CN108758592A - 用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法。具体技术方案为PID反馈控制、串级比例和分程控制的协调控制方法。其特征在于：该控制系统主要包括主控制器、外筒水位控制器、分程控制器、分程控制正向输出及其对应的比例控制器PID3，分程控制器负向输出端及其对应的比例控制器PID4。PID3输出端用于控制内部循环泵的频率；PID4输出端用于控制内筒比例排水阀的开度。内部循环泵的频率大小决定循环换热的强弱，内筒比例排水阀开度的大小决定内筒水位的高低，内筒水位的高低又决定了电极没入水中的深度，进而就决定了输出电功率的大小。实现闭环控制。提高系统可靠性和安全性。

Description

用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法。

背景技术

浸没式电极蒸汽锅炉是利用水的高阻特性，通过电极将高压电直接引入内筒炉水，利用水的电导率特性，把水既作为发热体，也作为工作介质，将电能转换为热能对水加热，经过内外筒之间水的循环换热，使水均匀受热升温到饱和温度以上发生汽化进而产出蒸汽，为了补充因蒸发而消耗的水量，通过锅炉外筒相连的补水系统持续补水，保证内筒蒸发所需用量。在国内，初期主要用作核电站的启动锅炉。电极蒸汽锅炉结构简图如附图1所示。

近年来，随着国家环保政策等的影响，浸没式高压电极蒸汽锅炉开始进入工业和民用领域。

但是，与应用于核电站启动锅炉等的场合不同，工业和民用领域对电极蒸汽锅炉的某些使用性能上要求更为苛刻。其中最主要的就是电极蒸汽锅炉运行过程中如何通过功率调整来满足工业及民用领域负荷变动范围大，变动频繁的要求，保证供汽连续稳定安全。

目前的控制方法大多通过经验法在运行过程中通过人工赋值方法对锅炉的电功率输入进行调节，自动化程度低，人为因素对锅炉系统乃至整个工业生产过程稳定性的影响较大。国外一些公司的控制模式也只是针对某个控制对象的单回路自动控制，缺乏内在的协调控制机制，无法实现在负荷变化情况下电极蒸汽锅炉汽水系统各执行部件的联合自动稳定调节，没有从根本上解决设备运行过程中随着外部扰动蒸汽用量的变化，对锅炉电功率调节，内外筒水位控制、外部补水的，循环换热强度等同步协调性控制。因而并未从根本上实现浸没式电极蒸汽锅炉的自动调功问题。

针对这一技术现状，为了适应市场需求，开发一种高性价比的自动控制系统满足工业和民用领域对浸没式电极蒸汽锅炉的性能要求是非常必要的。

本文针对这一情况提出一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的串级比例分程调功控制方法，用以解决浸没式电极蒸汽锅炉的锅炉电功率自动调节即内外筒水位控制、内外筒强制循环换热、蒸发和补水平衡等环节的同步协调性控制，降低司炉人员劳动强度的同时，提高工况适应性能和安全性能。

发明内容

本发明提出一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法。具体技术方案为PID反馈控制、串级比例和分程控制的协调控制方法。该方法不是简单PID控制的罗列和叠加，而是基于浸没式电极锅炉的内在工艺特征的一种新型的复合控制系统，专门适用于浸没式的电极蒸汽锅炉。

本控制系统主要包括蒸汽压力主控制器PID1、外筒液位副控制器PID2、分程控制器、内循环泵频率副控制器PID3，排水阀比例控制器PID4。其中分程控制器的正负输出信号，作为PID3和PID4的输入，PID3的输出信号用于控制变频循环泵的循环频率，

根据主控器PID1输出的蒸汽压力反馈控制信号，首先传递到变频给水PID2回路，根据锅炉负荷的大小，按比例调节锅炉补水量，保证内筒外筒循环换热和蒸发量与电功率匹配，并维持汽水平衡。

主控器输出的蒸汽压力反馈控制信号，经过PID2运算的结果作为分程控制器PID输入，分程控制器正向输出通道提供信号用于内筒和外筒循环水泵控制；与此同时，为分程控制器的负向输出通道提供信号用于比例排水阀。

其特点就是在反馈控制作用下对锅炉负荷情况下，循环泵的频率和出水阀的开度进行计算并实现同步协调性控制。内筒循环频率控制器用来控制单位时间内筒和外筒之间水的循环量，促进换热均匀充分，维持内外筒液位动态平衡。当输出功率需求增加时，循环泵频率提升，内筒放水阀开度减小，内筒液位上升，电极没入水的深度增加，同时循环换热的次数相应增加，内筒和外筒换热强度增强，蒸汽产量增加。反之亦然。当输出功率需求减小时，循环泵频率降低，内筒放水阀开度增加，内筒液位下降，电极没入水的深度减少，循环换热的次数相应减少，内筒和外筒换热强度降低，蒸发量产量减小。

基本原理作阐述如下：

经过分析，浸没式电极蒸汽锅炉控制系统存在的外部扰动主要是下游蒸汽用量的变化造成的，因此选择直接反映蒸汽需求变化的蒸汽压力信号作为系统的外部扰动，通过PID控制器作反馈控制。该反馈控制的输出信号作为串级控制输入，经过比例运算作为分程控制的输入，分程控制的输出给相应的各个输出通道，驱动相应的执行部件进行调节。

具体技术方案为PID反馈控制、串级比例和分程控制的协调控制方法。该控制系统主要包括主控制器、外筒水位控制器、分程控制器、分程控制正向输出及其对应的比例控制器PID3，分程控制器负向输出端及其对应的比例控制器PID4。PID3输出端用于控制内部循环泵的频率；PID4输出端用于控制内筒比例排水阀的开度。内部循环泵的频率大小决定循环换热的强弱，内筒比例排水阀开度的大小决定内筒水位的高低，内筒水位的高低又决定了电极没入水中的深度，进而就决定了输出电功率的大小。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在浸没式电极锅炉的功率调节过程中，实现供水和产汽平衡自动控制，并根据负荷大小，对内循环泵和内筒放水调节阀进行自动同步比例控制。并根据负荷变动情况调节补水量、循环水量，提高锅炉蒸汽产量和补给水量的比例，提高电能综合利用效率。

其优点就是可以消除外部负荷变化对内筒水位的影响。消除给水失调对系统蒸汽生产连续性和稳定性的影响，此外保持水位不高于安全高限，防止汽水接触高压引电绝缘瓷件，造成绝缘性能下降，引发电气短路。提高系统可靠性和安全性。

附图说明

图1为浸没式电极蒸汽锅炉结构简图。

图2为本发明的浸没式电极蒸汽锅炉控制系统的原理图。

图3 控制方法实现的电气系统简图。

图4开度-流量拟合曲线图。

具体实施方式

一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，所述方法包括PID反馈控制、串级比例和分程控制的协调控制方法；

1、应用反馈控制技术，根据外界蒸汽负荷的变化情况确定调功的方向和幅度。

2、应用串级比例控制技术，根据调功的方向和幅度，首先通过外筒液位跟随闭环控制确定外部补给水量和蒸发量的相对平衡。

3、应用分程控制技术，跟随补给水量的变化，调整内外筒循环流量的数值，保证循环换热强度跟随电功率实现同步控制，防止换热不均引起水位波动和汽压波动。按内在比例控制，和正反作用控制,确定进水阀和出水阀的开度，进而保证内筒水位达到反馈控制的要求，也就是达到蒸汽产量要求。通过分程控制技术还可快速消除蒸汽用量波动对水位的影响。

（1）增加蒸汽产量时，增加外部补水量的同时，增加循环流量，内筒放水阀相应关小，通过提升内筒水位增加电功率输出，增加蒸发量。

（2）降低蒸汽产量时，减少外部补水量的同时，减少循环流量，内筒放水阀相应开大，通过降低内筒水位，降低电功率输出，减少蒸发量。

（3）维持蒸汽产量时，控制内筒循环水泵的频率和内筒的放水阀开度，保持内筒水位基本不变，进而实现电功率的相对稳定。

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

所述方法包括以下步骤：

步骤一、根据控制原理框图（附图2），在PLC或DCS开发平台上对控制策略进行组态。

步骤二、确定每分程控制器各输出单元的分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值，将控制系统每个输出通道对应阀门的负荷百分比进行分段，同时对于每个分段的负荷点进行赋值，确定每个负荷点对应的工程数据当量值，相邻两个负荷点之间形成分段区域；

步骤三、求得各分段区域内的拟合直线。

采用分段线性拟合运算技术对内筒进出水阀位开度和流量特性进行拟合，拟合计算公式如下

(Y-Y_i1)/(Xa-X_i1)= (Y_i2-Y_i1)/(X_i2-X_i1)

式中i=1,2,3…10表示拟合直线的段号，Y_i1、Y_i2均表示步骤一中工程数据当量值，Y_i1为拟合直线的起始点当量值，Y_i2表示拟合直线的终点当量值，X_i1、X_i2为拟合直线上Y_i1、Y_i2对应的负荷百分比，X_a—表示当前主控制器的实际输出值，Y表示X_a对应的工程数据当量值；

步骤四：将工程数据当量值转换成各单通道控制器可驱动外部设备的电流值

根据公式A=S*Y/Y_max计算出工程数据当量值对应的工程值，其中S表示单通道控制器的外部输出模块满量程输出对应的工程值，Y表示当前要转换的工程数据当量值，Y_max表示外部输出模块满量程输出时的工程数据当量值；输出通道对应的输出电流I=4+A/S*16；

步骤五：通过步骤三获取的电流值驱动外部相关执行器

通过外部接线将步骤三的控制电流信号输出给各单通道控制器对应阀门的阀门定位器，驱动阀门打开，开度值=(I-4)/16*100%，实现控制过程，其中阀门定位器为4mA关闭，20mA全开。

Claims (5)

1.一种用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，其特征在于：所述方法选择直接反映蒸汽需求变化的蒸汽压力信号作为系统的外部扰动，通过PID控制器作反馈控制；该反馈控制的输出信号作为串级控制输入，经过比例运算作为分程控制的输入，分程控制的输出给相应的各个输出通道，驱动相应的执行部件进行调节。

2.根据权利要求1所述的用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，其特征在于：所述复合控制调功实现方法采用的控制系统主要包括蒸汽压力主控制器PID1、外筒液位副控制器PID2、分程控制器、内循环泵频率副控制器PID3，排水阀比例控制器PID4；其中分程控制器的正负输出信号，作为内循环泵频率副控制器PID3和排水阀比例控制器PID4的输入，内循环泵频率副控制器PID3的输出信号用于控制变频循环泵的循环频率，根据蒸汽压力主控器PID1输出的蒸汽压力反馈控制信号，首先传递到变频给水外筒液位副控制器PID2回路，根据锅炉负荷的大小，按比例调节锅炉补水量，保证内筒外筒循环换热和蒸发量与电功率匹配，并维持汽水平衡；

主控器输出的蒸汽压力反馈控制信号，经过外筒液位副控制器PID2运算的结果作为分程控制器PID输入，分程控制器正向输出通道提供信号用于内筒和外筒循环水泵控制；与此同时，为分程控制器的负向输出通道提供信号用于比例排水阀。

3.根据权利要求1所述的用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，其特征在于：所述方法包括PID反馈控制、串级比例和分程控制的协调控制方法；

应用反馈控制技术，根据外界蒸汽负荷的变化情况确定调功的方向和幅度；

应用串级比例控制技术，根据调功的方向和幅度，首先通过外筒液位跟随闭环控制确定外部补给水量和蒸发量的相对平衡；

应用分程控制技术，跟随补给水量的变化，调整内外筒循环流量的数值，保证循环换热强度跟随电功率实现同步控制，防止换热不均引起水位波动和汽压波动；按内在比例控制，和正反作用控制，确定进水阀和出水阀的开度，进而保证内筒水位达到反馈控制的要求，也就是达到蒸汽产量要求；通过分程控制技术还可快速消除蒸汽用量波动对水位的影响。

4.根据权利要求3所述的用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，其特征在于：

（1）增加蒸汽产量时，增加外部补水量的同时，增加循环流量，内筒放水阀相应关小，通过提升内筒水位增加电功率输出，增加蒸发量；

（2）降低蒸汽产量时，减少外部补水量的同时，减少循环流量，内筒放水阀相应开大，通过降低内筒水位，降低电功率输出，减少蒸发量；

（3）维持蒸汽产量时，控制内筒循环水泵的频率和内筒的放水阀开度，保持内筒水位基本不变，进而实现电功率的相对稳定。

5.根据权利要求1所述的用于浸没式高压电极蒸汽锅炉的复合控制调功实现方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤一、在PLC或DCS平台上组态控制回路；

步骤二、确定控制器每个输出通道的开度流量拟合曲线分段拟合直线起点和终点对应的工程数据当量值；将控制器输出通道对应阀门的负荷百分比进行分段，同时对于每个分段的负荷点进行赋值，确定每个负荷点对应的工程数据当量值，相邻两个负荷点之间形成分段区域；

步骤三、求得每个输出通道当量值计算的各分段区域内的拟合直线方程

采用分段线性拟合运算技术对调节阀位开度和流量特性进行拟合，拟合计算公式如下：(Y-Yi1)/(Xa-X_i1)= (Y_i2-Y_i1)/(X_i2-X_i1)

式中i=1,2,3…10表示拟合直线的段号，Y_i1、Y_i2均表示步骤一中工程数据当量值，Yi1为拟合直线的起始点当量值，Y_i2表示拟合直线的终点当量值，X_i1、X_i2为拟合直线上Y_i1、Y_i2对应的负荷百分比，X_a—表示当前主控制器的实际输出值，Y表示X_a对应的工程数据当量值；

步骤四：将工程数据当量值转换成各通道控制器可驱动外部设备的电流值

根据公式A=S*Y/Y_max计算出工程数据当量值对应的工程值，其中S表示单通道控制器的外部输出模块满量程输出对应的工程值，Y表示当前要转换的工程数据当量值，Y_max表示外部输出模块满量程输出时的工程数据当量值； 输出通道对应的输出电流I=4+A/S*16；

步骤五：通过步骤四获取的电流值驱动外部相关执行器

通过外部接线将步骤三的控制电流信号输出给各单通道控制器对应阀门的阀门定位器，驱动阀门打开，开度值=(I-4)/16*100%，实现控制过程，其中阀门定位器为4mA 关闭，20mA全开；用于变频器频率控制时，4mA对应于工艺流程所需的最小频率，20mA对应于工艺流程所需的最高频率。