磨煤機自動控制系統(tǒng)解耦

王靜

摘 要：雖然傳統(tǒng)磨煤機的出口壓力、出口溫度控制是2個獨立的系統(tǒng)，但是，它們會相互影響，導致控制回路發(fā)生耦合。簡要分析了控制回路發(fā)生耦合的原因，綜合冷風量、熱風量的相關控制策略，并采取調節(jié)總風量和熱冷風配比的方法自動控制壓力和溫度，從根本上解決系統(tǒng)耦合的問題。

關鍵詞：解耦；總風量；風配比；磨煤機

中圖分類號：TM621.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.061

在電力應用中，傳統(tǒng)磨煤機的出口壓力、出口溫度控制是一對比較典型的耦合系統(tǒng)。以該系統(tǒng)為例，研究相應的解耦辦法。傳統(tǒng)磨煤機的熱力系統(tǒng)如圖1所示。

風壓擾動會在一定程度上改變冷風量，使風溫發(fā)生變化。為了保證風溫的穩(wěn)定性，溫度調節(jié)回路將調節(jié)熱風量。熱風量的改變會使總風量向相反的方向變化，進而引起更大的壓力擾動。溫度的擾動結果與此相同。風壓對風溫、風溫對風壓的耦合作用是相互的，只要它們存在，就很難保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。特別在小容積系統(tǒng)或2種介質需求相當的系統(tǒng)中，很難自動調節(jié)風壓和風溫。本文將從熱力系統(tǒng)和控制策略兩方面入手研究解耦的方法，以期為日后的相關工作提供參考。

1 問題分析

對于傳統(tǒng)磨煤機，出口壓力和溫度控制是2個獨立的調節(jié)回路。如果將這兩種介質的混合過程看作理想過程，即將冷熱風混合看作理想的氣體混合，當磨出力不變時，溫度變化不明顯。傳統(tǒng)調節(jié)流程如圖2所示。在圖2中，壓力對總風量的傳遞函數和溫度對熱冷風配比的傳遞函數是一階慣性環(huán)節(jié)。

在具體工作過程中，壓力調節(jié)回路控制的是磨入口的冷風門開度，所以，可以改變冷風量Q1來調節(jié)磨出口的壓力。壓力調節(jié)回路的關系式為：

雖然改變冷風量可改變總風量，控制壓力，但是，這也會改變熱冷風配比，從而影響溫度。從式（1）中可看出，溫度的變化會影響磨出口壓力，它們之間是傳遞關系。如果壓力回路在調節(jié)總風量時溫度恒定，則壓力回路可簡化成圖3所示框圖。要想圖3所示的內容成立，在調節(jié)壓力的過程中，溫度要始終不變。因為熱冷風配比決定了溫度，如果熱冷風配比不變，則溫度恒定，即：

式（2）中：K（t）為溫度函數，當T為額定值時，K（T0）為常數α.常數α是額定溫度下（T0）熱風需求量與冷風需求量的比。

溫度調節(jié)回路可以控制磨入口的熱風門開度，改變熱風量，從而達到調節(jié)磨出口溫度的目的。溫度調節(jié)回路的相關關系式為：

雖然改變冷風量可以改變熱冷風配比，控制溫度，但也同時改變了總風量，進而影響了壓力值。從式（3）中可以看出，

壓力的變化會影響磨出口的溫度，它們之間是傳遞關系。如果溫度回路在調節(jié)熱冷風配比時能夠保持壓力恒定，則溫度回路就可以簡化為圖3所示框圖。要想圖3所示的內容成立，在調節(jié)溫度的過程中，要保持壓力不變。因為壓力會受總風量的影響，所以，要想保證總風量恒定，則相應的關系式為：

式（4）中：Q（p）為壓力函數，不同的壓力定值對應不同的總風量。在額定工況下，將壓力函數表示為100，則式（4）可演變?yōu)椋?/p>

由式（5）可知，冷風量與熱風量的增減方向相反，但總和不變。

綜上所述，影響風壓的是總風量，而非冷風量；影響溫度的是熱冷風配比。對于相互獨立的冷風控制系統(tǒng)和熱風控制系統(tǒng)，改變任何一方都會改變總風量和冷熱風配比。因此，有效調節(jié)出口壓力，保證冷熱風配比不變是非常重要的。在調節(jié)出口溫度時，要保證總風量的穩(wěn)定性。

2 解決方案

2.1 方案1

鑒于上述問題，相關人員可以利用前饋系統(tǒng)改進控制系統(tǒng)。在壓力調節(jié)回路中，可將熱風風量的變化情況作為前饋量。當熱風擋板變化時，冷風擋板也會發(fā)生相應的變化，所以，總風量一定要保持穩(wěn)定。在此過程中，可以根據熱風擋板發(fā)出的指令調節(jié)前饋量。前饋量是用擋板特性曲線修正值和理想氣體的相關參數計算出的。

在溫度調節(jié)回路中，可以增加冷風量，將其變化情況作為前饋。當冷風量發(fā)生變化時，熱風量也會相應改變，所以，冷熱風配比要保持不變。在實際工作中，可以此為原則計算前饋量。但是，這種方案并沒有從根本上解決耦合問題，而是將其轉移到前饋系統(tǒng)中。當冷風調節(jié)指令增加時，其經前饋加入到熱風調節(jié)回路中，增加熱風調節(jié)指令。而熱風調節(jié)指令的增加又會通過前饋系統(tǒng)減少冷風量，反而影響冷風的調節(jié)，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因此，在實際應用過程中，可以根據具體情況保留一套控制系統(tǒng)的前饋。這樣，能有效保證過程變量的穩(wěn)定性。

2.2 方案2

在解決問題的過程中，可以從熱力系統(tǒng)入手。具體的改造方案如圖4所示。將原來的冷風、熱風調節(jié)擋板作為溫度調節(jié)擋板1和溫度調節(jié)擋板2，冷風、熱風經過各自擋板后匯集到母管中混合。這時，可在母管上增加1個壓力總風門作為壓力調節(jié)擋板，而冷風和熱風也會經過壓力總風門進入混合容室。

2.2.1 控制策略

當溫度變化時，可控制2個溫度擋板向相反的方向動作。當溫度升高時，關小熱風擋板，開大冷風擋板，以達到控溫的目的。因為2個擋板的動作相反，如果再整定，就要保證管道阻力系數不變，這樣才不會影響風壓。當壓力發(fā)生變化時，可調整壓力調節(jié)擋板。當壓力調節(jié)擋板動作時，只會改變管道阻力，而不會影響冷熱風配比Q2/Q1，所以，它也不會影響風溫。

2.2.2 系統(tǒng)整定

系統(tǒng)投入運行的關鍵取決于2個溫度調節(jié)擋板的特性。在此過程中，要保證2個擋板動作時不會改變管道的阻力。在實際應用中，可采用相關方法獲得擋板的整定曲線。其工作原理是：以額定風壓為基準，當溫度調節(jié)擋板2開到一定值時，可調整溫度調節(jié)擋板1.這時，要保持額定風壓，記錄此時冷風、熱風擋板的開度，獲得整定曲線中的一點。然后，再改變溫度調節(jié)擋板2的開度，調整溫度調節(jié)擋板1的開度，使風壓值達到額定風壓，獲得整定曲線中的一點。這樣，就能獲得擋板全過程的對應關系整定曲線。

這個方案從根本上解決了耦合的問題，但是，現有熱力系統(tǒng)的改造工程仍有一定的難度，除非原設計就采用此方案，否則，需要重新布置管道，增加擋板。

2.3 方案3

詳細研究了方案2后，工作人員提出，可在原有熱力系統(tǒng)的基礎上采取相應的改進控制策略完成方案2中的計劃。具體做法是，先不考慮磨出口的壓力，調整磨出口溫度是為了不影響磨出口壓力，所以，可仿效方案2執(zhí)行。如果溫度調節(jié)回路能夠直接控制2個擋板向相反的方向動作，那么，利用2個擋板的動作就可以改變冷熱風配比，從而達到調溫的目的。同時，因為2個擋板的動作相反，那么，要想再整定，就要保證管道阻力系數不變，這樣就不會影響風壓。如果按照方案2整定擋板，那么，在調節(jié)風壓時，可以在2個擋板的控制指令上累加風壓控制指令，讓2個擋板在風壓控制指令下同時向相同的方向動作，從而調節(jié)壓力總風門的流量。改進后的控制原理如圖5所示。

由圖5可知，對于溫度調節(jié)器PID1的輸出，路經F（x）經過修正后，加上壓力調節(jié)器的輸出，形成了熱風調節(jié)擋板指令；另一路被100減后形成反向擋板指令，經過加法器形成冷風調節(jié)擋板指令。對于壓力調節(jié)器PID2的輸出，路經加法器會輸出熱風調節(jié)擋板指令；另一路經過乘法器，將乘熱冷配比系數α加至加法器，會輸出冷風調節(jié)擋板指令。

在調節(jié)壓力的過程中，雖然2個風門擋板向相同的方向動作，但是，在動作過程中，為了保證冷熱風配比不變，2個擋板的動作幅度不應一致，要按照冷熱配比的關系動作。如果冷風動作為X，則熱風動作為αX.

在整定過程中，熱冷風配比系數α是額定工況下的熱風需求量除以額定工況下的冷風需求量。在實際應用中，當磨出口溫度、壓力穩(wěn)定在額定值時，2個擋板有一定的開度。此時，熱風擋板的開度與冷風擋板的開度比經過溫度修正可表示為α.

在整定F（x）時，冷風、熱風擋板的特性關系曲線可用實驗方法獲得。其基本工作原理是：以額定風壓為基準，當冷風擋板開到一定值時，調整熱風擋板，使風壓保持在額定風壓。這時，可記錄此時的冷風、熱風擋板開度，得到關系曲線中的一點，然后再改變冷風擋板的開度，調節(jié)熱風擋板，使風壓達到額定風壓，得到另一點。如此，就可以完成擋板全過程的對應關系。

在實際工作中，PID可以按照常規(guī)單回路調節(jié)器整定。

3 結束語

經過簡化改造后，溫度系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)徹底分離，它們之間不會相互影響，從根本上解決了耦合的問題。

〔編輯：白潔〕