馮 濤,王可寧,潘春佑,俞永江,肖亞蘇
(自然資源部 天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192)
近年來(lái),隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及熱電廠對(duì)熱網(wǎng)補(bǔ)水質(zhì)量要求的不斷提高,持續(xù)穩(wěn)定的熱網(wǎng)補(bǔ)給水源已經(jīng)成為熱電廠經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行的必要保障。傳統(tǒng)的恒壓供水方式主要包括人工閥門調(diào)節(jié)和電接點(diǎn)壓力表機(jī)械控制的方式,二者均存在自動(dòng)化程度低,調(diào)節(jié)滯后長(zhǎng)和調(diào)節(jié)線性度低的弊端;此外,這兩種控制方式下的供暖管網(wǎng)運(yùn)行壓力也極不穩(wěn)定,導(dǎo)致管網(wǎng)熱效率較低,而且人員的誤操作還會(huì)導(dǎo)致供暖管網(wǎng)的鍋爐設(shè)備出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象,造成鍋爐損壞等不可逆的影響。因此,開(kāi)發(fā)新型恒壓補(bǔ)水系統(tǒng)對(duì)提高熱電廠供熱效率和降低運(yùn)行成本具有十分重要的意義[1-3]。
PID控制技術(shù)是目前自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用較廣的閉環(huán)控制系統(tǒng), 具有組網(wǎng)靈活、控制精度高、調(diào)節(jié)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。研究設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于PID隨動(dòng)控制的恒壓供水系統(tǒng),并依托內(nèi)蒙古巴彥淖爾某新建電廠“2×120 t/h(反滲透)+3×100 t/h(納床)”軟化水設(shè)備的熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)中得以實(shí)際應(yīng)用。
整個(gè)軟化水系統(tǒng)由2臺(tái)產(chǎn)能為120 t/h的反滲透裝置和3臺(tái)產(chǎn)能為100 t/h的鈉床及再生裝置組成,而熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)則由3臺(tái)變頻熱網(wǎng)補(bǔ)水泵及配套變頻器、熱網(wǎng)管路壓力變送器、可編程邏輯控制器PLC以及PID模塊組成,根據(jù)鍋爐補(bǔ)水需求量調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及熱網(wǎng)補(bǔ)水泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)和運(yùn)行頻率等參數(shù)。
熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)的具體控制方案為:(1)系統(tǒng)切換至全自動(dòng)運(yùn)行后,首先采用斜坡啟動(dòng)方式啟動(dòng)1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P301)至35 Hz后,采集熱網(wǎng)補(bǔ)水管路壓力變送器信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較。(2)根據(jù)比較結(jié)果輸出反饋信號(hào),對(duì)1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P301)頻率進(jìn)行正/負(fù)反饋調(diào)節(jié)。(3)當(dāng)1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P301)輸出頻率調(diào)節(jié)至最大值(50 Hz)后仍無(wú)法滿足熱網(wǎng)補(bǔ)水需求,1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P301)由變頻切換至工頻運(yùn)行,同時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)2#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P302)至初始設(shè)定頻率(35 Hz)后,繼續(xù)采集熱網(wǎng)補(bǔ)水管路壓力信號(hào)與設(shè)定參與進(jìn)行比較。(4)同理,當(dāng)同時(shí)調(diào)節(jié)1#和2#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵變頻器至最大頻率后(50 Hz),仍然無(wú)法滿足熱網(wǎng)補(bǔ)水需求,則1#和2#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵同時(shí)切換至工頻運(yùn)行,同時(shí)啟動(dòng)3#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(P303)至初始設(shè)置頻率(35 Hz)。(5)采集熱網(wǎng)管路壓力值與設(shè)定壓力值進(jìn)行比較,輸出反饋信號(hào),對(duì)3#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵進(jìn)行調(diào)節(jié)。(6)若后續(xù)運(yùn)行壓力過(guò)高,系統(tǒng)按照“先啟先停,后啟后?!钡脑瓌t降低高壓泵頻率或停止水泵工作。系統(tǒng)由軟化水處理系統(tǒng)、軟化水熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)和PLC及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成,整體控制框圖如圖1所示。
圖1 熱網(wǎng)恒壓補(bǔ)水控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of constant presure water supply control system for heat supply network
軟化水處理系統(tǒng)由反滲透和鈉床兩大主體單元組成,反滲透采用“預(yù)處理+保安+一級(jí)兩段反滲透”工藝流程,設(shè)計(jì)數(shù)量2套,單套設(shè)計(jì)產(chǎn)水規(guī)模120 t/h;鈉床系統(tǒng)則采用“自清洗過(guò)濾器+鈉床+樹脂捕捉+再生”的工藝流程,設(shè)計(jì)數(shù)量3套,單套設(shè)計(jì)產(chǎn)水規(guī)模100 t/h。熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)由三臺(tái)熱網(wǎng)補(bǔ)水泵(90 kW)及配套變頻器和熱網(wǎng)補(bǔ)水主管路安裝的壓力傳感器組成。上位監(jiān)控系統(tǒng)由PLC模塊、WinCC上位采集監(jiān)控模塊和PID隨動(dòng)控制模塊組成。文章著重介紹熱網(wǎng)補(bǔ)水及上位監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。
根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行需求,分別對(duì)水泵、變頻器、PLC控制器、水泵、壓力傳感器以及接觸器主體設(shè)備進(jìn)行選型。系統(tǒng)的硬件選型表如表1。
表1 硬件設(shè)備選型清單Tab.1 Hardware equipment selection list
其中,變頻器選用ABB中ACS510系列產(chǎn)品,通過(guò)變頻器自帶PID控制宏實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵的恒壓供水,降低單獨(dú)采購(gòu)PID控制器的成本。
3臺(tái)異步電機(jī)分別命名為M1、M2、M3。KM11、KM21、KM31則分別為3臺(tái)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)所使用的接觸器,KM12、KM22、KM32則分別是3臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)所使用的接觸器。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖以其中1臺(tái)電機(jī)回路為例,如圖2。
此外,系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程還針對(duì)實(shí)際運(yùn)行進(jìn)行了以下考慮并在設(shè)計(jì)中予以體現(xiàn):
(1)降低變頻器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)干擾。由于變頻器的輸出部分往往采用IGBT開(kāi)關(guān)器件,在輸出能量的同時(shí)會(huì)在輸出電纜上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射干擾。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中,針對(duì)以上問(wèn)題作出如下設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的處理:①開(kāi)關(guān)電源進(jìn)線前端增設(shè)穩(wěn)壓濾波裝置。②西門子的模擬量擴(kuò)展模塊公共端M0與壓力傳感器4 mA~20 mA信號(hào)負(fù)端短接用以補(bǔ)償共模波動(dòng)[4-5]。③信號(hào)傳輸電纜選用KVVP屏蔽線纜,且設(shè)計(jì)屏蔽線纜屏蔽層接地。
(2)同一電機(jī)的變頻及工頻運(yùn)行工況之間實(shí)現(xiàn)快速切換,減少對(duì)電機(jī)的沖擊。在硬件上設(shè)置閉鎖保護(hù)和時(shí)間繼電器,如圖2所示兩個(gè)接觸器之間不會(huì)同時(shí)吸合且可實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)切換。
圖2 主電路硬件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Hardware design of main circuit
PID算法因具備被控量調(diào)節(jié)精確、參數(shù)選擇相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)得以在各行各業(yè)中被廣泛應(yīng)用。然而,結(jié)合研究應(yīng)用的實(shí)際情況出發(fā)進(jìn)行考慮,熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)恒壓供水運(yùn)行時(shí)存在3臺(tái)熱網(wǎng)補(bǔ)水泵切換頻繁、調(diào)節(jié)非線性以及隨機(jī)性較強(qiáng)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的PID控制算法無(wú)法根據(jù)被控對(duì)象變化而進(jìn)行在線整定,而結(jié)合隨動(dòng)控制的PID算法可以解決這類問(wèn)題[6]。其核心在于隨動(dòng)控制規(guī)則庫(kù)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)和自整定,控制算法流程圖如圖3所示。
圖3 PID控制算法邏輯圖Fig.3 Logic diagram of PID control algorithm
PID隨動(dòng)控制的具體邏輯如下:
設(shè)e(k)為k時(shí)刻的壓力變送器采樣誤差值,則e(k-1)與e(k-2)分別為前一個(gè)時(shí)刻和前兩個(gè)時(shí)刻的采樣誤差值,此處采樣周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)為10 s。
Δe(k)=e(k)-e(k-1)
(1)當(dāng)|e(k)|>M1,表明壓力傳輸?shù)恼`差絕對(duì)值較大,此時(shí)應(yīng)該通過(guò)增大(減小)輸出來(lái)調(diào)整誤差,采用PD控制;
(2)當(dāng)M2<|e(k)|≤M1且e(k)Δe(k)>0表壓力傳感器誤差在增大,應(yīng)選用PID控制來(lái)改變性能指標(biāo),此時(shí)的Kp應(yīng)設(shè)定為較大的參數(shù)值;
(3)當(dāng)M2<|e(k)|≤M1且e(k)Δe(k)≤0表明誤差在減小或者已達(dá)到平衡,此時(shí)若選用PID控制Kp應(yīng)設(shè)定為較小的參數(shù)設(shè)定值;
(4)當(dāng)|e(k)|≤M2,表明誤差絕對(duì)值已經(jīng)很小,此時(shí)應(yīng)選用PI控制來(lái)減小PID系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。
PLC程序采用模塊化編程方法,CPU選用西門子s7-300系列產(chǎn)品,編程語(yǔ)言采用標(biāo)準(zhǔn)化梯形圖語(yǔ)言,采用模塊化編程方法,提高程序的可讀性和可移植性。
程序設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮解決熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)的手動(dòng)及全自動(dòng)切換,通訊數(shù)據(jù)的抗干擾處理,熱網(wǎng)補(bǔ)水泵的啟動(dòng)/切換/停止的順序及連鎖設(shè)置問(wèn)題,最終實(shí)現(xiàn)熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)的恒壓供水自動(dòng)控制。下面是一些關(guān)鍵步驟的設(shè)計(jì):
(1)模擬量信號(hào)輸入抗干擾設(shè)計(jì):西門子s7-300系列PLC提供了模擬量輸入濾波器,模擬值在每次CPU掃描時(shí)自動(dòng)讀入,在程序中通過(guò)設(shè)置采樣頻率來(lái)確定計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的模擬量平均值,采樣頻率設(shè)置高則采樣結(jié)果穩(wěn)定但運(yùn)算響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),反之采樣頻率設(shè)置低則采樣響應(yīng)速度快但采樣平均值結(jié)果存在不穩(wěn)定性。當(dāng)模擬輸與計(jì)算平均值誤差超過(guò)設(shè)定值,該采集的數(shù)據(jù)將被自動(dòng)過(guò)濾。該系統(tǒng)中,經(jīng)實(shí)際運(yùn)行調(diào)整,將采樣頻率設(shè)定為128 Hz。
(2)熱網(wǎng)補(bǔ)水泵的公變切換和恒壓供水設(shè)計(jì),以1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵為例,主要控制步序如下:①系統(tǒng)啟動(dòng)1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵至初始設(shè)定值(35 Hz),啟動(dòng)方式為斜坡啟動(dòng)。②通過(guò)壓力變送器測(cè)量熱網(wǎng)補(bǔ)水主管路壓力值并與設(shè)定壓力值進(jìn)行對(duì)比。③通過(guò)上述介紹的PID隨動(dòng)控制算法進(jìn)行計(jì)算,得到1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵變頻器參數(shù)值反饋至變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。④判斷1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵頻率是否達(dá)到工頻頻率(50 Hz),若未達(dá)到,程序執(zhí)行完畢;若達(dá)到,啟動(dòng)2#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵重復(fù)執(zhí)行1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵步驟。
2#和3#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵運(yùn)行方式與1#熱網(wǎng)補(bǔ)水泵相同,具體控制邏輯如圖4。
圖4 1#熱網(wǎng)補(bǔ)水公/變頻運(yùn)行邏輯圖Fig.4 Logic diagram of 1# power supply/frequency conversion operation of heat supply network
基于PID隨動(dòng)控制的熱網(wǎng)恒壓供水系統(tǒng)在內(nèi)蒙臨河某電廠軟化水處理及鍋爐補(bǔ)水裝置中成功應(yīng)用。
運(yùn)行結(jié)果表明,采用PID隨動(dòng)控制方法后,熱網(wǎng)補(bǔ)水管網(wǎng)運(yùn)行壓力保持在設(shè)定壓力值的3%誤差范圍內(nèi),相對(duì)于操作工手動(dòng)調(diào)節(jié)壓力控制效果更優(yōu);即使在實(shí)際壓力發(fā)生突變的狀況下,系統(tǒng)也能在30 s以內(nèi)完成壓力值整定。圖5為某2 d內(nèi)同一時(shí)段分別采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式調(diào)節(jié)熱網(wǎng)供水管路壓力的壓力曲線圖。圖5中可以發(fā)現(xiàn)采用自動(dòng)調(diào)節(jié)方式運(yùn)行壓力較手動(dòng)調(diào)節(jié)明顯穩(wěn)定。
圖5 熱網(wǎng)補(bǔ)水管路壓力趨勢(shì)對(duì)比圖Fig.5 Comparison chart of pressure trend of water supply pipeline in heat supply network
文章針對(duì)傳統(tǒng)恒壓供水系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、調(diào)節(jié)精度低等問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一套基于PID隨動(dòng)控制的熱網(wǎng)恒壓供水系統(tǒng),系統(tǒng)自動(dòng)化程度高,供熱管網(wǎng)運(yùn)行壓力穩(wěn)定,降低了操作人員工作量和系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),提高了熱網(wǎng)恒壓供水系統(tǒng)智能化程度,對(duì)支撐熱電廠提標(biāo)改造和促進(jìn)節(jié)能降耗發(fā)展具有指導(dǎo)意義。