熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)的設計與應用

胡 昊 孟廷豪 秦朝軍

（北京航天石化技術裝備工程有限公司）

熱媒爐系統(tǒng)主要由爐體、燃燒系統(tǒng)、煙風系統(tǒng)和熱媒系統(tǒng)4部分組成， 傳熱介質導熱油在熱媒系統(tǒng)中往復循環(huán)， 從爐子入口進入熱媒爐，經燃燒器火焰所產生的熱量的對流和輻射換熱后將導熱油溫度提高到裝置的用熱溫度，煙風系統(tǒng)主要負責燃燒系統(tǒng)的配風與出爐煙氣的換熱和排放［1］。 大部分熱媒爐系統(tǒng)主要以出口溫度作為最終控制目標。

熱媒爐出口溫度控制多采用傳統(tǒng)的經典PID控制器。 但是由于熱媒爐燃燒換熱過程是內在機理復雜的動態(tài)過程，具有非線性、過程參數(shù)在線監(jiān)測等特點， 同時其過程參數(shù)易發(fā)生動態(tài)變化，各參數(shù)間耦合嚴重，難以建立準確的數(shù)學模型［2］，單純采用PID控制不能進行參數(shù)的自整定， 同時當用熱負荷多樣且需要頻繁切換，即熱媒爐入口溫度容易出現(xiàn)較大波動時，由于熱媒爐是一種非線性且具有較大時滯的控制對象，所以導致出口溫度的控制作用總是落后于擾動作用，原有的出口溫度的控制方法無法解決PID控制快速響應的問題，控制效果并不理想。

針對上述情況，筆者提出一種帶入口溫度前饋控制的雙交叉串級PID控制系統(tǒng)， 對熱媒爐出口溫度進行控制。

1 傳統(tǒng)出口溫度控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱媒爐出口溫度控制方式為雙交叉串級反饋控制，在該控制方式下，將出口溫度PID回路的輸出值與助燃風量流量測量值統(tǒng)一歸算后一同送入高值選擇器和低值選擇器進行比較選擇，當需要提高熱媒爐出口溫度時（升負荷），依次通過低值選擇器和高值選擇器實現(xiàn)先升風量再升燃料量；同理，當需要降低熱媒爐出口溫度時（降負荷），依次通過高值選擇器和低值選擇器實現(xiàn)先降燃料量再降風量，該控制方式在用熱負荷穩(wěn)定時，可以準確平穩(wěn)地控制熱媒爐出口溫度，不會產生因空氣不足而引起的燃燒不完全現(xiàn)象，也不會發(fā)生因空氣超量引起過氧燃燒現(xiàn)象。

當入口溫度波動，體現(xiàn)到熱媒爐端即入口溫度出現(xiàn)跳變時， 由于熱媒爐出口溫度的PID控制回路對于入口溫度的波動具有控制滯后性，使用傳統(tǒng)控制方式容易出現(xiàn)燃料或風量調節(jié)閥的輸出開度出現(xiàn)振蕩甚至全開全關的情況，所以需要開發(fā)針對入口溫度波動的溫度前饋控制系統(tǒng)。

2 出口溫度前饋控制系統(tǒng)

如圖1所示［3］，出口溫度前饋控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的基礎上進行了改良，新增熱媒入口溫度的PID控制回路，首先將入口溫度PID回路的MV輸出值歸算為燃料量， 其次將該燃料量作為出口溫度串級反饋控制的前饋值，把入口和出口溫度PID控制輸出的燃料量按比例相加， 該比例參數(shù)K（范圍為0%～100%）可在觸摸屏上根據(jù)實際運行工況手動調整，比例之和為100%；按默認比例相加的公式為：

SV燃氣總=K×MV出口溫度PID+(100%-K）×MV入口溫度PID

最后將相加后的燃氣量作為設定值統(tǒng)一送到燃氣PID控制回路控制燃氣調節(jié)閥的輸出開度， 該前饋控制系統(tǒng)可以在入口溫度變化時提前調整燃氣流量， 快速準確地響應入口溫度的波動，保證熱媒爐出口溫度的穩(wěn)定。

圖1 出口溫度前饋控制系統(tǒng)（相加型）

3 Matlab建模與仿真

圖2 加熱爐仿真模型

燃氣調節(jié)閥仿真模型的輸入為調節(jié)閥的閥門開度，范圍設定為0%～100%，輸出為燃氣流量，范圍設定為0～100Nm3/h。

圖3 燃氣調節(jié)閥仿真模型

出口溫度前饋控制系統(tǒng)的總體仿真模型如圖4所示［5］，總體模型大體分為3個部分，分別為入口溫度控制、出口溫度控制和燃氣流量控制。 參考熱媒爐的現(xiàn)場使用經驗，熱媒爐入口溫度設定值的模擬初始值設置為280℃，出口溫度設定值的模擬初始值設置為315℃。

圖4 熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)總體仿真模型

針對入口溫度不波動且采用傳統(tǒng)控制方式、入口溫度波動且采用傳統(tǒng)控制方式和入口溫度波動且采用溫度前饋控制系統(tǒng)3種工況進行仿真。

熱媒爐入口溫度不波動且采用傳統(tǒng)控制方式，入口溫度設定值取280℃，出口溫度設定值取315℃，燃氣流量范圍設置為0～100Nm3/h。 出口溫度的仿真效果如圖5所示， 出口溫度實際值可以快速平穩(wěn)地收斂到設定值。

圖5 熱媒爐入口溫度不波動且采用傳統(tǒng)控制方式的出口溫度仿真效果

熱媒爐入口溫度波動（干擾），入口溫度設定值取280℃，上下波動值±7℃，入口溫度仿真效果如圖6所示，出口溫度設定值取315℃，燃氣流量范圍設置為0～100Nm3/h。 獲得的出口溫度仿真效果如圖7所示， 可以看出采用傳統(tǒng)控制方式后出口溫度的控制曲線振蕩頻繁，曲線波動大。

圖6 熱媒爐入口溫度的仿真效果

圖7 熱媒爐入口溫度波動且采用傳統(tǒng)控制方式的出口溫度仿真效果

熱媒爐入口溫度波動（干擾），入口溫度設定值取280℃，上下波動值為±7℃，入口溫度仿真效果如圖6所示，出口溫度設定值取315℃，燃氣流量范圍設置為0～100Nm3/h。 采用溫度前饋控制系統(tǒng)獲得的出口溫度仿真效果如圖8所示， 采用溫度前饋控制系統(tǒng)后出口溫度的控制響應速度更快，曲線振蕩小，控制平穩(wěn)。

4 應用

將筆者開發(fā)的熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)應用于珠海某熱媒爐項目，根據(jù)裝置需要，出口溫度設定值為315℃， 當裝置用熱變化導致入口溫度波動時， 跟蹤熱媒爐出口溫度的變化曲線（圖9）可以看出，前饋控制系統(tǒng)投運后，雖然受入口溫度的影響出口溫度會產生一定的波動， 但出口溫度曲線基本在設定溫度±2℃范圍內變化，±1℃范圍內的點占到65%， 遠好于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的36%，能夠很好地滿足裝置穩(wěn)定用熱的需求。

圖8 熱媒爐入口溫度波動且采用溫度前饋控制系統(tǒng)的出口溫度仿真效果

圖9 熱媒爐出口溫度變化曲線

將傳統(tǒng)熱媒爐出口溫度控制系統(tǒng)質量指標與使用入口溫度前饋控制系統(tǒng)后的質量指標進行對比，結果見表1，熱媒爐出口溫度變化范圍明顯縮小，基本不受入口溫度波動的影響，整個熱媒爐在自動調節(jié)過程中，達到了用戶對熱媒爐出口溫度的控制指標要求，確保熱媒爐為裝置供熱的穩(wěn)定。

表1 熱媒爐質量指標對比

5 結束語

針對熱媒爐換熱過程機理復雜，且參數(shù)動態(tài)變化的情況，提出基于入口溫度的熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)，其中入口溫度采用PID控制器，控制器輸出值為燃料流量，當裝置用熱發(fā)生改變時， 入口溫度PID控制回路會根據(jù)入口溫度過程值的變化按比例自動調整燃料量的輸出，起到提前改變放熱負荷的作用，克服用熱負荷的各種不可控擾動，Matlab建模仿真和實際運行結果均驗證了新控制系統(tǒng)的有效性。