CN112361322A - 锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈pid控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈PID控制方法，装置包括：PLC控制器，与氨混合罐连通的除盐水管道和氨气管道，与锅炉给水系统的省煤器入口连通的第一管路，及与锅炉给水系统的凝结水母管连通的第二管路；所述氨气管道上依次设置有氨气一次截止阀、凝结水加氨电动调节阀、氨气止回阀和氨气二次截止阀；所述氨混合罐底部通过管道连通凝结水加氨点，管道上设置有凝结水加氨泵；所述第一管路上设置有省煤器入口pH传感器，第二管路上设置有凝结水流量计；PLC控制器连接凝结水加氨电动调节阀、凝结水加氨泵、省煤器入口pH传感器和凝结水流量计。该装置保证了省煤器入口pH的稳定性，即满足水汽系统对锅炉给水pH的控制要求。

Description

锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈PID控制方法

技术领域

本发明涉及电厂水汽系统化学加氨技术领域，特别是涉及锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈PID控制方法。

背景技术

氨作为热力系统最常用的碱化剂，用于金属防腐。锅炉给水加氨技术是电厂汽水加药系统中的组成部分，通过控制给水的pH值可以有效的防止给水管路的腐蚀和金属表面保护膜的破坏，是防止金属腐蚀中最经济实用的办法。

目前电厂锅炉给水加氨系统都是人工操作的，包括运行人员对氨溶液箱的氨水进行等比例稀释，每天根据省煤器入口在线pH值，人工调节计量泵的频率，从而改变加氨量，水质控制指标不稳定，存在一定的设备腐蚀。

目前大多数电厂处于调峰运行，负荷变化明显，导致水汽系统中的省煤器入口pH值不稳定，不仅影响机组运行的安全性，同时也极大地增加了运行人员的工作难度。鉴于此，需要有一种锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈PID控制方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种锅炉给水自动加氨装置及灰色预测前馈PID控制方法，在机组负荷频繁发生变化时，保证省煤器入口pH的稳定性。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种锅炉给水自动加氨装置，包括：PLC控制器，与氨混合罐连通的除盐水管道和氨气管道，与锅炉给水系统的省煤器入口连通的第一管路，及与锅炉给水系统的凝结水母管连通的第二管路；

所述氨气管道上依次设置有氨气一次截止阀、凝结水加氨电动调节阀、氨气止回阀和氨气二次截止阀；

所述氨混合罐底部通过管道连通凝结水加氨点，管道上设置有凝结水加氨泵；

所述第一管路上设置有省煤器入口pH传感器，第二管路上设置有凝结水流量计；PLC控制器连接凝结水加氨电动调节阀、凝结水加氨泵、省煤器入口pH传感器和凝结水流量计。

作为本发明的进一步改进，所述PLC控制器包括灰色预测模块，所述灰色预测模块用于将省煤器入口的pH实际值进行预测，得出省煤器入口的pH的变化趋势，同时使用凝结水流量作为前馈PID算法的前馈值。

作为本发明的进一步改进，所述凝结水加氨泵入口和出口的管道上分别设置凝结水加氨泵入口截止阀和凝结水加氨泵出口截止阀。

作为本发明的进一步改进，所述除盐水管道上依次设置有除盐水一次截止阀、除盐水二次截止阀。

作为本发明的进一步改进，还包括触摸显示屏，所述PLC控制器连接触摸显示屏。

作为本发明的进一步改进，还包括并联在凝结水加氨电动调节阀两端的凝结水加氨电动调节阀旁路阀，凝结水加氨电动调节阀旁路阀用于手动向氨混合罐中通入氨气。

一种锅炉给水自动加氨装置的灰色预测前馈PID控制方法，包括以下步骤：

设置省煤器入口pH期望值，启动凝结水加氨泵；将省煤器入口的pH采样值经过灰色预测模块预测处理后，得到省煤器入口pH的预测值，提前与省煤器入口pH的期望值进行比较，将差值和凝结水流量送入前馈PID控制器进行运算，其中凝结水流量信号作为前馈值，得到此时凝结水加氨氨气电动调节阀所需的开度指令，根据开度指令控制省煤器入口pH达到期望值。

所述灰色预测模块预测处理步骤如下：

S1确定灰色模型类型GM(1,1),具体表达式如下：

其中x为省煤器入口pH采样值，而待辨识参数为发展系数a和灰作用量u；

S2省煤器入口pH采样值数据处理

采集后处理的非负数据序列为：

x_n＝[x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

其中，n是灰色预测模型的维数；

对以上数据进行累加：

x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3)Kx⁽¹⁾(n)]^T

其中，

S3构造省煤器入口pH采样值数据背景向量和数据矩阵

y＝[x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

S4 GM辨识参数

使用最小二乘法，得出GM(1,1)模型的两个参数为：

[a,u]^T＝(B^TB)^-1B^Ty

S5通过辨识所得参数，得出时域的响应模型为：

S6将时域响应模型离散化后得到：

S7对预测的省煤器入口pH数据进行还原

将预测出的省煤器入口pH数据进行累减，得到原始的预测值：

所述开度指令的计算具体步骤为：

将省煤器入口pH采样值通过灰色预测算法，得到预测后的省煤器入口pH值，将其与省煤器入口pH期望值的差值送入前馈PID控制；前馈PID计算公式如下：

其中K_p为比例系数，T_i为积分时间系数，T_d为微分时间系数，K_q为前馈系数，e(t)为省煤器入口pH期望值和省煤器入口pH预测值的差值，q(t)为凝结水流量信号的前馈值，u(t)为控制量即凝结水加氨氨气电动调节阀的开度指令。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明装置第一管路上设置有省煤器入口pH传感器，第二管路上设置有凝结水流量计；PLC控制器连接凝结水加氨电动调节阀、凝结水加氨泵、省煤器入口pH传感器和凝结水流量计。整体装置简单实用且控制准确度高，能够准确快速的调节锅炉给水加氨量，满足负荷波动时机组对给水pH控制要求。相比目前的加氨系统，增加了凝结水加氨电动调节阀，根据调整氨气的进气量，动态的改变氨混合罐中的氨水浓度，使用灰色预测前馈PID控制方法，利用灰色预测算法尽早的预测出省煤器入口pH的变化，同时使用凝结水流量作为前馈信号，自动改变凝结水加氨电动调节阀的开度指令，使得省煤器入口pH值达到期望值，即满足水气系统对给水pH的控制要求。

本发明方法灰色预测模块将省煤器入口的pH实际值进行预测，得出省煤器入口的pH的变化趋势，同时使用凝结水流量作为前馈PID算法的前馈值，在负荷波动时，尽早的调节凝结水加氨电动调节阀的开度，改变凝结水加氨的氨水浓度，利用凝结水加氨泵将氨水加入凝结水加氨点，对锅炉给水pH进行控制，保证了省煤器入口pH的稳定性，即满足水汽系统对锅炉给水pH的控制要求。采用该发明不仅解决了锅炉给水自动加氨的控制问题，而且减少了运行人员的工作量，提高了发电机组运行的安全性和经济性。

附图说明

图1锅炉给水自动加氨装置；

图2锅炉给水自动加氨装置灰色预测前馈PID控制方法。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，锅炉给水自动加氨装置，包括：PLC控制器13，与氨混合罐8连通的除盐水管道和氨气管道，与锅炉给水系统的省煤器入口连通的第一管路，及与锅炉给水系统的凝结水母管连通的第二管路；

与氨混合罐8连通的除盐水管道上依次是除盐水一次截止阀1、除盐水二次截止阀2，与氨混合罐8连通的氨气管道上依次是氨气一次截止阀3、凝结水加氨电动调节阀4、氨气止回阀6和氨气二次截止阀7，氨气止回阀7是为了防止氨混合罐8中的氨水回灌至管道中；氨混合罐8底部通过管道连通凝结水加氨点，管道上设置有凝结水加氨泵10，凝结水加氨泵10入口和出口的管道上分别设置凝结水加氨泵入口截止阀9和凝结水加氨泵出口截止阀11；与锅炉给水系统的省煤器入口连通的管路上设置有省煤器入口pH传感器12，与锅炉给水系统的凝结水母管连通的管路上设置有凝结水流量计13；PLC控制器14连接凝结水加氨电动调节阀4、凝结水加氨泵10、省煤器入口pH传感器12和凝结水流量计13。

所述PLC控制器14连接触摸显示屏15。

还包括并联在凝结水加氨电动调节阀4两端的凝结水加氨电动调节阀旁路阀5，凝结水加氨电动调节阀旁路阀5用于在凝结水加氨电动调节阀4出现故障时，手动的向氨混合罐8中通入氨气。

所述PLC控制器包括灰色预测模块，所述灰色预测模块用于将省煤器入口的pH实际值进行预测，得出省煤器入口的pH的变化趋势，同时使用凝结水流量作为前馈PID算法的前馈值。从而控制省煤器入口pH达到期望值。

一种锅炉给水自动加氨装置进行灰色预测前馈PID控制方法，包括以下步骤：

在触摸屏15设置省煤器入口pH期望值，启动凝结水加氨泵。将省煤器入口的pH采样值经过灰色预测模块后，得到省煤器入口pH的预测值，提前与省煤器入口pH的期望值进行比较，将差值和凝结水流量送入前馈PID控制器进行运算，其中凝结水流量信号作为前馈值，得到此时凝结水加氨氨气电动调节阀所需的开度指令。从而控制省煤器入口pH达到期望值。

灰色预测算法需要借助于西门子S7-300的STEP7编程软件中的SCL编程语句实现。灰色预测算法选用的灰色模型(Grey Model，即GM)来描述算法自身结构，而灰色模型是使用连续的微分方程表示出来，表示灰色模型为GM(h,j)，其中h为模型的阶次，j为变量个数。在工业背景中，一般算用h＝j＝1，即GM(1,1)，单变量的一阶灰色预测模型。灰色预测的步骤如下：

S1确定灰色模型类型GM(1,1),具体表达式如下所示：

其中x为省煤器入口pH采样值，而待辨识参数为发展系数a和灰作用量u。

S2省煤器入口pH采样值数据处理

采集后处理的非负数据序列为：

x_n＝[x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

其中，n是灰色预测模型的维数。根据经验，数据取6个的时候为最佳，即n＝6。

对以上数据进行累加：

x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3)Kx⁽¹⁾(n)]^T

其中，

S3构造省煤器入口pH采样值数据背景向量和数据矩阵

y＝[x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

上述式分别为数据背景向量、数据序列。

S4 GM辨识参数

使用最小二乘法，得出GM(1,1)模型的两个参数为：

[a,u]^T＝(B^TB)^-1B^Ty

S5通过辨识所得参数，得出时域的响应模型为：

S6将时域响应模型离散化后得到：

S7对预测的省煤器入口pH数据进行还原

将预测出的省煤器入口pH数据进行累减，得到原始的预测值：

将省煤器入口pH采样值通过灰色预测算法，得到预测后的省煤器入口pH值，将其与省煤器入口pH期望值的差值送入前馈PID控制。前馈PID计算公式如下：

其中K_p为比例系数，T_i为积分时间系数，T_d为微分时间系数，K_q为前馈系数，e(t)为省煤器入口pH期望值和省煤器入口pH预测值的差值，q(t)为凝结水流量信号的前馈值，u(t)为控制量即凝结水加氨氨气电动调节阀的开度指令。

下面结合附图1和附图2对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

实施例

如附图1所示，投运锅炉给水自动加氨装置时，打开除盐水一次截止阀1、除盐水二次截止阀2、氨气一次截止阀3、氨气二次截止阀7、凝结水加氨泵入口阀9和凝结水加氨泵出口阀11，关闭凝结水加氨电动调节阀旁路阀5，在触摸显示屏15上，设置省煤器入口pH值后，启动凝结水加氨泵10，即可将锅炉给水自动加氨装置投入自动。

如附图2所示，调节省煤器入口pH灰色预测前馈PID参数，其中包括比例系数，积分时间系数、微分时间系数和凝结水流量的前馈系数，从而实现锅炉给水加氨的精确调节，使得省煤器入口pH具有自动控制的功能，即满足水气系统对给水pH的控制要求。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，包括：PLC控制器，与氨混合罐连通的除盐水管道和氨气管道，与锅炉给水系统的省煤器入口连通的第一管路，及与锅炉给水系统的凝结水母管连通的第二管路；

所述氨气管道上依次设置有氨气一次截止阀、凝结水加氨电动调节阀、氨气止回阀和氨气二次截止阀；

所述氨混合罐底部通过管道连通凝结水加氨点，管道上设置有凝结水加氨泵；

所述第一管路上设置有省煤器入口pH传感器，第二管路上设置有凝结水流量计；PLC控制器连接凝结水加氨电动调节阀、凝结水加氨泵、省煤器入口pH传感器和凝结水流量计。

2.根据权利要求1所述的一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，所述PLC控制器包括灰色预测模块，所述灰色预测模块用于将省煤器入口的pH实际值进行预测，得出省煤器入口的pH的变化趋势，同时使用凝结水流量作为前馈PID算法的前馈值。

3.根据权利要求1所述的一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，所述凝结水加氨泵入口和出口的管道上分别设置凝结水加氨泵入口截止阀和凝结水加氨泵出口截止阀。

4.根据权利要求1所述的一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，所述除盐水管道上依次设置有除盐水一次截止阀、除盐水二次截止阀。

5.根据权利要求1所述的一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，还包括触摸显示屏，所述PLC控制器连接触摸显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种锅炉给水自动加氨装置，其特征在于，还包括并联在凝结水加氨电动调节阀两端的凝结水加氨电动调节阀旁路阀，凝结水加氨电动调节阀旁路阀用于手动向氨混合罐中通入氨气。

7.一种锅炉给水自动加氨装置的灰色预测前馈PID控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

设置省煤器入口pH期望值，启动凝结水加氨泵；将省煤器入口的pH采样值经过灰色预测模块预测处理后，得到省煤器入口pH的预测值，提前与省煤器入口pH的期望值进行比较，将差值和凝结水流量送入前馈PID控制器进行运算，其中凝结水流量信号作为前馈值，得到此时凝结水加氨氨气电动调节阀所需的开度指令，根据开度指令控制省煤器入口pH达到期望值。

8.根据权利要求7所述锅炉给水自动加氨装置的灰色预测前馈PID控制方法，其特征在于，所述灰色预测模块预测处理步骤如下：

S1确定灰色模型类型GM(1,1),具体表达式如下：

其中x为省煤器入口pH采样值，而待辨识参数为发展系数a和灰作用量u；

S2省煤器入口pH采样值数据处理

采集后处理的非负数据序列为：

x_n＝[x⁽⁰⁾(1),x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

其中，n是灰色预测模型的维数；

对以上数据进行累加：

x⁽¹⁾＝[x⁽¹⁾(1),x⁽¹⁾(2),x⁽¹⁾(3)Kx⁽¹⁾(n)]^T

其中，

S3构造省煤器入口pH采样值数据背景向量和数据矩阵

y＝[x⁽⁰⁾(2),x⁽⁰⁾(3)Kx⁽⁰⁾(n)]^T

S4 GM辨识参数

使用最小二乘法，得出GM(1,1)模型的两个参数为：

[a,u]^T＝(B^TB)^-1B^Ty

S5通过辨识所得参数，得出时域的响应模型为：

S6将时域响应模型离散化后得到：

S7对预测的省煤器入口pH数据进行还原

将预测出的省煤器入口pH数据进行累减，得到原始的预测值：

9.根据权利要求8所述锅炉给水自动加氨装置的灰色预测前馈PID控制方法，其特征在于，所述开度指令的计算具体步骤为：

将省煤器入口pH采样值通过灰色预测算法，得到预测后的省煤器入口pH值，将其与省煤器入口pH期望值的差值送入前馈PID控制；前馈PID计算公式如下：

其中K_p为比例系数，T_i为积分时间系数，T_d为微分时间系数，K_q为前馈系数，e(t)为省煤器入口pH期望值和省煤器入口pH预测值的差值，q(t)为凝结水流量信号的前馈值，u(t)为控制量即凝结水加氨氨气电动调节阀的开度指令。

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