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锅炉加药自动控制系统的设计

1 引 言

  目前,我国对大型锅炉的给水与蒸汽质量指标要求十分严格,因而需要对炉水品质连续监控。测量pH值大多采用传统的PID控制算法,但在反应过程中,因其中和点附近的高增益使得难以调整传统PID控制器参数。因此只能采用很小的比例增益,否则系统不稳定,而比例增益过小,又将使系统的动态特性变坏。对于锅炉给水加药测控装置,已经实现了加药系统的自动化,但无自动配药设备,仍需根据汽水实验室的化验结果人工配药,这样不仅工作强度大,而且所加的氨、联胺均属有剧毒易挥发物质,会给操作者造成严重危害,并导致环境污染。为此,提出变增益三区段非线性PID和积分模糊控制(IFC)算法的两种新型pH值控制法。通过对带有时滞的pH值中和过程进行数字仿真,结果表明,这两种控制算法均具有鲁棒性强,响应速度快和控制精度高的特点,尤其是IFC算法能克服pH值中和过程中的较大时滞。通过在某电厂的实际应用,已实现了锅炉给水配药、加药系统的全自动控制。

2 pH值控制方法的研究

  2.1 常规PID控制


  PID控制是按偏差的比例(P—Proportional)、积分(I—Integral)和微分(D—Derivative)线性组合的控制方式。图1为常规的PID控制系统。其中,r为参考输入信号;PID为控制器;P为被控对象模型;d为干扰量;e(k)为系统误差;u(k)为控制量;pH(k)为被控过程输出量。由图可见,常规PID控制中的比例作用实际上是一种线性放大或缩小作用,很难适应酸碱中和过程中被控对象非线性的特点。
 


图1 典型pH值控制系统


  2.2 变增益三区段非线性PID控制

  将pH值变化按拐点分为:一个高增益区和两个增益系数不同的低增益区。高增益区控制器采用较低增益;低增益区控制器采用不同的高增益,以满足系统期望的性能指标。此外为防止积分饱和,采用带死区和输出限幅的PID控制算法。

  2.3 模糊控制

  模糊控制算法概括为:根据本次采样得到的系统输出值,计算出输入变量;将输入变量的**量变为模糊量;根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则,按模糊推理合成规则计算控制量(模糊量);由上述得到的控制量(模糊量)计算**的控制量。

3 电厂锅炉给水加药控制系统

  某发电厂共有4台300MW的发电机组,分为两个单元,一单元为1#、2#机组,二单元为3#和4#机组。每个单元加药计量泵包括锅炉补给水(生水经各种水处理方式净化后,用于补充火力发电厂的汽水损失)和炉水两种用水。现以二单元为例,加药系统采用两用一备共3台加药计量泵,即3#和4#机组各用l台加药计量泵,当其中1台出现故障时切换到备用泵。在该系统中通过检测pH值来控制炉水中磷酸盐的加入量,pH值要求控制在914~9.78,当其中1台机组的pH值低于9.4时,启动相应机组的加药泵。此时,磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道(管道上的阀门都为手动阀,正常时为打开状态)被泵入相应机组的除氧器出水管加药点。若3#机组的加药计量泵出现故障,则打开备用泵与其相连管道上的阀门,备用泵接替3#机组的加药计量泵,为3#机组的炉水加药;4#机组亦然。由于炉水中加入了适当的磷酸盐及氢氧化钠,可提高炉水的缓冲性能,并有利于维持炉水pH值的稳定性,从而防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。

  该系统将炉水水样经过减温减压装置引入磷酸表及pH表探头进行测量,经过模拟量转换,再经控制系统PID运算后控制变频器输出,控制加药泵转速,从而实时控制炉水的加药量,使炉水的磷酸根浓度与pH较好地保持在合格的范围内。图2给出其控制流程图。该控制分为调节器、执行器、被控对象及变送器4部分。其中,调节器由S7-200PLC和相应控制软件组成;执行器由变频器、电机和计量泵组成;被控对象为炉水;变送器采用分析仪表,即pH表。
 


图2 控制流程图


  3.1 控制流程

  图3给出3#机组的炉水加药控制系统。该系统从在线分析仪表(磷酸根表、pH表)中提取4~20mA信号,根据运行工艺参数和确定的数学模型进行窗口式PID复合运算,中间结果送变频器,控制加药泵加药量以实现加药的自动闭环调节。
 


图3 3#机组炉水加药控制系统


  3.2 控制系统组成

  该控制系统选用上位机软件WinCC+西门子PLC的组合方案。PLC系统通过PorfiBus总线方式与上位机WinCC连接。如图4所示。其中上位监控部分由工业计算机(WinCC)来完成。监控工作人员可通过CRT实时监控系统的运行状况.设定或修改系统的运行参数,同时通过CRT远程软件控制系统运行。上位工控机进行数据处理和管理,并与MIS系统等联网。上位机可对控制器进行组态,组态范围包括控制器的网络地址和时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法中输入量及输出量的通道等。下位控制部分由安装在现场的一套可编程控制器(PLC)来完成。它是自动加药控制系统的核心,用于采集相应的水质数据。由于化学加药系统具有纯滞后性质,会导致控制作用不及时,引起系统产生超调或振荡,而利用计算机可方便实现滞后补偿。采用改进的数字PID控制算法和模糊控制算法,使控制器利用输出控制信号调节现场的交流变频器,进而控制电机的转速,以调节加药泵。电气部分的控制方式设计为远程和本地两种,以实现手动/半自动/自动三种功能,后两种功能由上位机切换。
 


图4 控制系统组成


4 IFC算法的滤波处理应用

  控制系统中,滤波程序的基本原理是在周期内连续采样5个数值,并求出其平均值采集当前值,并求出采集值与平均值的差值△=Xi-X;若|△|>0.2,则舍弃Xi,取X=0.2作为按实际情况设定的信号波动范围值;若|△|≤0.2,则X1出栈,X2替换X1,X3替换X2,X4替换X3,依次递推。用当前采样的X6替换X5,然后用这5个新数值再求X,进行比较,如此循环执行该程序即可实现滤波功能。图5为采用滤波程序后,放大了的pH值趋势,由此可见,滤波效果良好。图6给出控制操作界面图。
 

 


图5 放大的pH值滤波效果图


图6 控制操作界面图


5 结 语

  实践证明,基于PLC的化学自动加药控制系统可灵活满足各类化学加药系统的在线监控。该系统投运以来,运行稳定、可靠、锅炉及辅机设备能**实现自动调节,达到了预期效果,解决了以往手动控制难保证水质指标稳定的问题,减轻了运行人员的工作强度,得到一致好评。
 

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