王靜

摘 要：雖然傳統(tǒng)磨煤機的出口壓力、出口溫度控制是2個獨立的系統(tǒng)，但是，它們會相互影響，導(dǎo)致控制回路發(fā)生耦合。簡要分析了控制回路發(fā)生耦合的原因，綜合冷風(fēng)量、熱風(fēng)量的相關(guān)控制策略，并采取調(diào)節(jié)總風(fēng)量和熱冷風(fēng)配比的方法自動控制壓力和溫度，從根本上解決系統(tǒng)耦合的問題。

關(guān)鍵詞：解耦；總風(fēng)量；風(fēng)配比；磨煤機

中圖分類號：TM621.6 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.061

在電力應(yīng)用中，傳統(tǒng)磨煤機的出口壓力、出口溫度控制是一對比較典型的耦合系統(tǒng)。以該系統(tǒng)為例，研究相應(yīng)的解耦辦法。傳統(tǒng)磨煤機的熱力系統(tǒng)如圖1所示。

風(fēng)壓擾動會在一定程度上改變冷風(fēng)量，使風(fēng)溫發(fā)生變化。為了保證風(fēng)溫的穩(wěn)定性，溫度調(diào)節(jié)回路將調(diào)節(jié)熱風(fēng)量。熱風(fēng)量的改變會使總風(fēng)量向相反的方向變化，進而引起更大的壓力擾動。溫度的擾動結(jié)果與此相同。風(fēng)壓對風(fēng)溫、風(fēng)溫對風(fēng)壓的耦合作用是相互的，只要它們存在，就很難保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。特別在小容積系統(tǒng)或2種介質(zhì)需求相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)中，很難自動調(diào)節(jié)風(fēng)壓和風(fēng)溫。本文將從熱力系統(tǒng)和控制策略兩方面入手研究解耦的方法，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

1 問題分析

對于傳統(tǒng)磨煤機，出口壓力和溫度控制是2個獨立的調(diào)節(jié)回路。如果將這兩種介質(zhì)的混合過程看作理想過程，即將冷熱風(fēng)混合看作理想的氣體混合，當(dāng)磨出力不變時，溫度變化不明顯。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)流程如圖2所示。在圖2中，壓力對總風(fēng)量的傳遞函數(shù)和溫度對熱冷風(fēng)配比的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)。

在具體工作過程中，壓力調(diào)節(jié)回路控制的是磨入口的冷風(fēng)門開度，所以，可以改變冷風(fēng)量Q1來調(diào)節(jié)磨出口的壓力。壓力調(diào)節(jié)回路的關(guān)系式為：

雖然改變冷風(fēng)量可改變總風(fēng)量，控制壓力，但是，這也會改變熱冷風(fēng)配比，從而影響溫度。從式（1）中可看出，溫度的變化會影響磨出口壓力，它們之間是傳遞關(guān)系。如果壓力回路在調(diào)節(jié)總風(fēng)量時溫度恒定，則壓力回路可簡化成圖3所示框圖。要想圖3所示的內(nèi)容成立，在調(diào)節(jié)壓力的過程中，溫度要始終不變。因為熱冷風(fēng)配比決定了溫度，如果熱冷風(fēng)配比不變，則溫度恒定，即：

式（2）中：K（t）為溫度函數(shù)，當(dāng)T為額定值時，K（T0）為常數(shù)α.常數(shù)α是額定溫度下（T0）熱風(fēng)需求量與冷風(fēng)需求量的比。

溫度調(diào)節(jié)回路可以控制磨入口的熱風(fēng)門開度，改變熱風(fēng)量，從而達到調(diào)節(jié)磨出口溫度的目的。溫度調(diào)節(jié)回路的相關(guān)關(guān)系式為：

雖然改變冷風(fēng)量可以改變熱冷風(fēng)配比，控制溫度，但也同時改變了總風(fēng)量，進而影響了壓力值。從式（3）中可以看出，

壓力的變化會影響磨出口的溫度，它們之間是傳遞關(guān)系。如果溫度回路在調(diào)節(jié)熱冷風(fēng)配比時能夠保持壓力恒定，則溫度回路就可以簡化為圖3所示框圖。要想圖3所示的內(nèi)容成立，在調(diào)節(jié)溫度的過程中，要保持壓力不變。因為壓力會受總風(fēng)量的影響，所以，要想保證總風(fēng)量恒定，則相應(yīng)的關(guān)系式為：

式（4）中：Q（p）為壓力函數(shù)，不同的壓力定值對應(yīng)不同的總風(fēng)量。在額定工況下，將壓力函數(shù)表示為100，則式（4）可演變?yōu)椋?/p>

由式（5）可知，冷風(fēng)量與熱風(fēng)量的增減方向相反，但總和不變。

綜上所述，影響風(fēng)壓的是總風(fēng)量，而非冷風(fēng)量；影響溫度的是熱冷風(fēng)配比。對于相互獨立的冷風(fēng)控制系統(tǒng)和熱風(fēng)控制系統(tǒng)，改變?nèi)魏我环蕉紩淖兛傦L(fēng)量和冷熱風(fēng)配比。因此，有效調(diào)節(jié)出口壓力，保證冷熱風(fēng)配比不變是非常重要的。在調(diào)節(jié)出口溫度時，要保證總風(fēng)量的穩(wěn)定性。

2 解決方案

2.1 方案1

鑒于上述問題，相關(guān)人員可以利用前饋系統(tǒng)改進控制系統(tǒng)。在壓力調(diào)節(jié)回路中，可將熱風(fēng)風(fēng)量的變化情況作為前饋量。當(dāng)熱風(fēng)擋板變化時，冷風(fēng)擋板也會發(fā)生相應(yīng)的變化，所以，總風(fēng)量一定要保持穩(wěn)定。在此過程中，可以根據(jù)熱風(fēng)擋板發(fā)出的指令調(diào)節(jié)前饋量。前饋量是用擋板特性曲線修正值和理想氣體的相關(guān)參數(shù)計算出的。

在溫度調(diào)節(jié)回路中，可以增加冷風(fēng)量，將其變化情況作為前饋。當(dāng)冷風(fēng)量發(fā)生變化時，熱風(fēng)量也會相應(yīng)改變，所以，冷熱風(fēng)配比要保持不變。在實際工作中，可以此為原則計算前饋量。但是，這種方案并沒有從根本上解決耦合問題，而是將其轉(zhuǎn)移到前饋系統(tǒng)中。當(dāng)冷風(fēng)調(diào)節(jié)指令增加時，其經(jīng)前饋加入到熱風(fēng)調(diào)節(jié)回路中，增加熱風(fēng)調(diào)節(jié)指令。而熱風(fēng)調(diào)節(jié)指令的增加又會通過前饋系統(tǒng)減少冷風(fēng)量，反而影響冷風(fēng)的調(diào)節(jié)，影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。因此，在實際應(yīng)用過程中，可以根據(jù)具體情況保留一套控制系統(tǒng)的前饋。這樣，能有效保證過程變量的穩(wěn)定性。

2.2 方案2

在解決問題的過程中，可以從熱力系統(tǒng)入手。具體的改造方案如圖4所示。將原來的冷風(fēng)、熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板作為溫度調(diào)節(jié)擋板1和溫度調(diào)節(jié)擋板2，冷風(fēng)、熱風(fēng)經(jīng)過各自擋板后匯集到母管中混合。這時，可在母管上增加1個壓力總風(fēng)門作為壓力調(diào)節(jié)擋板，而冷風(fēng)和熱風(fēng)也會經(jīng)過壓力總風(fēng)門進入混合容室。

2.2.1 控制策略

當(dāng)溫度變化時，可控制2個溫度擋板向相反的方向動作。當(dāng)溫度升高時，關(guān)小熱風(fēng)擋板，開大冷風(fēng)擋板，以達到控溫的目的。因為2個擋板的動作相反，如果再整定，就要保證管道阻力系數(shù)不變，這樣才不會影響風(fēng)壓。當(dāng)壓力發(fā)生變化時，可調(diào)整壓力調(diào)節(jié)擋板。當(dāng)壓力調(diào)節(jié)擋板動作時，只會改變管道阻力，而不會影響冷熱風(fēng)配比Q2/Q1，所以，它也不會影響風(fēng)溫。

2.2.2 系統(tǒng)整定

系統(tǒng)投入運行的關(guān)鍵取決于2個溫度調(diào)節(jié)擋板的特性。在此過程中，要保證2個擋板動作時不會改變管道的阻力。在實際應(yīng)用中，可采用相關(guān)方法獲得擋板的整定曲線。其工作原理是：以額定風(fēng)壓為基準(zhǔn)，當(dāng)溫度調(diào)節(jié)擋板2開到一定值時，可調(diào)整溫度調(diào)節(jié)擋板1.這時，要保持額定風(fēng)壓，記錄此時冷風(fēng)、熱風(fēng)擋板的開度，獲得整定曲線中的一點。然后，再改變溫度調(diào)節(jié)擋板2的開度，調(diào)整溫度調(diào)節(jié)擋板1的開度，使風(fēng)壓值達到額定風(fēng)壓，獲得整定曲線中的一點。這樣，就能獲得擋板全過程的對應(yīng)關(guān)系整定曲線。

這個方案從根本上解決了耦合的問題，但是，現(xiàn)有熱力系統(tǒng)的改造工程仍有一定的難度，除非原設(shè)計就采用此方案，否則，需要重新布置管道，增加擋板。

2.3 方案3

詳細研究了方案2后，工作人員提出，可在原有熱力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的改進控制策略完成方案2中的計劃。具體做法是，先不考慮磨出口的壓力，調(diào)整磨出口溫度是為了不影響磨出口壓力，所以，可仿效方案2執(zhí)行。如果溫度調(diào)節(jié)回路能夠直接控制2個擋板向相反的方向動作，那么，利用2個擋板的動作就可以改變冷熱風(fēng)配比，從而達到調(diào)溫的目的。同時，因為2個擋板的動作相反，那么，要想再整定，就要保證管道阻力系數(shù)不變，這樣就不會影響風(fēng)壓。如果按照方案2整定擋板，那么，在調(diào)節(jié)風(fēng)壓時，可以在2個擋板的控制指令上累加風(fēng)壓控制指令，讓2個擋板在風(fēng)壓控制指令下同時向相同的方向動作，從而調(diào)節(jié)壓力總風(fēng)門的流量。改進后的控制原理如圖5所示。

由圖5可知，對于溫度調(diào)節(jié)器PID1的輸出，路經(jīng)F（x）經(jīng)過修正后，加上壓力調(diào)節(jié)器的輸出，形成了熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板指令；另一路被100減后形成反向擋板指令，經(jīng)過加法器形成冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板指令。對于壓力調(diào)節(jié)器PID2的輸出，路經(jīng)加法器會輸出熱風(fēng)調(diào)節(jié)擋板指令；另一路經(jīng)過乘法器，將乘熱冷配比系數(shù)α加至加法器，會輸出冷風(fēng)調(diào)節(jié)擋板指令。

在調(diào)節(jié)壓力的過程中，雖然2個風(fēng)門擋板向相同的方向動作，但是，在動作過程中，為了保證冷熱風(fēng)配比不變，2個擋板的動作幅度不應(yīng)一致，要按照冷熱配比的關(guān)系動作。如果冷風(fēng)動作為X，則熱風(fēng)動作為αX.

在整定過程中，熱冷風(fēng)配比系數(shù)α是額定工況下的熱風(fēng)需求量除以額定工況下的冷風(fēng)需求量。在實際應(yīng)用中，當(dāng)磨出口溫度、壓力穩(wěn)定在額定值時，2個擋板有一定的開度。此時，熱風(fēng)擋板的開度與冷風(fēng)擋板的開度比經(jīng)過溫度修正可表示為α.

在整定F（x）時，冷風(fēng)、熱風(fēng)擋板的特性關(guān)系曲線可用實驗方法獲得。其基本工作原理是：以額定風(fēng)壓為基準(zhǔn)，當(dāng)冷風(fēng)擋板開到一定值時，調(diào)整熱風(fēng)擋板，使風(fēng)壓保持在額定風(fēng)壓。這時，可記錄此時的冷風(fēng)、熱風(fēng)擋板開度，得到關(guān)系曲線中的一點，然后再改變冷風(fēng)擋板的開度，調(diào)節(jié)熱風(fēng)擋板，使風(fēng)壓達到額定風(fēng)壓，得到另一點。如此，就可以完成擋板全過程的對應(yīng)關(guān)系。

在實際工作中，PID可以按照常規(guī)單回路調(diào)節(jié)器整定。

3 結(jié)束語

經(jīng)過簡化改造后，溫度系統(tǒng)和壓力系統(tǒng)徹底分離，它們之間不會相互影響，從根本上解決了耦合的問題。

〔編輯：白潔〕