★侯伟军，李福军，轩福杰，史春方（杭州和利时自动化有限公司，浙江杭州310000）

关键词：锅炉；过热蒸汽温度；PID控制；数据预测；和利时DCS；优化控制

1 引言

随着分散控制系统越来越成熟完善，对锅炉的自动化控制要求越来越高，蒸汽温度是机组热力系统的重要参数之一，其变化幅度直接影响整个机组的可靠性与经济效益[１]。因此，在机组实际运行过程中，过热汽温必须严格控制在一定范围内，当发生扰动时，控制系统必须迅速调节减温水阀开度，使汽温维持在设定值±５℃以内，并使整个系统快速达到稳定状态，由于锅炉出口温度控制在调节过程中，存在滞后和延迟，同时在实际工况中又存在燃烧状况、给水压力、阀门特性等影响，在变负荷情况下，蒸汽温度会有很多的变化幅度，导致温度极易容易控制，本文在通过传统串级PID的调节基础上[2，3]，引入状态判断和数据趋势前馈方法，根据锅炉温度及其变化趋势，基于串级控制逻辑，提出3种控制状态，4个控制分区，有针对地调整减温水开度，使其更好地满足变负荷，尤其是全工况，其控制效果明显。

2 控制对象

锅炉过热系统的蒸汽从包墙管出口，经过低温过热器、屏式过热器、高温过热器到锅炉出口，如图1所示。为了使过热汽温达到设定值，锅炉一般采用两级喷水减温装置。其中一级喷水减温器设置在低温过热器之后，用来控制屏式过热器出口温度，使其达到设定值470℃；二级喷水减温器设置在屏式过热器之后，用来控制高温过热器出口温度，使其达到设定值538℃，通过调节减温水阀门控制减温水流量，使过热汽温维持到设定值。

图1 锅炉过热系统

3 控制原理

在常规蒸汽温度控制中，采用串级PID调节，PID控制器因其结构清晰、鲁棒性好、参数调节方便等特点被广泛应用[4]，可表示如式（1）所示：

（1）式中：K_p为比例因子；K_i为积分增益；K_d为微分增益；e(t)为系统误差。

在蒸汽温度控制策略中，来自锅炉给煤量、风量的变化，都会对锅炉蒸汽温度产生扰动，对温度控制的趋势和幅度进行过数据趋势分析，根据变化趋势，判断是否控制器动作，同时依据温度差值变化计算前馈量，叠加到串级PID调节的前馈上，其控制原理图如图2所示。

图2 控制原理图

3.1 控制状态判读

在常规PID的调节过程中，为了避免调节器长时间微量调节发热等，保护执行器，一般会设置死区，这种简单的设置虽然有一定效果，但会产生另外的问题，当温度从高位降低到死区上限内或从低位上升到死区下限，由于调节器存在死区，温度会稳定在死区上部或下部，并不是稳定在温度目标值附近，在实际控制过程中，如果当时温度在控制温度的上限附近，这时给煤增加或燃烧增强，温度就会超标，如果死区设置过小，则减温水调门会时常调整，就相当于牺牲阀门来保证温度。在锅炉实际控制要求中，既要将温度控制在设定值附近，同时又能及时响应负荷变化，本文通过数据分析将调节器状态分稳态、暂态、死态三种进行调节，可以很好地解决这种问题。将锅炉温度存入数组中，输出某段时间（内部参数）的平均值，如果|平均值-过程值|＜过程偏差设定值，且|设定值-过程值|＜调节偏差设定值，这时PID处于一种相对稳定的状态，调节指令保持不变，处于“死态”；如果|平均值-过程值|＜过程偏差设定值，且|设定值-过程值|≥调节偏差设定值，这时控制器处于“稳态”，PID由于过程值在DCS中的扫描周期内变化很小，比例作用对调节的影响不大，需要通过积分作用加速温度回头；如果|平均值-过程值|≥过程偏差设定值，控制器处于“暂态”，则按照原参数，正常调整。在图3中，T3~T4时间段，尽管过程值在设定值死区范围内（例如±0.5℃），由于历史趋势（5分钟）判定为暂态，PID正常参与调节；在T4~T7时间段，为判定为稳态，由于偏离设定值，PID需要适当增加积分成分（内部调整值，例如1.2倍）参与调节；在T13~T19时间段，判定为死态，PID不参与调节，保持输出。

图3 调节状态判读

3.2 控制过程分区

由于PID调节数据反馈调节，在调节过程中存在滞后性，对于减温水这种惯性大的回路，调节过程更加滞后，本文采用对调节进行分区控制策略，将调节分为4个区，如图4所示，1区正向增长（T6~T9），属于增向调整区；2区正向回调（T10~T12），需要反向加速回调；3区反向减少（T13~T14），属于减向调整区；4区反向回调（T16~T18），需要反向加速回调。在调节进入1区初期，由于惯性大，偏差基于PID自身，存在很大的滞后，个别回路达到10分钟，实际给水调门会因为温度的滞后性，超调很大，个别会引起震荡，基于此，在1区会减弱比例积分参数，在进入1区开始阶段引入偏差前馈（OCB），提前开启或关闭减温水调门，同时根据温度斜率逐步回收指令，避免因温度长时间高于设定值，导致减温水门开度很大，在调节进入2区时，由于PID调节，此时过程值已经开始回头，需要加速过程值回归设定值附近，避免减温水门开度持续在高位，导致减温水喷入过多，因此温度一旦开始降低，会低于设定值很多，引入回头前馈（OCD），在调节过程中，周期性判断过程值设指定值的整体偏差，如果偏差过大，则整体调整减温水指令，引入整体前馈（OCC），抬升或降低蒸汽温度幅度。通过引入3种前馈，既可以快速响应，又可避免超调。

图4 调节分区

4 控制逻辑实现

在和利时DCS软件MACSV6中，通过ST语言和CFC语言配合实现。如图5所示，主调的设定值（SP1）由现场操作人员设定，过程值（PV）为锅炉出口温度；主调的输出作为副调的设定值（SP2），副调的过程值（PV）为二级减温水喷水后温度，输出量（FAO）为现场控制指令；状态判断（ZS）在控制器PIO内部逻辑实现，根据锅炉出口温度和设定值的变化趋势，判断其控制处于具体的4个分区，分别输出前馈值（OC），如果根据温度的变化趋势进行前馈值的回收归零操作。以OCB为例，锅炉蒸汽温度上升进入1区后，会触发输出OC，如果温度继续上升，则OC保持，锅炉出口温度由于控制器的调节和前馈作用的增加，温度趋于平缓或下降，这时则将OC的逐步减少至零，如果在减少期间，温度变化趋势上升，则触发保持OC。

通过这种逻辑，可以有效地减少温升的幅度和速率，达到控温目的。总的来说，在原来控制策略中，需要弱化原来的比例和积分，一旦温度偏离设定值，通过加速前馈量预动作一部分减温水调整量进行遏制温度偏离，如果温度向设定值回归，则说明之前调整的减温水量已经足够，因为调节滞后，很有可能会多出一部分，这样正好可以通过回头前馈量回收一部分减温水量，避免温度回到设定值后又继续偏离很多；在这两种前馈的作用过程中，有可能会多一部分减温水或少一部分减温水，一旦这样的情况发生，通过整体前馈进行弥补，达到最佳的温控点。PIO为比例积分微分控制器，增加了位置式和增量式2中前馈，OCB为加速前馈功能块；OCC为整体前馈功能块，OCD为回头前馈功能块，这3个功能块对位输入输出项一致，便于组态，内部参数不同，通过输出可以很方便地查看输出值，有利于调试。控制器PIO输入侧数据见表1，加速前馈OCB输入侧数据见表2，串级主逻辑、前馈逻辑如图5、图6所示。

表1 控制器PIO输入侧数据

图5 串级主逻辑 

表2 加速前馈OCB输入侧数据

图6 前馈逻辑

5 应用实例

某现场为化工厂供汽中心热电联产项目3×540t/h机组，其减温水采用串级控制系统，通过常规控制策略中，增加了控制器状态判断，同时根据数据的变化趋势进行前馈干预，可以有效地克服煤量、风量、炉膛燃烧状况对出口温度的干扰，避免机组其他参数动态超调量对锅炉出口温度的影响，整体控制在±2℃内，如图7、图8所示。

图7 优化参数界面

图8 优化蒸汽温度曲线

6 结语

通过辨识状态和数据趋势前馈进行动态调整及优化，在不需要人工干预的情况下，对控制器调节进行弥补，即在连续的PID控制策略上，增加了类似“开关量”的点触式控制，提升控制系统的响应速率，提高控制系统的控制精度。该方案控制结构简单，通过现场修改参数可以很好解决滞后延迟回路，易于工程使用，具有广阔的应用前景。

作者简介：

侯伟军 （1981-），男，河北石家庄人，中级工程师，硕士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化、燃烧优化。

李福军 （1982-），男，浙江杭州人，中级工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化、燃烧优化。

轩福杰 （1986-），男，山东菏泽人，中级工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化、燃烧优化。

史春方 （1986-），男，吉林长春人，中级工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，研究方向为工业过程自动化、燃烧优化。

参考文献：

[1]王万召,王杰.过热汽温自适应逆控制方案研究[J].电力自动化设备,2013,33(9):54-57

[2]锅炉蒸汽温度串接多容小惯性全补偿前馈控制[J].热力发电,2010,39(6):42-43

[3]循环流化床锅炉主蒸汽温度的负荷自适应控制研究[J].热力发电,2013,42(10):58-61

[4]锅炉过热蒸汽温度动态预测PID控制算法[J].热力发电,2016,45(8):104-108

摘自《自动化博览》2022年9月刊