船用鍋爐控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定整定方法研究

張曉東，李 軍，豐少偉，黃國安

(1. 海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033；2. 上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035)

0 引 言

某型鍋爐控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路、空氣流量調(diào)節(jié)回路、鍋爐水位調(diào)節(jié)回路、燃油溫度調(diào)節(jié)回路、燃油壓力調(diào)節(jié)回路、燃油壓差調(diào)節(jié)回路等6個(gè)控制回路組成。該系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)年后，故障頻發(fā)，高參數(shù)工況下多次出現(xiàn)鍋爐壓力大幅波動(dòng)導(dǎo)致安全閥起跳的現(xiàn)象，于是在變負(fù)荷時(shí)不得不設(shè)置于低參數(shù)工況，嚴(yán)重影響了鍋爐裝置的正常工作。

初步分析認(rèn)為，鍋爐控制系統(tǒng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件參數(shù)發(fā)生變化，以及作為控制對(duì)象的鍋爐裝置本體的燃燒性能劣化是造成控制系統(tǒng)整體性能下降的主要原因。但是在對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了維修、校準(zhǔn)、更換以及對(duì)鍋爐裝置的燃油噴嘴和燃燒爐膛進(jìn)行維修清理等措施后，控制性能仍未能得到有效改善，某些控制回路的性能甚至更為劣化。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該型船同樣規(guī)格的4套鍋爐控制系統(tǒng)在傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的量程、零位等重要參數(shù)方面互有差異，部分傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的零位和量程與銘牌標(biāo)志不符。對(duì)控制軟件深入分析后發(fā)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)的控制參數(shù)也互有差異，由此可見該型船生產(chǎn)廠家在前期開發(fā)維護(hù)工作中部分控制部件的更換和軟件參數(shù)修改沒有遵循標(biāo)準(zhǔn)化的原則。當(dāng)主鍋爐工作不穩(wěn)定時(shí)，無法通過對(duì)硬件參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校整定找到原有的穩(wěn)定工作點(diǎn)。作為控制對(duì)象的鍋爐本體性能、鍋爐控制系統(tǒng)的硬件參數(shù)和以及控制系統(tǒng)參數(shù)的互相匹配是整個(gè)鍋爐裝置穩(wěn)定工作的基本保證[1]。為使該船用鍋爐裝置在長(zhǎng)期使用過程中能更方便進(jìn)行維護(hù)保障，應(yīng)該對(duì)控制系統(tǒng)的變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定。

1 控制系統(tǒng)整定的思路和步驟

主鍋爐工作不穩(wěn)定的因素存在于上述6個(gè)控制回路之中，關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)在于主鍋爐的燃燒控制回路和增壓風(fēng)機(jī)的空氣流量控制回路，其中牽涉到的機(jī)械部件和控制設(shè)備較多。鍋爐控制系統(tǒng)調(diào)整的具體思路如下：

1）對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)所有硬件和控制軟件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和排查分析，從源頭搞清楚故障癥結(jié)；

2）對(duì)所有控制回路變送器的零位量程進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定，對(duì)所有控制回路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的起始點(diǎn)和行程進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定，做到同類型控制回路所采用的變送器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)規(guī)格型號(hào)一致并與銘牌標(biāo)稱值完全相符。

3）利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集記錄鍋爐運(yùn)行相關(guān)參數(shù)，著重對(duì)控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定軟件參數(shù)的不匹配點(diǎn)。

4）對(duì)控制系統(tǒng)的軟件參數(shù)進(jìn)行整定。為降低風(fēng)險(xiǎn)，首先在陸上試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行軟件參數(shù)修改范圍的測(cè)試，然后在系泊狀態(tài)下進(jìn)行軟件參數(shù)修改試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)時(shí)采集記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行逐次修改，滿足系泊狀態(tài)的基本平穩(wěn)工作后，進(jìn)行航行試驗(yàn)階段的軟件參數(shù)整定。

5）在航行試驗(yàn)中通過實(shí)時(shí)采集記錄分析鍋爐控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，直至控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2 控制系統(tǒng)整定的原理和方法

在該型鍋爐控制系統(tǒng)的6個(gè)控制回路主通道控制中均采用目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的PID調(diào)節(jié)方式[2]。在以采樣控制為特性的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，離散的PID表達(dá)式為：

式中：T為采樣周期；E（k）為第k次采樣時(shí)的偏差值；E（k–1）為第（k–1）次采樣時(shí)的偏差值；k為采樣序號(hào)，k=0，1，2……；P（k）為第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。

對(duì)控制性能的影響主要通過以下參數(shù)：

1）控制器增益Kp：增益Kp的增大，加速系統(tǒng)響應(yīng)，但影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2）積分系數(shù)TI：積分作用的增強(qiáng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提高，但影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；

3）微分系數(shù)TD：微分作用增強(qiáng)，可使系統(tǒng)的超前作用增強(qiáng)，提高穩(wěn)定性，但引入了高頻噪聲。

在對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的硬件參數(shù)進(jìn)行標(biāo)校整定的基礎(chǔ)上，啟動(dòng)鍋爐在系泊狀態(tài)的低負(fù)荷運(yùn)行，對(duì)鍋爐控制系統(tǒng)6個(gè)控制回路的軟件參數(shù)進(jìn)行初步整定，在出海試航過程中再進(jìn)行高參數(shù)大負(fù)荷工況下的調(diào)整。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可知，主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個(gè)控制回路通常在系泊試驗(yàn)狀態(tài)下就可以完成整定，而主蒸汽壓力和空氣流量2個(gè)控制回路需要在系泊狀態(tài)初步完成整定后，再在試航試驗(yàn)中，在高參數(shù)大負(fù)荷工況下進(jìn)一步優(yōu)化。

2.1 主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個(gè)控制回路參數(shù)整定

主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個(gè)調(diào)節(jié)回路的輸出控制量（執(zhí)行機(jī)構(gòu)給定值）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作值（開度）和變送器測(cè)量信號(hào)見表1。

以FLUKE754多功能過程校準(zhǔn)器校準(zhǔn)各個(gè)控制回路壓力、壓差變送器[3]，使其測(cè)量壓力、壓差量程精確對(duì)應(yīng)輸出0～20 mA電流信號(hào)；以FLUKE干井爐校準(zhǔn)各個(gè)溫度傳感器，使其測(cè)量溫度量程精確對(duì)應(yīng)輸出0～20 mA電流信號(hào)；鍋爐傾斜傳感器L53校準(zhǔn)為±45°對(duì)應(yīng)輸出0～10 V電壓信號(hào)；各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥校準(zhǔn)為控制信號(hào)0～20 mA電流對(duì)應(yīng)0～100%的閥位開度。

對(duì)完成硬件傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，系泊試驗(yàn)狀態(tài)下，以逐次逼近的方式整定4個(gè)控制回路的軟件參數(shù)[4–6]：

1）主鍋爐水位調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為En={0，20}時(shí)，Kp={1，3}，Ti={100，60}；穩(wěn)態(tài)誤差≤±10 mm。

2）燃油溫度調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為En＞5時(shí) Kp=1.5，Ti=100；En＜3時(shí)，Kp=1.5，Ti=160；穩(wěn)態(tài)誤差≤±1.5 ℃。

3）燃油壓力調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為En＞4時(shí) Kp=1.3，Ti=12；En＜2時(shí)，Kp=1.3，Ti=30；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.5 kgf/cm2。

4）燃油壓差調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為En＞16時(shí) Kp=1，Ti=20；En＜14時(shí)，Kp=0.1，Ti=60；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.1 kgf/cm2。

2.2 主鍋爐蒸汽壓力、鍋爐增壓器空氣流量2個(gè)調(diào)節(jié)回路參數(shù)整定

主鍋爐主蒸汽壓力、鍋爐增壓器空氣流量調(diào)節(jié)回路的輸出控制量（調(diào)節(jié)器給定值）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作值（調(diào)節(jié)器開度）和傳感器測(cè)量信號(hào)見表2。

同前面4個(gè)控制回路的操作，對(duì)2個(gè)控制回路壓力、壓差變送器進(jìn)行校準(zhǔn)，使其測(cè)量壓力、壓差量程精確對(duì)應(yīng)輸出0～20 mA電流信號(hào)；使轉(zhuǎn)速變送器測(cè)量轉(zhuǎn)速量程精確對(duì)應(yīng)輸出0～10 V電壓信號(hào)；同時(shí)對(duì)2個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行校準(zhǔn)，確?？刂菩盘?hào)0～20 mA電流嚴(yán)格對(duì)應(yīng)0～100%的閥位開度。

在對(duì)控制系統(tǒng)中變送器和執(zhí)行機(jī)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合系泊試驗(yàn)和大負(fù)荷機(jī)動(dòng)航行試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)，逐次修改調(diào)整2個(gè)控制回路的軟件參數(shù)：

表 1 主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個(gè)控制回路控制信號(hào)表Tab. 1 Signal labels of water level, fuel temperature, fuel pressure and differential pressure

表 2 主鍋爐主蒸汽壓力、空氣流量調(diào)節(jié)回路控制信號(hào)表Tab. 2 Signal labels of main stream pressure and flue gas differential pressure of the main boiler

1）主蒸汽壓力調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為En={0，3，6}時(shí)，Kp={2.1，7.28，11.3}，En={0，1.5}時(shí)Ti={40，30}；超調(diào)量≤10%；調(diào)整時(shí)間≤120 s，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.5 kgf/cm2。

2）空氣流量調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，調(diào)整空氣流量控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實(shí)際整定值為 En={0，40，100}時(shí)，Ti={50，120，150}，KP=0.5；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.005 kgf/cm2。

3）關(guān)聯(lián)主蒸汽壓力和空氣流量2個(gè)控制回路的“主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度—空氣比例”的控制參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)原來的“主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度-空氣比例”（即風(fēng)-油比例）控制參數(shù)如表3所示，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的數(shù)據(jù)，鍋爐運(yùn)行時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速過高風(fēng)壓過大，容易使鍋爐熄火。在軟件中將鍋爐的風(fēng)-油比例進(jìn)行調(diào)整，具體參數(shù)見表4。

表 3 原有的鍋爐主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥與煙氣壓差值關(guān)系表Tab. 3 The relationship between original main stream pressure governing valve opening and flue gas differential pressure

表 4 調(diào)整后的鍋爐主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥與煙氣壓差值關(guān)系表Tab. 4 The relationship between adjusted main stream pressure governing valve opening and flue gas differential pressure

表3和表4給出了出蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度和煙氣壓差數(shù)值之間的關(guān)系，兩者以插值法得到近似關(guān)系用于控制系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行情況表明，調(diào)整參數(shù)后的主鍋爐控制系統(tǒng)，完全消除了原來高參數(shù)工況壓力大幅度波動(dòng)導(dǎo)致安全閥起跳、爐膛容易熄火等故障，機(jī)動(dòng)變負(fù)荷工作時(shí)響應(yīng)迅速且壓力變化平穩(wěn)。也證明對(duì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)備維修、校準(zhǔn)軟件以及軟件系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整有效地排除了故障。

3 結(jié) 語

鍋爐控制系統(tǒng)控制參數(shù)整定后對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行了長(zhǎng)期跟蹤，運(yùn)行情況表明，各個(gè)控制回路的穩(wěn)定性得到明顯改善；高參數(shù)工況變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)主蒸汽壓力控制回路和空氣流量控制回路調(diào)整迅速，動(dòng)態(tài)過程平穩(wěn)；鍋爐壓力和增壓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍也達(dá)到原設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求。在此基礎(chǔ)上，制定了控制系統(tǒng)變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備的參數(shù)校準(zhǔn)的操作規(guī)程，編制了控制系統(tǒng)軟件參數(shù)配合整定的操作程序，降低了日常維護(hù)的技術(shù)難度，為此類型鍋爐控制系統(tǒng)的長(zhǎng)期維修保障提供了有效的技術(shù)途徑。

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