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★河北大唐國際張家口熱電有限責(zé)任公司郭有福

關(guān)鍵詞：廠內(nèi)熱網(wǎng)；蒸汽調(diào)門；控制策略

1 廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)介紹

在我國北方熱力發(fā)電廠，尤其黃河以北的地區(qū)冬季溫度低，導(dǎo)致設(shè)備可靠性降低，故多采用廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)作為保證冬季室內(nèi)防寒、防凍的一個(gè)重要手段。以河北張家口某公司的廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)配置廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器2臺(tái)，廠內(nèi)熱網(wǎng)循環(huán)泵3臺(tái)（1運(yùn)2備），提供廠內(nèi)熱網(wǎng)循環(huán)的動(dòng)力，廠內(nèi)熱網(wǎng)補(bǔ)水泵2臺(tái)，通過廠內(nèi)低壓除氧器現(xiàn)對(duì)廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)補(bǔ)水，系統(tǒng)圖如圖1所示。冬季廠內(nèi)熱網(wǎng)投運(yùn)，一般通過調(diào)整廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調(diào)門，控制進(jìn)入2臺(tái)加熱器的蒸汽量，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器出水溫度的手動(dòng)控制；通過廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器水位調(diào)整門控制廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器的液位，實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)加熱器的換熱效率的提高。而受到機(jī)組負(fù)荷的變化以及室外的溫度變化等不同擾動(dòng)因素的影響，需要及時(shí)調(diào)整廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器出口溫度，滿足實(shí)際需要。

圖1 廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)的系統(tǒng)圖

2 自動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)于該系統(tǒng)，只有在冬季暖氣投入時(shí)需要進(jìn)行控制。受加熱蒸汽溫度的參數(shù)（溫度、壓力）等外部擾動(dòng)，以及室外溫度的變化、熱網(wǎng)系統(tǒng)的散熱等內(nèi)擾的影響，廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)控制對(duì)象變得更為復(fù)雜。為了達(dá)到冬季防寒防凍的具體要求，要求運(yùn)行人員通過天氣和疏水溫度變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。而運(yùn)行人員也希望將該蒸汽調(diào)門自動(dòng)調(diào)整，降低因此發(fā)生調(diào)整不及時(shí)發(fā)生的考核以及日常頻繁調(diào)整的操作強(qiáng)度。通過現(xiàn)行的技術(shù)路線分析，大致有三種控制策略的設(shè)計(jì)思路：

（1）將廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調(diào)門設(shè)計(jì)開環(huán)控制。通過設(shè)計(jì)加熱器出水溫度和蒸汽閥門開度的對(duì)應(yīng)函數(shù)，根據(jù)疏水的閥門控制進(jìn)入2臺(tái)加熱器的蒸汽量，實(shí)現(xiàn)加熱器出水溫度控制。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：控制回路控制組成簡單，為開環(huán)控制，便于整定。

該策略的缺點(diǎn)：由于開環(huán)控制，該系統(tǒng)抑制外部擾動(dòng)干擾能力低，需運(yùn)行人員根據(jù)天氣情況，對(duì)溫度進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)和控制；同時(shí)蒸汽參數(shù)變化等內(nèi)部擾動(dòng)沒有閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)精度很難達(dá)到要求；開關(guān)的對(duì)象特性辨識(shí)難度大，同時(shí)調(diào)試、整定步驟不易于初學(xué)者的掌握。廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)投入的時(shí)間、面積等因素有較大的偏差。

（2）設(shè)計(jì)根據(jù)環(huán)境溫度的F(x)函數(shù)，進(jìn)行閉環(huán)控制。由于根據(jù)環(huán)境溫度，可以確定需要控制的疏水溫度的經(jīng)驗(yàn)值，將各經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行匯總，然后設(shè)計(jì)廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器進(jìn)汽調(diào)門的控制策略，實(shí)現(xiàn)疏水溫度有效地控制。設(shè)計(jì)自動(dòng)跟蹤功能：在控制回路處于手動(dòng)模式時(shí)，PID跟蹤手動(dòng)的輸出；設(shè)定值偏差，跟蹤F(x)輸出與當(dāng)前疏水溫度的偏差，自動(dòng)調(diào)整。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：整個(gè)回路簡單，為單回路控制系統(tǒng)。

該策略的缺點(diǎn)：此類型的跟蹤值理解難度大，同時(shí)F(x)函數(shù)的準(zhǔn)確性也需要進(jìn)一步的驗(yàn)證，需要多年的摸索，目前難度最大在系統(tǒng)的辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)F(x)函數(shù)的設(shè)定。此函數(shù)與各單位所轄的熱網(wǎng)大小、容量等形式有關(guān)，需要多次進(jìn)行嘗試才能得到相應(yīng)的數(shù)值；調(diào)試周期增長，控制的難度也相對(duì)較大。

（3）通過設(shè)定疏水溫度和環(huán)境溫度的和

根據(jù)多年手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、辨識(shí)發(fā)現(xiàn)，多半運(yùn)行人員將廠外熱網(wǎng)加熱器疏水溫度t1控制在50（可變常量）-環(huán)境溫度（t2）。通過此項(xiàng)進(jìn)行自動(dòng)回路的設(shè)計(jì)PV=t₁；SP=50-t₂，偏差e=PV-SP，則有

e=t₁-（t₂+50）=t₁+t₂-50

而50為相對(duì)固定的一個(gè)可變常量，可以根據(jù)天氣變化適當(dāng)調(diào)整。

對(duì)整個(gè)回路進(jìn)行化簡可以得到：控制廠外熱網(wǎng)加熱器疏水溫度、環(huán)境溫度兩個(gè)溫度和，與現(xiàn)有的控制唯一可變的常量作為對(duì)比的量進(jìn)行控制，可以得到相對(duì)好的控制效果。自動(dòng)跟蹤回路的設(shè)計(jì)：自動(dòng)控制時(shí)，PID跟蹤手動(dòng)的數(shù)輸出；PV為t₁+t₂，而控制兩個(gè)溫度的和為一個(gè)常量；在手動(dòng)控制時(shí)，該常量與自動(dòng)跟蹤廠內(nèi)熱網(wǎng)加熱器疏水溫度、環(huán)境溫度兩個(gè)溫度和，實(shí)現(xiàn)無擾切換。

該策略的優(yōu)點(diǎn)：該設(shè)計(jì)易于人員對(duì)控制回路的理解，于兩個(gè)相關(guān)量有較為直接的含義；便于應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的外擾，如蒸汽參數(shù)的變化；應(yīng)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)擾也有更好的控制；同時(shí)也預(yù)留運(yùn)行人員進(jìn)行手動(dòng)偏差控制的接口，便于操控。該策略的缺點(diǎn)：暫未發(fā)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)調(diào)試的問題選擇

3.1 常規(guī)PID的策略設(shè)計(jì)

同時(shí)設(shè)計(jì)溫度死區(qū)、解決溫度系統(tǒng)大的遲延和慣性，避免溫度響應(yīng)時(shí)間長導(dǎo)致閥門大幅度波動(dòng)，從而引起系統(tǒng)震蕩。

參照其他設(shè)計(jì)PID下限，防止關(guān)死。要設(shè)計(jì)一種控制策略，避免長期關(guān)在低位和開在高位。基于日立H-5000M控制系統(tǒng)，沒有防止積分飽和的功能，必要時(shí)需要其他元件輔助以實(shí)現(xiàn)該功能。如圖2所示。

圖2 廠內(nèi)熱網(wǎng)自動(dòng)控制策略

3.2 環(huán)境溫度的選擇

在熱力發(fā)電廠內(nèi)，一般面積較大，很難采用單一的溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的綜合測量。而實(shí)踐中，將一臺(tái)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)進(jìn)口平均溫度作為環(huán)境溫度。由于一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口的流速過高，導(dǎo)致過冷、計(jì)算異常，應(yīng)避免選取一次風(fēng)機(jī)進(jìn)口。而作為配置為兩臺(tái)機(jī)組的廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)，則需要兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行優(yōu)選，對(duì)送風(fēng)機(jī)的溫度進(jìn)行優(yōu)選，使得可靠性進(jìn)一步提高。如圖3所示。

圖3 廠內(nèi)熱網(wǎng)環(huán)境溫度的處理

3.3 系統(tǒng)對(duì)象的辨識(shí)

對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)象的模擬，采用的方法有飛升曲線法、方波擾動(dòng)法、理論推導(dǎo)法、頻率特性法、閉環(huán)特性曲線法等方法^[1]。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際系統(tǒng)分析，該系統(tǒng)為一多容、帶有遲延、慣性、自平衡的對(duì)象，故選擇方波階躍的方式，G（s）=K×e^-τs×（1/（Ts+1））進(jìn)行對(duì)象的特征函數(shù)的求取。根據(jù)實(shí)際進(jìn)行閥門開關(guān)進(jìn)10%的實(shí)驗(yàn)，檢查熱網(wǎng)加熱器的出口溫度上升16℃，延時(shí)時(shí)間30s，上升的時(shí)間2600s左右。對(duì)象進(jìn)行辨識(shí)如圖4所示。

圖4 擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

通過曲線計(jì)算出K=1.45，τ=30s，T=2600s

G(s)=1.45×e^-30s×（1/（2600s+1））

系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，按照大遲延、大慣性的對(duì)比系統(tǒng)，測得系統(tǒng)特性后，對(duì)于PID的整定，在控制策略選擇比例積分環(huán)節(jié)，就可以對(duì)大遲延慣性關(guān)節(jié)進(jìn)行整定。

4 取得的成果

（1）控制策略實(shí)用性分析

根據(jù)現(xiàn)有實(shí)際熱力系統(tǒng)，充分考慮實(shí)際運(yùn)行狀況，擬采取按照第三種控制策略完善此項(xiàng)工作。通過整定對(duì)以上回路進(jìn)行搭設(shè)，同時(shí)根據(jù)傳遞函數(shù)已經(jīng)仿真整定后，投入自動(dòng)，可以根據(jù)環(huán)境溫度外部擾動(dòng)以及蒸汽溫度變換引起的內(nèi)部擾動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)修正，實(shí)現(xiàn)暖氣溫度的溫度自動(dòng)控制。

對(duì)于溫度控制不必特別精準(zhǔn)地自動(dòng)控制回路，需要合理設(shè)計(jì)控制的偏差死區(qū)、解決溫度系統(tǒng)大的遲延和慣性，避免溫度響應(yīng)時(shí)間長導(dǎo)致閥門大幅度波動(dòng)，從而引起系統(tǒng)震蕩。

參照其他設(shè)計(jì)PID下限，防止關(guān)死。同時(shí)要設(shè)計(jì)一種控制策略，避免長期關(guān)在低位和開在高位。基于日立H-5000M控制系統(tǒng)，PID功能塊沒有防止積分飽和的功能，必要時(shí)需要輔助以其他元件實(shí)現(xiàn)該功能^[2]。經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行的曲線如圖5所示。

圖5 熱網(wǎng)蒸汽投入自動(dòng)投入的曲線

期間未解除熱網(wǎng)蒸汽調(diào)門的自動(dòng)控制，可見該控制策略與就地實(shí)際對(duì)象相適應(yīng)，運(yùn)行操作人員工作強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步降低。

（2）控制策略經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)熱力系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度升高或供汽參數(shù)升高導(dǎo)致熱網(wǎng)循環(huán)水溫度升高，則導(dǎo)致不必要的能量浪費(fèi)。以廠內(nèi)#3熱網(wǎng)循環(huán)泵運(yùn)行為例，額定流量650t/h計(jì)算，假定由于蒸汽參數(shù)、室外溫度變化引起溫度需要調(diào)整3℃，累計(jì)一個(gè)小時(shí)計(jì)算。

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

經(jīng)查1kJ=0.0002778kWh，計(jì)算金額，以上網(wǎng)電價(jià)0.372元/kWh計(jì)算，每月可以節(jié)約25,391元，而每年可以節(jié)約12.7萬元的收益。由此可見，此項(xiàng)控制策略是有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

對(duì)于自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需要合理系統(tǒng)辨識(shí)，結(jié)合實(shí)際使用情況，構(gòu)建閉環(huán)控制性系統(tǒng)，通過調(diào)整控制策略中的相關(guān)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)被控量的合理控制。同時(shí)為類似廠內(nèi)熱網(wǎng)系統(tǒng)采用簡單的獨(dú)立自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)溫度可控，使得能耗進(jìn)一步降低提供了一種新的控制思路。

作者簡介：

郭有福 （1986-），男，山東榮成人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于河北大唐國際張家口熱電有限責(zé)任公司，主要從事熱工專業(yè)設(shè)備管理工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]金以惠.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

[2]北京日立華勝控制系統(tǒng)有限公司.R600C宏命令使用說明書[Z].2007.

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年7月刊