象进行辨识如图4所示。

图4 扰动实验的结果

通过曲线计算出K=1.45，τ=30s，T=2600s

G(s)=1.45×e^-30s×（1/（2600s+1））

系统的实际响应，按照大迟延、大惯性的对比系统，测得系统特性后，对于PID的整定，在控制策略选择比例积分环节，就可以对大迟延惯性关节进行整定。

4 取得的成果

（1）控制策略实用性分析

根据现有实际热力系统，充分考虑实际运行状况，拟采取按照第三种控制策略完善此项工作。通过整定对以上回路进行搭设，同时根据传递函数已经仿真整定后，投入自动，可以根据环境温度外部扰动以及蒸汽温度变换引起的内部扰动进行自动修正，实现暖气温度的温度自动控制。

对于温度控制不必特别精准地自动控制回路，需要合理设计控制的偏差死区、解决温度系统大的迟延和惯性，避免温度响应时间长导致阀门大幅度波动，从而引起系统震荡。

参照其他设计PID下限，防止关死。同时要设计一种控制策略，避免长期关在低位和开在高位。基于日立H-5000M控制系统，PID功能块没有防止积分饱和的功能，必要时需要辅助以其他元件实现该功能^[2]。经长时间运行的曲线如图5所示。

图5 热网蒸汽投入自动投入的曲线

期间未解除热网蒸汽调门的自动控制，可见该控制策略与就地实际对象相适应，运行操作人员工作强度实现了进一步降低。

（2）控制策略经济性分析

对热力系统进行计算，当环境温度升高或供汽参数升高导致热网循环水温度升高，则导致不必要的能量浪费。以厂内#3热网循环泵运行为例，额定流量650t/h计算，假定由于蒸汽参数、室外温度变化引起温度需要调整3℃，累计一个小时计算。

Q=CMΔt=4.2×1000×650×1000×3=8190×1000kJ=2275.182kWh

经查1kJ=0.0002778kWh，计算金额，以上网电价0.372元/kWh计算，每月可以节约25,391元，而每年可以节约12.7万元的收益。由此可见，此项控制策略是有一定的经济效益。

5 结语

对于自动调节系统，需要合理系统辨识，结合实际使用情况，构建闭环控制性系统，通过调整控制策略中的相关参数，可实现被控量的合理控制。同时为类似厂内热网系统采用简单的独立自动控制，实现温度可控，使得能耗进一步降低提供了一种新的控制思路。

作者简介：

郭有福 （1986-），男，山东荣成人，高级工程师，学士，现就职于河北大唐国际张家口热电有限责任公司，主要从事热工专业设备管理工作。

参考文献：

[1]金以惠.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1998.

[2]北京日立华胜控制系统有限公司.R600C宏命令使用说明书[Z].2007.

摘自《自动化博览》2022年7月刊