基于DCS系統(tǒng)的三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計

李長有（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454174）高冬霞（河南理工大學(xué)、中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454174）

Design of water level Control System of the Three Impetus about Steam drum based on DCS System

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基于DCS系統(tǒng)的三沖量汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計

李長有（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454174）
高冬霞（河南理工大學(xué)、中鋁中州鋁業(yè)有限公司，河南 焦作 454174）

Design of water level Control System of the Three Impetus about Steam drum based on DCS System

摘要：中鋁中州鋁業(yè)有限公司熱電廠7#鍋爐采用霍尼韋爾PKS C400系統(tǒng)，通過對三沖量汽包水位研究設(shè)計出7#鍋爐合適的汽包水位調(diào)節(jié)方式以及調(diào)節(jié)參數(shù)，并在以后新上鍋爐系統(tǒng)中采用同樣的設(shè)計方案完成汽包水位的調(diào)節(jié)。結(jié)合程序組態(tài)、畫面顯示等工作，最后用Matlab軟件進行仿真，驗證相關(guān)結(jié)論。

關(guān)鍵詞：汽包水位；PKS系統(tǒng)；三沖量；Matlab軟件

Abstract:The 7#boiler of Thermal power plant of Chalco Zhongzhou aluminum co.,LTD uses the PKS system.Based on the research about the 3-impulse water level about steam drum,the proper regulation mode and parameters are designed.In the future we are able touse the same design scheme to design the new boiler.By combining the application configuration and image display,we use the the Matlab software to simulate and verify related conclusion.

Key words:Steam drum water level; PKS system; 3-impulse; Matlab software

1　三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理

汽包水位是鍋爐穩(wěn)定運行的重要參數(shù)之一。在穩(wěn)定狀態(tài)下，鍋爐里面的水位在理想情況下應(yīng)保持在一個恒值，但實際上不可能達到這種要求。一般控制汽包水位圍繞設(shè)定值有小范圍的波動，波動越小，越有利于鍋爐的穩(wěn)定運行。

三沖量控制實質(zhì)上是前饋控制+串級控制的系統(tǒng)，通常反饋控制的控制作用是發(fā)生在出現(xiàn)偏差以后，而前饋控制的依據(jù)是干擾的變化，檢測的信號是干擾量的大小，可以瞬間控制，不需要等到出現(xiàn)偏差以后。汽包液位是主變量，給水流量是副變量，蒸汽流量是干擾。把蒸汽流量信號作為前饋信號引入控制，能有效防止“虛假液位”的發(fā)生。這樣，由于蒸汽流量和給水流量的引入反饋對擾動起到了超前響應(yīng)的作用，使給水閥門一開始就向著正確的方向及時動作，從而減少了水位的波動幅度，消除了虛假水位的影響，縮短了響應(yīng)時間。

1.1三沖量串級給水控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)三沖量串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理設(shè)計的汽包水位三沖量串級控制系統(tǒng)原理的方框圖如圖1所示。從圖中可以看出，3個沖量在系統(tǒng)中形成了2個閉合回路，即由給水流量變送器、內(nèi)回路調(diào)節(jié)器PID、變頻調(diào)節(jié)器、三臺水泵電機組組成的內(nèi)回路，其作用是消除給水壓力波動等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動，以及當蒸汽負荷改變時迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸發(fā)量平衡，它是一個快速回路。

圖1　汽包水位三沖量控制系統(tǒng)原理

由鍋爐水位變送器、外回路調(diào)節(jié)器PID和內(nèi)回路組成的外回路，其作用是校正水位偏差，使水位等于設(shè)定值。采用以蒸汽流量D為前饋信號的前饋控制，其作用是使給水量很快跟蹤蒸汽流量的變化，克服虛假水位現(xiàn)象引起的變頻器誤動作和水位過大波動。內(nèi)回路采用PID控制快速消除控制通道的給水擾動，起粗調(diào)作用，外回路采用預(yù)測PID控制用以克服蒸汽流量變化產(chǎn)生的擾動，起細調(diào)作用。

1.2汽包水位三沖量串級控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

由于在蒸發(fā)量、給水量發(fā)生變化時，水位不能立即跟著作動態(tài)線性變化，尤其在蒸發(fā)量發(fā)生較大突變時，會發(fā)生虛假水位的現(xiàn)象。針對汽包水位對象的這一特點，經(jīng)過綜合考慮，為中鋁中州鋁業(yè)有限公司熱電廠7#鍋爐的250t/h蒸汽鍋爐設(shè)計了基于DCS（霍尼韋爾PKS C400）系統(tǒng)的鍋爐三沖量串級給水控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示，主要由PKS控制器、變頻器、各種傳感器、各種調(diào)節(jié)閥、上位機部分等組成。

鍋爐水位是用液位傳感器進行檢測，液位傳感器開始將液位信號轉(zhuǎn)化為靜壓信號，然后轉(zhuǎn)化為標準電信號，即4～20mA的電流信號，最后在程序中通過程序組態(tài)來進行液位的顯示和對液位的控制。

7#鍋爐三個液位測量點量程都是-330mm到330mm，正常工作下，液位不會低于-150mm或者高于150mm，所以正常運行時汽包水位應(yīng)在汽包0水位線的50mm上下范圍波動。汽包水位太高會使蒸汽大量帶水；水位太低可能使下降管帶汽以至破壞水循環(huán)。隨鍋爐容量的增大，汽包的容積相對也愈來愈小，因而容許存水的變動量也就愈小。如果給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，幾分鐘內(nèi)就可能發(fā)生缺水或滿水事故?？梢娖徊捎米詣诱{(diào)節(jié)控制很重要，控制系統(tǒng)采用上位機（操作站）自動、手動控制和就地手操相結(jié)合的方式，來保證整個系統(tǒng)可靠地運行。上位機自動、手動控制時，能實時控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備的生產(chǎn)過程。就地手操時，相應(yīng)的設(shè)備從整個系統(tǒng)中獨立出來，由操作人員在就地設(shè)備上進行操作。以上自動、手動和就地之間都是平滑無擾動的相互切換。

圖2　三沖量串級控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2　三沖量串級給水控制系統(tǒng)應(yīng)用

2.1設(shè)計方案及實施

整個啟動鍋爐控制系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集和畫面監(jiān)控兩部分，通過冗余FTE網(wǎng)絡(luò)進行通訊，實現(xiàn)下位機與上位機數(shù)據(jù)的交換 。

采用霍尼韋爾公司的PKS系統(tǒng)的模擬量和數(shù)字量模塊來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)（如溫度、液位、壓力等）和控制現(xiàn)場設(shè)備 ，操作站的監(jiān)控畫面采用PKS系統(tǒng)的Display builder監(jiān)控軟件以組態(tài)畫面的形式實時顯示生產(chǎn)過程的各種參數(shù)與報表、報警和歷史查詢信息，通過設(shè)置工藝和監(jiān)控參數(shù)實時控制鍋爐工作過程，其數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　PKS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件構(gòu)成

2.2組態(tài)邏輯控制及保護

串級加前饋三沖量給水控制是采用數(shù)字PID位置式閉環(huán)反饋系統(tǒng)，鍋爐水位作為主參數(shù)，并引入蒸汽流量來修正虛假水位，同時引入給水流量來修正鍋爐水位與蒸汽流量的計算誤差。當鍋爐水位處于某處位置時，控制給水調(diào)節(jié)閥至相應(yīng)位置，從而控制鍋爐的進水量，使鍋爐水位在小范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)連續(xù)給水，有助于提高蒸汽品質(zhì)，減少水泵啟停次數(shù)，延長水泵使用壽命。

（1）此次串級PID回路分為主控制回路和副控制回路，圖4為給水主控制回路組態(tài)。主控制回路（G7LV001PID）用三取中的方法對三個水位進行選取，三個水位分別為G7LT0051、G7LT0052、G7LT0053，用signalsela塊進行三取中的算法將輸出的值作為PV值、蒸汽流量（G7FT004A）作為串級控制的量同時輸入到PIDA功能塊中進行PID控制，OP作為輸出值去控制主給水調(diào)節(jié)閥。具體的設(shè)置參數(shù)Kp=50，Ki=5。

圖4　給水主控制回路組態(tài)

圖5所示為給水副控制回路組態(tài)。副控制回路（G7LV002PID）以主控制回路的給水閥開度作為設(shè)定值（SP），給水流量（G7FT002A）作為PID回路輸入值PV，主控制回路(G7LV001PID)的OP值作為設(shè)定值SP，通過PIDA塊進行PID調(diào)節(jié)，OP作為輸出值去控制閥的開度。

圖5　給水副控制回路組態(tài)

（2）MFT跳車聯(lián)鎖保護

圖6所示為MFT聯(lián)鎖回路組態(tài)。在回路中，用NUMERICA塊對汽包水位進行判斷，當汽包水波動范圍都在-200mm以下或者+200mm以上時，用邏輯塊2003（相當于全部都不大于或小于）輸出結(jié)果和聯(lián)鎖投入按鈕相與，最后觸發(fā)聯(lián)鎖進行跳車，引起鍋爐滅火，保護鍋爐安全。

圖6　MFT聯(lián)鎖回路組態(tài)

（3）手動回路保護

大旁路和小旁路回路的設(shè)置，是為了保證水位波動較大，自動控制無法進行調(diào)節(jié)的時候系統(tǒng)切到手動控制狀態(tài)，即從“Auto”或者“CAS”狀態(tài)切換為“MAN”狀態(tài)，由人工調(diào)整給水閥的開度，保證水位的供給正常和鍋爐的安全生產(chǎn)。圖7為手動回路保護畫面。

圖7　手動回路保護畫面

（4）結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計完成后的調(diào)控畫面如圖8所示。

圖8　調(diào)控畫面

3.3SIMULINK仿真

圖9　串級三沖量仿真電路圖

圖9為串級三沖量仿真電路圖。其中主控制回路PID里面的參數(shù)設(shè)置如圖10（a）所示，Kp=50，Ki=5；副控制回路的參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如圖10（b）所示，Kp=200，Ki=10，Kd=5。

圖10　主回路和副回路參數(shù)設(shè)定界面

不加串級PID控制的階躍響應(yīng)和加串級PID控制的階躍響應(yīng)對比如圖11所示。

圖11　主回路和副回路參數(shù)設(shè)定界面

3.4查看水位的趨勢曲線可以看出實際效果

圖12　水位趨勢圖

主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用則是快速消除內(nèi)擾，前饋通路用于補償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動是內(nèi)擾，串級三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。

前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。由自動控制原理知道，擾動補償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進行擾動補償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。

圖12所示為水位趨勢圖，從仿真效果可知，串級三沖量給水控制系統(tǒng)對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機組的安全穩(wěn)定運行。

3　結(jié)語

7#鍋爐控制系統(tǒng)通過實際運行檢驗，該控制系統(tǒng)能及時跟蹤汽包水位的動態(tài)特性，改善其特定工況下的控制品質(zhì)，保證系統(tǒng)的快速負荷響應(yīng)以及汽包水位安全性。控制比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸實時可靠，監(jiān)控程序功能完善，預(yù)警功能突出，系統(tǒng)調(diào)試與維護方便，具有很強的實踐推廣價值。

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李長有（1964-），男，博士，教授，現(xiàn)就職于河南理工大學(xué)，主要研究方向為檢測與控制技術(shù)。

高冬霞（1982-），女，河南商丘人，工程師，本科，現(xiàn)就職于河南焦作中鋁中州鋁業(yè)有限公司，從事自控工作。

作者簡介

文獻標識碼：B

文章編號：1003-0492(2016)02-0086-04

中圖分類號：TP273