自運(yùn)行以來(lái)，因?yàn)榉N種原因，協(xié)調(diào)沒(méi)有投入。運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，火電廠主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)非常困難。波動(dòng)大，易受干擾。在負(fù)荷大幅度快速波動(dòng)時(shí)候，主汽壓力不易穩(wěn)定。當(dāng)燃料量波動(dòng)的時(shí)候，主汽溫度波動(dòng)也很大。為此，我們進(jìn)行了多次努力，主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)越來(lái)越穩(wěn)定，最終滿足了生產(chǎn)要求。現(xiàn)將火電廠主汽溫度控制系統(tǒng)投自動(dòng)步驟跟大家作以下介紹，也許會(huì)有一些啟示。
為了行文的簡(jiǎn)潔，咱們對(duì)幾個(gè)重要參數(shù)用符號(hào)做個(gè)規(guī)定：
1、主PID的比例帶：δ1
2、主PID的積分時(shí)間：Ti1
3、副P(pán)ID的比例帶：δ2
4、副P(pán)ID的積分時(shí)間：Ti2
5、主PID的輸入偏差△1
6、副P(pán)ID的輸入偏差△2
7、微分增益：KD 8、微分時(shí)間：KT
1、第一階段 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
起初我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其控制編程示意圖如下：
圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)
在調(diào)試期間，調(diào)試所的人員根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，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(guò)程中，調(diào)試人員，在這個(gè)基礎(chǔ)上，大約上下浮動(dòng)50%的幅度，始終不能使得系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。系統(tǒng)一直處于大幅度震蕩過(guò)程。
后來(lái)我考慮到我們公司的減溫系統(tǒng)可能有其特殊性。經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察該系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)超前信號(hào)始終不能發(fā)揮超前作用。是不是超前信號(hào)采樣不當(dāng)呢？我們的超前信號(hào)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(guò)對(duì)超前信號(hào)和主信號(hào)的觀察，發(fā)現(xiàn)超前信號(hào)還是能夠超前地反映主信號(hào)波動(dòng)的趨勢(shì)的。可以斷定，信號(hào)采集正確。
為了提高超前信號(hào)的作用，我大幅度加強(qiáng)副調(diào)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(shí)候又發(fā)現(xiàn)，雖然超前信號(hào)起到了作用，可是主信號(hào)還是太強(qiáng)，超前信號(hào)發(fā)揮的作用很不明顯。那么就減弱主信號(hào)吧。最終整定主信號(hào)δ1=320。
為了消除靜差，我們逐漸強(qiáng)積分作用。最終確認(rèn)Ti1=800。
讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這里的積分作用有點(diǎn)弱了。這個(gè)數(shù)值不是有意為之，是在反復(fù)衡量之后才得出的數(shù)值。本來(lái)擬欲增強(qiáng)積分作用，可是總是發(fā)現(xiàn)積分作用蓋過(guò)了比例作用，對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)造成了干擾。增大積分時(shí)間之后，發(fā)現(xiàn)完全可以消除靜差，因而確認(rèn)了這個(gè)參數(shù)。究其數(shù)值過(guò)大，可能屬于DCS系統(tǒng)的原因。
在調(diào)整副調(diào)的積分作用的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)副調(diào)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(shí)，主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)質(zhì)量有了明顯的好轉(zhuǎn)，系統(tǒng)不再震蕩。穩(wěn)定工況下，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。主汽溫度一般穩(wěn)定在535±4℃。煙氣及燃燒稍有波動(dòng)，溫度波動(dòng)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(dǎo)前微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)
總結(jié)第一階段溫度波動(dòng)的原因，發(fā)現(xiàn)即使有超前信號(hào)作為前饋，但是系統(tǒng)反應(yīng)還是不夠快，再加上執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定的死區(qū)，所以往往等到閥門(mén)流量有反應(yīng)的時(shí)候，主汽溫度已經(jīng)開(kāi)始變化了。經(jīng)過(guò)觀察，從超前信號(hào)開(kāi)始變化，到主信號(hào)有變化，之間的時(shí)間滯后，大約為 30 秒左右。這么短的時(shí)間，超前信號(hào)所起到的超前作用比較微弱。
為了克服這個(gè)問(wèn)題，能不能使用帶有導(dǎo)前微分的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)呢？我公司的DCS由北京和利時(shí)提供，在線修改下裝比較難。只有在聽(tīng)爐時(shí)候修改下裝比較安全。因?yàn)樾薷南卵b一次比較困難，為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，我設(shè)計(jì)了個(gè)帶有導(dǎo)前微分功能的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在必要的時(shí)候，在導(dǎo)前微分模式和串級(jí)模式之間可以互相切換。
具體編程如下：
圖2 帶導(dǎo)前微分功能的串級(jí)控制系統(tǒng)
在上圖中，微分塊和PID2模塊之間，增加了一個(gè)加法模塊。因?yàn)槌靶盘?hào)經(jīng)過(guò)微分之后的數(shù)值，始終圍繞在0左右波動(dòng)。為了觀察方便，特在微分功能之后加了50%，沒(méi)有其它額外的作用。當(dāng)使用串級(jí)功能的時(shí)候，令微分增益KD=0即可。
經(jīng)過(guò)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)我公司的鍋爐，更適用于導(dǎo)前微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
在導(dǎo)前信號(hào)一有波動(dòng)的苗頭，微分作用馬上使閥門(mén)開(kāi)度變化。在波動(dòng)來(lái)臨的時(shí)候，微分作用可以根據(jù)變化速率使輸出比串級(jí)系統(tǒng)更加快速調(diào)節(jié)。更重要的是微分作用的另一個(gè)特性：波動(dòng)來(lái)臨時(shí)，微分增益使得輸出變化，波動(dòng)停止的時(shí)候，即使這個(gè)波動(dòng)沒(méi)有向相反方向回調(diào)，而保持在靜止?fàn)顟B(tài)，微分作用也會(huì)因?yàn)樽陨淼脑?，使得輸出開(kāi)始回調(diào)，因而更顯得“導(dǎo)前”信號(hào)的超前調(diào)節(jié)作用。這個(gè)“超前調(diào)節(jié)”帶來(lái)的超前作用，往往比超前信號(hào)更要超前。我們知道：超前信號(hào)在波動(dòng)結(jié)束的時(shí)候，往往會(huì)有個(gè)相對(duì)靜止的平穩(wěn)期，然后再向相反方向波動(dòng)。因而，微分時(shí)間帶來(lái)的超前回調(diào)作用，顯得非常重要了。
那么，我們需要注意的就是，因?yàn)槲⒎衷鲆娴脑?，可能?huì)給系統(tǒng)輸出帶來(lái)微小而快速的抖動(dòng)，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)動(dòng)作。增加微分時(shí)間，可以消除抖動(dòng)。可是增加了微分時(shí)間，有可能會(huì)使超前作用減弱。要消除抖動(dòng)和超前之間的矛盾，需要對(duì)微分增益和微分時(shí)間作個(gè)比較合適的考慮。
最終，我們得到如下的調(diào)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(gè)參數(shù)也會(huì)有改變。我們同一臺(tái)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(yàn)就是：不能拘泥于以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)待所有的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而應(yīng)該根據(jù)具體情況，設(shè)定合適的參數(shù)。不管這個(gè)參數(shù)跟以往的經(jīng)驗(yàn)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(diào)節(jié)效果是：穩(wěn)定工況下，主汽溫度維持在535±3℃之內(nèi)。系統(tǒng)抗干擾能力有了大幅度提高。
主蒸汽溫度制動(dòng)調(diào)節(jié)效果圖，見(jiàn)附圖1、附圖2。
附圖1：導(dǎo)前微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工況調(diào)節(jié)效果圖。時(shí)間跨度1小時(shí)
附圖2：導(dǎo)前微分?jǐn)_動(dòng)工況主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)效果圖。時(shí)間跨度1小時(shí)
3、第三階段 帶有導(dǎo)前微分和減溫水負(fù)反饋功能的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
第二階段的調(diào)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(jié)起來(lái)有如下幾個(gè)方面：
①執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作頻繁。執(zhí)行機(jī)構(gòu)反復(fù)開(kāi)關(guān)，雖然動(dòng)作幅度不大，但是時(shí)間久了，可能會(huì)對(duì)閥門(mén)特性曲線不利；
②由于閥門(mén)存在一定的空行程，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作很多都屬于無(wú)效調(diào)節(jié)。一方面造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)徒勞無(wú)益的動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)都存在的問(wèn)題，也幾乎是不可避免的問(wèn)題。對(duì)于一些不大敏感的系統(tǒng)，這個(gè)問(wèn)題大都可以忽略。但是因?yàn)槲夜惧仩t的抗干擾能力較差，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，在解決了其它問(wèn)題之后，這個(gè)問(wèn)題就凸顯了起來(lái)了。
以前我在別的地方曾經(jīng)嘗試用了一些手段來(lái)彌補(bǔ)空行程，可是程序較復(fù)雜。和利時(shí)軟件運(yùn)行后修改程序較為困難。這個(gè)方法不能使用。
那么，我考慮到，加入流量反饋，加強(qiáng)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(yùn)算，直到減溫水流量變化，達(dá)到了PID1的輸出的要求為止。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮，理論上行得通。關(guān)鍵在于PID2 的積分作用要足夠的強(qiáng)，使得PID2的輸入端只要有偏差，輸出端能夠在幾秒鐘內(nèi)，不斷地依靠積分運(yùn)算，命令閥門(mén)動(dòng)作，去彌補(bǔ)這個(gè)偏差。
具體編程如圖3：
圖3 帶超前微分和前饋量的串級(jí)控制系統(tǒng)
考慮到可能因減溫水流量信號(hào)過(guò)強(qiáng)，造成系統(tǒng)震蕩，特給該信號(hào)加了一個(gè)系數(shù)。
編程設(shè)計(jì)下裝后，經(jīng)過(guò)多次PID整定，確認(rèn)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(hào)不斷的變化，微分作用運(yùn)算使得PID2的測(cè)量值不斷地處于波動(dòng)中，可能會(huì)造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)不停動(dòng)作，電機(jī)可能會(huì)因過(guò)熱燒壞。因而給 PID2加了個(gè)死區(qū)。
經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)，確認(rèn)這個(gè)方案是可行的。主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力也大大加強(qiáng)，即使在負(fù)荷有大幅度波動(dòng)的情況下溫度波動(dòng)范圍也不超過(guò)±5℃。最終主汽溫度的偏差在548±3℃之內(nèi)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)要么不動(dòng)作，要么較大幅度動(dòng)作，徹底克服了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空行程。在標(biāo)準(zhǔn)工況和一定的干擾工況情況下，一般人工干預(yù)往往還不如自動(dòng)調(diào)節(jié)效果好。在大擾動(dòng)情況下，適當(dāng)修改設(shè)定值，可以使得溫度仍然波動(dòng)達(dá)到要求。
調(diào)節(jié)效果圖，見(jiàn)附圖3和附圖4。
附圖3：帶反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)正常工況效果圖?？梢钥闯觯瑘?zhí)行器要么不動(dòng)，要么動(dòng)作直到流量有變化才停止。時(shí)間跨度1小時(shí)。圖中，似乎執(zhí)行器動(dòng)作很頻繁，但是統(tǒng)計(jì)1小時(shí)內(nèi)動(dòng)作次數(shù)在25次，不會(huì)造成執(zhí)行器過(guò)熱的。
附圖4：帶反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)擾動(dòng)工況效果圖
4、今后還可能可以改進(jìn)的地方
為什么負(fù)荷大幅度快速波動(dòng)的時(shí)候，主汽溫度會(huì)波動(dòng)較大呢？假如負(fù)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(shí)候燃料量急劇加大，煙氣流速加快。主汽管道吸熱面此時(shí)會(huì)因?qū)α骷訌?qiáng)，使得主汽溫度快速升高。同時(shí)，當(dāng)負(fù)荷增加的時(shí)候，蒸汽量增加，單位蒸汽吸熱量降低，都會(huì)導(dǎo)致超前氣溫會(huì)急劇增加，減溫水即使急速增加，往往還是有點(diǎn)慢。造成溫度過(guò)高。如果我們使得主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)算加強(qiáng)，又可能造成穩(wěn)定工況下系統(tǒng)震蕩。
怎樣才可以彌補(bǔ)因?yàn)闊煔饬鲃?dòng)和蒸汽量波動(dòng)帶來(lái)的溫度波動(dòng)呢？我初步考慮，需要再增加一個(gè)總?cè)剂狭啃盘?hào)。經(jīng)觀察，從總?cè)剂狭块_(kāi)始波動(dòng)，到主汽溫度有反應(yīng)，大約有1分鐘左右的間隔。這樣燃料量波動(dòng)帶來(lái)的減溫水調(diào)節(jié)可能過(guò)于“超前”，因而可能調(diào)節(jié)質(zhì)量反而下降。為了消除這個(gè)問(wèn)題，需要在總?cè)剂狭亢蠹右粋€(gè)純滯后功能。然后在調(diào)試過(guò)程中，多次調(diào)節(jié)純滯后時(shí)間，應(yīng)該可以達(dá)到要求。這個(gè)思路沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，不知道能不能行得通。也許真正實(shí)用的時(shí)候，要經(jīng)過(guò)許多修改和探索吧。
5、需要說(shuō)明的問(wèn)題
各個(gè)電廠的環(huán)境工況設(shè)備不同，PID參數(shù)設(shè)置各有不同。不可拘泥某個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在上述主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，所列舉的參數(shù)，僅可以作為參考。附圖中，調(diào)節(jié)效果完全有可能會(huì)再進(jìn)一步提高。同時(shí)，如果協(xié)調(diào)投入自動(dòng)，溫度控制會(huì)可能再上一個(gè)臺(tái)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(píng)指正。
作者：白志剛(河南焦作華潤(rùn)熱電有限公司技術(shù)部)
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