自運行以來，因為種種原因，協(xié)調沒有投入。運行中發(fā)現(xiàn)，火電廠主汽溫度自動調節(jié)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(wěn)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，主汽溫度自動調節(jié)越來越穩(wěn)定，最終滿足了生產(chǎn)要求?，F(xiàn)將火電廠主汽溫度控制系統(tǒng)投自動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(shù)用符號做個規(guī)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、第一階段 串級調節(jié)系統(tǒng)
起初我們設計的時串級調節(jié)系統(tǒng)。其控制編程示意圖如下：
圖1 串級控制系統(tǒng)
在調試期間，調試所的人員根據(jù)以往的經(jīng)驗，用常規(guī)的參數(shù)。使用參數(shù)大致如下：δ1=100，Ti1=150，δ2=60，Ti2=260。
在PID整定參數(shù)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(tǒng)穩(wěn)定下來。系統(tǒng)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(tǒng)可能有其特殊性。經(jīng)過仔細觀察該系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)超前信號始終不能發(fā)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(guī)系統(tǒng)一樣，也采用的是噴水減溫后的溫度。經(jīng)過對超前信號和主信號的觀察，發(fā)現(xiàn)超前信號還是能夠超前地反映主信號波動的趨勢的?？梢詳喽?，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。最終確定δ2=10左右可以正常發(fā)揮超前作用。這時候又發(fā)現(xiàn)，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(fā)揮的作用很不明顯。那么就減弱主信號吧。最終整定主信號δ1=320。
為了消除靜差，我們逐漸強積分作用。最終確認Ti1=800。
讀者可能會發(fā)現(xiàn)這里的積分作用有點弱了。這個數(shù)值不是有意為之，是在反復衡量之后才得出的數(shù)值。本來擬欲增強積分作用，可是總是發(fā)現(xiàn)積分作用蓋過了比例作用，對系統(tǒng)調節(jié)造成了干擾。增大積分時間之后，發(fā)現(xiàn)完全可以消除靜差，因而確認了這個參數(shù)。究其數(shù)值過大，可能屬于DCS系統(tǒng)的原因。
在調整副調的積分作用的過程中，發(fā)現(xiàn)副調的積分作用始終不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。為此，我們干脆舍棄積分作用。讓Ti2大于等于2000以上。
此時，主汽溫度自動調節(jié)質量有了明顯的好轉，系統(tǒng)不再震蕩。穩(wěn)定工況下，系統(tǒng)可以正常運行。主汽溫度一般穩(wěn)定在535±4℃。煙氣及燃燒稍有波動，溫度波動就較大?？垢蓴_能力較弱。
此階段最參數(shù)如下：δ1=320，Ti1=800，δ2=10，Ti2=2500
2、第二階段 導前微分調節(jié)系統(tǒng)
總結第一階段溫度波動的原因，發(fā)現(xiàn)即使有超前信號作為前饋，但是系統(tǒng)反應還是不夠快，再加上執(zhí)行機構有一定的死區(qū)，所以往往等到閥門流量有反應的時候，主汽溫度已經(jīng)開始變化了。經(jīng)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自動調節(jié)系統(tǒng)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(wěn)妥起見，我設計了個帶有導前微分功能的串級調節(jié)系統(tǒng)。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：
圖2 帶導前微分功能的串級控制系統(tǒng)
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(jīng)過微分之后的數(shù)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(jīng)過調試，發(fā)現(xiàn)我公司的鍋爐，更適用于導前微分調節(jié)系統(tǒng)。
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(jù)變化速率使輸出比串級系統(tǒng)更加快速調節(jié)。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(tài)，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(jié)作用。這個“超前調節(jié)”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(wěn)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(tǒng)輸出帶來微小而快速的抖動，造成執(zhí)行機構反復動作。增加微分時間，可以消除抖動?？墒窃黾恿宋⒎謺r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。
最終，我們得到如下的調節(jié)參數(shù)：δ1=160，Ti1=255，δ2=20，Ti2=2500，KD=55，KT=55。
根據(jù)系統(tǒng)的不同，上面這個參數(shù)也會有改變。我們同一臺鍋爐，兩套主汽溫之間的參數(shù)就很不一樣。另一套參數(shù)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(shù)僅作參考。本文得出的主要經(jīng)驗就是：不能拘泥于以往的經(jīng)驗對待所有的自動調節(jié)系統(tǒng)，而應該根據(jù)具體情況，設定合適的參數(shù)。不管這個參數(shù)跟以往的經(jīng)驗區(qū)別再大，只要系統(tǒng)穩(wěn)定，參數(shù)就算合理。
最終得到的調節(jié)效果是：穩(wěn)定工況下，主汽溫度維持在535±3℃之內。系統(tǒng)抗干擾能力有了大幅度提高。
主蒸汽溫度制動調節(jié)效果圖，見附圖1、附圖2。
附圖1：導前微分調節(jié)系統(tǒng)正常工況調節(jié)效果圖。時間跨度1小時
附圖2：導前微分擾動工況主汽溫度自動調節(jié)效果圖。時間跨度1小時
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(jié)系統(tǒng)
第二階段的調節(jié)效果雖然有很大效果，但是我還發(fā)現(xiàn)了許多不足?？偨Y起來有如下幾個方面：
①執(zhí)行機構動作頻繁。執(zhí)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(zhí)行機構的動作很多都屬于無效調節(jié)。一方面造成執(zhí)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。
空行程幾乎是所有自動調節(jié)系統(tǒng)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(tǒng)，這個問題大都可以忽略。但是因為我公司鍋爐的抗干擾能力較差，經(jīng)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(jīng)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(jīng)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3：
圖3 帶超前微分和前饋量的串級控制系統(tǒng)
考慮到可能因減溫水流量信號過強，造成系統(tǒng)震蕩，特給該信號加了一個系數(shù)。
編程設計下裝后，經(jīng)過多次PID整定，確認參數(shù)如下：δ1=330，Ti1=555，δ2=20，Ti2=5，KD=40，KT=88；流量系數(shù)=0.58，PID2的死區(qū)=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(zhí)行機構不停動作，電機可能會因過熱燒壞。因而給 PID2加了個死區(qū)。
經(jīng)過實踐檢驗，確認這個方案是可行的。主汽溫度自動調節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力也大大加強，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℃。最終主汽溫度的偏差在548±3℃之內。執(zhí)行機構要么不動作，要么較大幅度動作，徹底克服了執(zhí)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(jié)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。
調節(jié)效果圖，見附圖3和附圖4。
附圖3：帶反饋調節(jié)系統(tǒng)正常工況效果圖。可以看出，執(zhí)行器要么不動，要么動作直到流量有變化才停止。時間跨度1小時。圖中，似乎執(zhí)行器動作很頻繁，但是統(tǒng)計1小時內動作次數(shù)在25次，不會造成執(zhí)行器過熱的。
附圖4：帶反饋調節(jié)系統(tǒng)擾動工況效果圖
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。如果我們使得主汽溫度自動調節(jié)系統(tǒng)運算加強，又可能造成穩(wěn)定工況下系統(tǒng)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(jīng)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(jié)可能過于“超前”，因而可能調節(jié)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(jié)純滯后時間，應該可以達到要求。這個思路沒有經(jīng)過驗證，不知道能不能行得通。也許真正實用的時候，要經(jīng)過許多修改和探索吧。
5、需要說明的問題
各個電廠的環(huán)境工況設備不同，PID參數(shù)設置各有不同。不可拘泥某個經(jīng)驗參數(shù)。在上述主汽溫度自動調節(jié)系統(tǒng)調試過程中，所列舉的參數(shù)，僅可以作為參考。附圖中，調節(jié)效果完全有可能會再進一步提高。同時，如果協(xié)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(shù)的思路。我的思路也有盲區(qū)，歡迎各位批評指正。
作者：白志剛(河南焦作華潤熱電有限公司技術部)
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