旋膜除氧器自動控制的參數(shù)優(yōu)化分析

       本文闡述了對動力廠2臺旋膜除氧器進(jìn)汽、給水調(diào)節(jié)閥自動控制系統(tǒng)
功能及參數(shù)優(yōu)化，提高旋膜除氧器除氧效果。

       動力廠現(xiàn)有2臺旋膜除氧器向各鍋爐、余熱機(jī)組提供鍋爐水，水中的氧氣和
二氧化碳對鍋爐本體及給水管道有強(qiáng)烈的腐蝕作用，嚴(yán)重影響鍋爐的使用壽命和
安全運行,尤其是氧，腐蝕性更大。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，蒸發(fā)量≥2t/h的鍋爐，
用水必須是除氧軟水。實現(xiàn)除氧的自動控制是現(xiàn)代熱力生產(chǎn)過程廣泛采用的一種
手段。如何整定優(yōu)化旋膜除氧器自動控制系統(tǒng)參數(shù)，是提高除氧效果的重要環(huán)節(jié)。

1、旋膜除氧器自動控制

1.1旋膜除氧器自動控制原理
氣體在水中的溶解度與水的溫度和水面的氣壓有著密切關(guān)系,水溫越高或者
水面上的氣壓越低，氣體在水中的溶解能力越小。當(dāng)水溫升高到飽和溫度、水面
氣壓降低到當(dāng)時水溫所對應(yīng)的氣壓時,水中溶解的氣體就會全部析出。根據(jù)上述
原理,通過控制氣壓，就可以控制在對應(yīng)飽和溫度下水中氣體的溶解度,因而壓力
成為旋膜除氧器自動控制得以實現(xiàn)的重要參數(shù)。
實質(zhì)上，旋膜除氧器的自動控制就是壓力和液位的自動控制。

1.2旋膜除氧器工藝及要求

       配備了2臺旋膜式旋膜除氧器,旋膜除氧器原理是補(bǔ)水經(jīng)起膜管呈螺旋狀按
一.定的角度噴出與加熱蒸汽進(jìn)行熱交換除氧，給水加熱到對應(yīng)旋膜除氧器工作壓力下
的飽和溫度，除去溶解于給水的氧及其它氣體，防止和降低鍋爐給水管、省煤器
和其它附屬設(shè)備的腐蝕。為了保證除氧指標(biāo)，旋膜除氧器工作壓力要求必須控制在
20KPa(溫度104℃)。
除氧定律(蓋呂薩克定律)在壓強(qiáng)不變的時候，一定質(zhì)量的氣體的溫度每升
高1℃,其體積的增加量等于它在0℃時體積的1/273;或在壓強(qiáng)不變時，一定
質(zhì)量的氣體的體積跟熱力學(xué)溫度成正比。適用于理想氣體，對高溫、低壓下的真
實氣體也近似適用。亨利定律，在一定溫度下，氣相總壓不高時，對于稀溶液，
溶質(zhì)在溶液中的濃度與它在氣相中的分壓成正比;道爾頓分壓定律，在溫度和體
積恒定時，混合氣體的總壓力等于組分氣體分壓力之和，各組分氣體的分壓力等
于該氣體單獨占有總體積時所表現(xiàn)的壓力。

2、旋膜除氧器自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化過程

2.1旋膜除氧器自動控制優(yōu)化原因

       現(xiàn)有的2臺旋膜除氧器壓力、液位自動控制原來是獨立控制的，相互不影響。
當(dāng)年產(chǎn)量由20萬噸/年提高到30萬噸/年后，由閃速爐蒸汽干燥機(jī)疏水閥輸
出大量含有低壓蒸汽的熱水至旋膜除氧器，導(dǎo)致旋膜除氧器內(nèi)壓力急劇升高(由20KPa升
至80KPa)，此時蒸汽加熱旋膜除氧器內(nèi)水至沸騰(水溫由104C升高至110C)大量
向外放空(能量損失)，導(dǎo)致水位降低，液位降低到低于設(shè)定值后啟動除鹽水補(bǔ)
水。此時旋膜除氧器原有的平衡狀態(tài)被破壞，導(dǎo)致水隨現(xiàn)象出現(xiàn)，從而導(dǎo)致主廠房劇
烈振動，影響廠房、設(shè)備及工藝操作人員安全。

2.2旋膜除氧器自動控制系統(tǒng)功能
       優(yōu)化
先對現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施進(jìn)行改造，將2臺旋膜除氧器之間的汽連管擴(kuò)大至DN100,
使得2臺旋膜除氧器內(nèi)加熱蒸汽互通，保證兩邊壓力一致，不會由于壓差過大使得高
壓力旋膜除氧器內(nèi)的水壓至低壓力的旋膜除氧器，達(dá)到消除旋膜除氧器的水隨現(xiàn)象。
其次在DCS控制系統(tǒng)中，將旋膜除氧器的壓力作為前置變量引入旋膜除氧器液位控制
系統(tǒng)中，同時將2臺旋膜除氧器補(bǔ)水調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)動控制。這樣就實現(xiàn)了當(dāng)旋膜除氧器內(nèi)
壓力急速升高時2臺補(bǔ)水閥能及時打開相同開度，用低溫的除鹽水吸收蒸汽中的
熱量。
后，旋膜除氧器控制功能模塊修改后對新的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行PID參數(shù)整定。

2.3自動控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定

       2.3.1PID整定方法(Z-N參數(shù)整定法)
Ziegler-Nicho1響應(yīng)曲線法，是根據(jù)被控對象的階躍響應(yīng)曲線獲取被控對
象的模型式(1)，根據(jù)模型的增益K，時間常數(shù)T以及純滯后時間，再利用如下的
經(jīng)驗公式(2)整定PID控制器參數(shù)。
公式(1):
K
Gp(s)=
1+Ts'
e-T"
公式(2):
1.2T
Kc=:
KT，T=2TTa=0.5T
一般來說由于Z-N整定的PID控制器超調(diào)較大。為此C.C.Hang提出改進(jìn)的
Z-N法，通過給定值加權(quán)和修正積分常數(shù)改善了系統(tǒng)的超調(diào)。這種方法被認(rèn)為是
Z-N法成功的改進(jìn)。
Ziegler-Nichols臨界振蕩法只對開環(huán)穩(wěn)定對象適用。該方法先對被控對
象施加一一個比例控制器，并且其增益很小，然后逐漸增大增益使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定振
蕩，則此時臨界振蕩增益就是比例控制器的數(shù)值K,，振蕩周期就是系統(tǒng)的振蕩周
期凡，然后根據(jù)公式(3)整定PID控制器參數(shù)。
公式(3):
Ke=0.60Kp，T=0.5P。T=0.125P。
類似的整定方法有Cohen-Coon響應(yīng)曲線方法，該方法同Ziegler-
Nichols響應(yīng)曲線法操作相同，只是整定公式不同，其整定公式如式(4):
公式(4):
1T「4
T=.
T[32T+6τ]
4Tr
K。=
Kτl3
13T+8T,
T=
11T+2T

       2.3.2基于誤差性能指標(biāo)的整定方法
為評價控制性能的優(yōu)劣，定義了多種積分性能指標(biāo)，基于誤差性能指標(biāo)的參
數(shù)整定方法是以控制系統(tǒng)瞬時誤差函數(shù)e(0,t)的泛函積分評價Jn(θ)為優(yōu)控
制指標(biāo)，它是評價控制系統(tǒng)性能的一類標(biāo)準(zhǔn)，是系統(tǒng)動態(tài)特性的一種綜合性能指
標(biāo)，一般以誤差函數(shù)的積分形式表示。其中Jn(θ)的基本形式如式(5):
公式(5):
I(田)=
[t"e(0,t)"dt
Jo
n=0,m=0IAE;n=0,m=2ISE;n=1,m=2ISTE
Jn(0)可以是ISE,1AE,1STE,1TAE等，然后經(jīng)過尋優(yōu)，搜索出--組PID控制
器參數(shù)Kc，Ti，Td,使Jn(θ)的取值為小，此時的PID控制器參數(shù)為優(yōu)。

       2.3.3內(nèi)模(IMC;InternalModelControl))整定
根據(jù)內(nèi)模控制系統(tǒng)與常規(guī)反饋控制系統(tǒng)間存在的對應(yīng)關(guān)系，必要時對模型進(jìn)
行降階簡化處理，便可完成IMC-PID設(shè)計內(nèi)模控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。
r
5華.
(Q@)-[中向)
場Y。
Gn(s)
移
圖中Gp(s)為實際被控過程對象，Gm(s)為被控過程的數(shù)學(xué)模型，即內(nèi)部模型，
Q(s)為內(nèi)模控制器，它等于Gm(s)的小相位部分的逆模型。u為內(nèi)�？刂破鞯�
輸出，r,y,d分別為控制系統(tǒng)的輸入、輸出和干擾信號。

       為抑制模型誤差對系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，在控制器中加人一個低
通濾波器F(s)，一般F(s)取簡單形式如下:
公式(6):
F(s)=:
(1+rs)”
式中階次n取決于模型的階次以使控制器可實現(xiàn)，r為時間常數(shù)。則內(nèi)�？�
制等效的控制器為:.
公式(7):
Q(s)F(6)
G.(8)=
1-Q(0)F(O)Cm()
對于如式(1)表示的--階加純滯后過程，采用一階Pade近似，得到如下模型:
公式(8):
K(-8+1)
Gm(a)=.
(1+T)(8+1)
將式(8)的小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器參數(shù):
公式(9):
2T+T
Ke-
K(2r+萬)
T=T+
T
TT
2
2T+T

       2.3.4現(xiàn)場PID參數(shù)實際整定
先，對系統(tǒng)比例帶CP進(jìn)行標(biāo)定，將積分時間置于小值(或切斷)，然后在
給定值與測量值相等時，實施無擾切換;在額定的工況(即閥前壓力為0.3MPa，
給水量為15t/h，給水溫度70C，旋膜除氧器壓力變化的時間<8s)條件下，給系
統(tǒng)外加干擾模擬信號，反復(fù)調(diào)節(jié)比例帶δ，使之出現(xiàn)臨界振蕩,記錄取其平均值
為0.35。其次，標(biāo)定積分時間TR。將比例帶CP置于大，在有效變化時間(8s)
內(nèi)，反復(fù)標(biāo)定出臨界振蕩點的積分時間平均值為5s。后，調(diào)整微分時間TD
微分時間是影響調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要因素，它關(guān)系到控制系統(tǒng)中前饋量的反應(yīng)效果，
其量值大小都會影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)的質(zhì)量和旋膜除氧器的安全運行。由于壓力信號反應(yīng)
比較快，后滯性較小，加入較大的積分量有利于平衡系統(tǒng)穩(wěn)定性。我們經(jīng)過分析
比較和反復(fù)進(jìn)行PID的調(diào)整與修正，選定了在佳狀態(tài)(兩個半周期)下的微分時
間為10s。

3、總結(jié)
       分析
將旋膜除氧器的液位控制和壓力控制耦合使用，大大提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性和抗
干擾能力，經(jīng)過一個月的正常運行，旋膜除氧器的壓力重新穩(wěn)定在0.02MPa，水溫
104C，水中溶解氧指標(biāo)控制在25ug/ml以下，除氧效率達(dá)到998鍋爐運行
更加穩(wěn)定，氣體蒸發(fā)量顯著增加，提高了經(jīng)濟(jì)效益。