引言

PID作為工程實際中應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器問世至今已有近70年歷史,它因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或得不到精確的數(shù)學(xué)模型,控制理論的其他技術(shù)難以采用時,系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合采用PID控制技術(shù)。PID控制,實際中也包括PI和PD控制,PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差,利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。

形成一套穩(wěn)定可靠的自動化控制系統(tǒng),可使水質(zhì)、天然氣溫度等工況更加快速、準(zhǔn)確地達到目標(biāo)值。汽包水位和天然氣溫度控制是某發(fā)電廠s109FA燃機主要自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中比較典型的PID控制系統(tǒng),下面將簡述其控制原理,并分析整定方法。

1燃機汽包水位和天然氣溫度控制系統(tǒng)介紹

1.1汽包水位控制

高、中、低壓三個汽包水位采用單沖量和三沖量兩種調(diào)節(jié)方式,以高壓汽包水位調(diào)節(jié)為例進行分析。在機組啟動階段,給水流量和主汽流量等參數(shù)較低的工況下采用單沖量控制,調(diào)節(jié)器接收實際汽包水位信號并與設(shè)定值比較后計算出調(diào)節(jié)閥指令用于控制給水調(diào)節(jié)閥:當(dāng)各流量參數(shù)達到一定工況后,切換至三沖量控制,主調(diào)節(jié)器接收汽包水位設(shè)定值與實際水位比較,通過變比例固定積分時間調(diào)節(jié),得出汽水流量的偏差值,與蒸汽流量相加(給水需求量)后作為副調(diào)的設(shè)定值,副調(diào)節(jié)器通過計算得出調(diào)節(jié)閥開度調(diào)節(jié)給水流量。

單沖量與三沖量的切換條件為:(1)高壓給水流量FT5001-sEL高于71.15t/h:(2)高壓給水和主汽流量無壞點:(3)高壓蒸汽流量FT5003-sEL高于71.15t/h。這三個條件都滿足的情況下,切換到三沖量調(diào)節(jié)。

這里還要指出,為了避免汽包水位自動出現(xiàn)較大波動,發(fā)生如下情況時控制方式切為手動:(1)汽包水位壞點:(2)調(diào)節(jié)閥指令與反饋偏差超限:(3)汽包水位設(shè)定值與實際水位偏差超限。這三個條件任意一個成立就切手動。

此外,在控制手段上,選擇三沖量控制時,主調(diào)節(jié)器采用變比例增益控制,比例系數(shù)根據(jù)汽包水位定值與水位測量值的偏差大小變化。水位偏差大時,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例增益增大,以減小水位的動態(tài)偏差:水位偏差小時,調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比例增益減小,以提高水位調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。

1.2天然氣溫度控制

為保證燃氣輪機的正常燃燒和一定的經(jīng)濟性,s109FA燃機通常會將燃氣溫度控制在185℃左右,它是利用性能加熱器(中壓省煤器出口的中壓給水)對燃氣進行加熱。性能加熱器投入運行后,DCs監(jiān)控供應(yīng)燃料溫度并給溫度控制閥(TCV-4233)發(fā)送一個控制信號,通過開關(guān)溫度控制閥TCV-4233調(diào)節(jié)流經(jīng)性能加熱器的熱水流量來調(diào)整從加熱器出口的燃料溫度,將其控制在185℃。當(dāng)燃氣溫度超過193℃時,控制系統(tǒng)將發(fā)出自動停機指令。

根據(jù)圖1可以看出,燃氣的溫度控制采用了一套單回路PID控制和一套串級PID控制回路(分為兩個階段對溫度進行控制):通過PID1控制加熱器入口水溫與出口燃料溫度的偏差,這樣開機過程中,燃氣溫度隨著水溫的升高而升高:PID2調(diào)節(jié)器的作用是將出口天然氣溫度控制在185℃,其輸出為燃氣加熱所需的熱量信號:PID3根據(jù)熱水的實際熱量與PID2送來的熱量需求進行比較,計算出溫控調(diào)節(jié)閥的開度指令。進入加熱器水的熱量Q為熱水的烙值與熱水流量的乘積,烙值與溫度和壓力有關(guān),因此將熱量信號引入調(diào)節(jié)系統(tǒng)實際上就將引起系統(tǒng)擾動的一個重要因素一熱水溫度也引入了系統(tǒng),這樣在某一穩(wěn)定工況下,當(dāng)熱水溫度變化時反映到其熱量Q也會產(chǎn)生變化(也就是PID3的測量值產(chǎn)生了變化),通過PID3的調(diào)節(jié)作用使調(diào)節(jié)閥迅速動作改變流量,實際上是熱水溫度變化時提前動作調(diào)節(jié)閥改變熱水流量,以減小溫度變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動作用。另外,圖中還引入了燃氣流量變化對熱量的補償信號Q1,該值為實際天然氣流量的函數(shù)(實際上就是反映機組負荷的變化對該系統(tǒng)的影響,因為機組負荷的變化實際上就是天然氣流量的變化)。

PID1和PID2/3的工作切換:正常運行時,性能加熱器入口溫度通常在220℃左右,而PID1的夾點溫度設(shè)定值為15~25℃,若按PID1進行控制,溫度值必定超過185℃,此時PID2的輸出必小于PID1輸出的開度,PID2有效。也就是說,在開機過程中加熱器入口水溫低于200℃時,PID1調(diào)節(jié)器起作用:而正常運行時水溫高于200℃(通常在220℃)時,PID2調(diào)節(jié)器起作用。

2快速整定法的工作步驟

在平時的PID參數(shù)整定中,經(jīng)常會花費很多的時間和精力。下面簡單介紹一下PID調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)快速整定法的工作步驟。

(1)被控系統(tǒng)處于"手動"的穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)首先整定控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)PID參數(shù):將外環(huán)的P設(shè)為最小,I最大,即把外環(huán)處于開環(huán)狀態(tài):將內(nèi)環(huán)PID的I暫時設(shè)為最大,然后逐步增大P,此時如內(nèi)環(huán)出現(xiàn)等幅振蕩,則P為最佳臨界值,然后把P稍微減小一點,內(nèi)環(huán)PID調(diào)節(jié)器的P整定完畢:整定I,逐步減小I,此時如內(nèi)環(huán)反饋出現(xiàn)等幅振蕩,則I為最佳臨界值,然后把I稍微增大一點,內(nèi)環(huán)PID的I整定完畢。此時,內(nèi)環(huán)PID參數(shù)整定完畢。

(3)整定外環(huán)PID參數(shù):可以先按照單閉環(huán)調(diào)節(jié)器的方法整定,先整定P,把外環(huán)的I值設(shè)為最大,P值設(shè)為最小,逐步增大P,發(fā)生小幅振蕩前的參數(shù)即為最佳參數(shù):整定I值,外環(huán)PID的I值逐步減小,I的最佳狀態(tài)為被控對象與設(shè)定狀態(tài)之間沒有靜差,而且系統(tǒng)不產(chǎn)生大幅振蕩。至此,外環(huán)PID參數(shù)整定完畢。

3燃機汽包水位和天然氣溫度控制的典型案例

任何一套自動化控制系統(tǒng),它的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)品質(zhì)對維系熱力系統(tǒng)平衡運轉(zhuǎn)都至關(guān)重要。設(shè)置了同樣的閉環(huán)控制回路,而超調(diào)量、穩(wěn)定時間、靜差等調(diào)節(jié)品質(zhì)參數(shù)不同,對被控對象的操控和工質(zhì)參數(shù)調(diào)整效果也會截然不同。下面通過幾個調(diào)節(jié)品質(zhì)不佳的案例來進一步認識PID自動調(diào)節(jié)。

3.1案例一:鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)失靈

三壓中間再熱型余熱鍋爐,汽包水位調(diào)節(jié)復(fù)雜,特別是冷爐熱機啟動階段水位波動變化很大。據(jù)統(tǒng)計,某廠機組投運初期,因汽包水位超限引起的啟動失敗達6次(高壓汽包水位高1次,低壓汽包水位高2次,中壓汽包水位低3次)。因此,汽包水位調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣,直接關(guān)系到鍋爐的安全運行。

(1)虛假水位現(xiàn)象:某機組啟動,經(jīng)歷清吹、點火、升速,機組升速至3000r/min時,高壓汽包水位由-100mm快速升高至＋+22mm跳閘值,機組跳閘,啟動失敗。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),機組在汽機熱態(tài)下啟動,鍋爐溫度較低。由于燃機啟動點火后余熱鍋爐的升溫升壓較快,鍋爐內(nèi)水容積急劇膨脹,引起水位快速升高:此時高壓汽包水位自動調(diào)節(jié)在低流量、單沖量調(diào)節(jié),反應(yīng)較慢,不能克服快速啟動過程中的"虛假水位",造成了水位迅速升高達跳閘值機組跳閘。重新調(diào)整高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)參數(shù)后,滿足機組快速啟動要求,水位調(diào)節(jié)恢復(fù)正常。

(2)調(diào)節(jié)閥過于靈敏:某機組啟動過程中,負荷升到805w,當(dāng)操作人員進行汽機入口壓力控制(IPCIN)投入操作時,中壓旁路開度由49%快速關(guān)小,而中壓過熱器出口壓力調(diào)節(jié)閥因壓力偏差量大自動切為手動,中壓汽包壓力升高,水位由-30mm突降至-100mm。因中壓汽包壓力升高,中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥快速開啟,使中壓汽包水位從-100mm快速升至＋+48mm,導(dǎo)致中壓汽包水位高高而跳閘。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉速度及打開速度過快,造成中壓汽包壓力波動過大,從而導(dǎo)致中壓汽包水位劇烈波動。三壓中間再熱型余熱鍋爐的中壓汽包容積相對較小,水位的量程也較小,易受壓力等因素影響。因此,在保證中壓旁路快開及快關(guān)的前提下,應(yīng)盡量限制中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥的開/關(guān)速度,加大中過出口壓力調(diào)節(jié)閥的自動調(diào)節(jié)范圍,使中壓旁路壓力調(diào)節(jié)閥的開或關(guān)對中壓汽包水位的波動影響降至最小。

3.2案例二:鍋爐蒸汽溫度調(diào)節(jié)失靈,減溫水滯后

某機組啟動,高壓缸進汽完成,此時燃機排氣溫度866℃,高壓主蒸汽溫度88+℃,高壓主蒸汽減溫水為自動方式。省調(diào)要求盡快將機組的負荷帶至1805w以上,為了盡快升負荷,值班員退出溫度匹配,同時進行中壓缸進汽操作。負荷上升后,燃機排氣溫度直線上升至640C左右,高壓主蒸汽溫度也不斷上升。值班人員在高壓主蒸汽溫度未出現(xiàn)報警前就發(fā)現(xiàn)高壓主蒸汽溫度快速上升,且減溫水調(diào)節(jié)閥開啟速度太慢跟不上,雖然立即采取措施解除高壓主蒸汽減溫水自動,將減溫水調(diào)節(jié)閥手動開至100%,并抬高給水壓力至85Pa(減溫水流量至30t/h),但由于減溫水作用有一定的滯后,高壓主蒸汽溫度還是上升至891.+℃,機組快減負荷至全速空載(FsNL)。分析認為,機組快減負荷至全速空載(FsNL)的原因,是高壓主汽減溫水自動調(diào)節(jié)沒跟上,使高壓主蒸汽溫度超限。

3.3案例三:IlB進氣加熱調(diào)節(jié)閥失控

某廠#2機開機,負荷升至3005w。在加負荷過程中,由于IBH(燃機進氣加熱控制閥)定位器故障,IBH異常全開,最終導(dǎo)致燃機排氣溫度高跳機。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),在IBH控制邏輯中,當(dāng)IBH實際開度與反饋量差異18%時,IBH將發(fā)出強制全開指令。

措施及建議:在不更換現(xiàn)有設(shè)備的條件下,將IBH實際開度與反饋量差異18%時全開IBH的邏輯加上延時,這樣可以避免IBH發(fā)生故障時自動全開。由于原氣動執(zhí)行器的定位器為機械式,反饋板與之并非一體,二者配合上會有一定問題,再者機械式定位器不便于檢修調(diào)試、精度不高,因此建議對定位器進行改造,采用FL0wsERVE的智能定位器。國內(nèi)許多電廠已完成IBH定位器改造,運行情況良好,IBH控制閥不再發(fā)生失控全開現(xiàn)象。

4結(jié)語

9FA燃機在國內(nèi)已經(jīng)有很多年的運行經(jīng)驗,經(jīng)過不斷修正與完善,自動系統(tǒng)的投用率有了顯著提高。由于各自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投用情況對于機組的穩(wěn)定經(jīng)濟運行極其重要,希望本文的分析能使相關(guān)從業(yè)者對燃機控制系統(tǒng)有更進一步的理解,通過不斷優(yōu)化和完善,為智慧化電廠的實現(xiàn)打好基礎(chǔ)。