胡 昊 孟廷豪 秦朝軍

（北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司）

熱媒爐系統(tǒng)主要由爐體、燃燒系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)和熱媒系統(tǒng)4部分組成， 傳熱介質(zhì)導(dǎo)熱油在熱媒系統(tǒng)中往復(fù)循環(huán)， 從爐子入口進(jìn)入熱媒爐，經(jīng)燃燒器火焰所產(chǎn)生的熱量的對(duì)流和輻射換熱后將導(dǎo)熱油溫度提高到裝置的用熱溫度，煙風(fēng)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)燃燒系統(tǒng)的配風(fēng)與出爐煙氣的換熱和排放［1］。 大部分熱媒爐系統(tǒng)主要以出口溫度作為最終控制目標(biāo)。

熱媒爐出口溫度控制多采用傳統(tǒng)的經(jīng)典PID控制器。 但是由于熱媒爐燃燒換熱過(guò)程是內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有非線性、過(guò)程參數(shù)在線監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)， 同時(shí)其過(guò)程參數(shù)易發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，各參數(shù)間耦合嚴(yán)重，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型［2］，單純采用PID控制不能進(jìn)行參數(shù)的自整定， 同時(shí)當(dāng)用熱負(fù)荷多樣且需要頻繁切換，即熱媒爐入口溫度容易出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，由于熱媒爐是一種非線性且具有較大時(shí)滯的控制對(duì)象，所以導(dǎo)致出口溫度的控制作用總是落后于擾動(dòng)作用，原有的出口溫度的控制方法無(wú)法解決PID控制快速響應(yīng)的問(wèn)題，控制效果并不理想。

針對(duì)上述情況，筆者提出一種帶入口溫度前饋控制的雙交叉串級(jí)PID控制系統(tǒng)， 對(duì)熱媒爐出口溫度進(jìn)行控制。

1 傳統(tǒng)出口溫度控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱媒爐出口溫度控制方式為雙交叉串級(jí)反饋控制，在該控制方式下，將出口溫度PID回路的輸出值與助燃風(fēng)量流量測(cè)量值統(tǒng)一歸算后一同送入高值選擇器和低值選擇器進(jìn)行比較選擇，當(dāng)需要提高熱媒爐出口溫度時(shí)（升負(fù)荷），依次通過(guò)低值選擇器和高值選擇器實(shí)現(xiàn)先升風(fēng)量再升燃料量；同理，當(dāng)需要降低熱媒爐出口溫度時(shí)（降負(fù)荷），依次通過(guò)高值選擇器和低值選擇器實(shí)現(xiàn)先降燃料量再降風(fēng)量，該控制方式在用熱負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，可以準(zhǔn)確平穩(wěn)地控制熱媒爐出口溫度，不會(huì)產(chǎn)生因空氣不足而引起的燃燒不完全現(xiàn)象，也不會(huì)發(fā)生因空氣超量引起過(guò)氧燃燒現(xiàn)象。

當(dāng)入口溫度波動(dòng)，體現(xiàn)到熱媒爐端即入口溫度出現(xiàn)跳變時(shí)， 由于熱媒爐出口溫度的PID控制回路對(duì)于入口溫度的波動(dòng)具有控制滯后性，使用傳統(tǒng)控制方式容易出現(xiàn)燃料或風(fēng)量調(diào)節(jié)閥的輸出開(kāi)度出現(xiàn)振蕩甚至全開(kāi)全關(guān)的情況，所以需要開(kāi)發(fā)針對(duì)入口溫度波動(dòng)的溫度前饋控制系統(tǒng)。

2 出口溫度前饋控制系統(tǒng)

如圖1所示［3］，出口溫度前饋控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良，新增熱媒入口溫度的PID控制回路，首先將入口溫度PID回路的MV輸出值歸算為燃料量， 其次將該燃料量作為出口溫度串級(jí)反饋控制的前饋值，把入口和出口溫度PID控制輸出的燃料量按比例相加， 該比例參數(shù)K（范圍為0%～100%）可在觸摸屏上根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況手動(dòng)調(diào)整，比例之和為100%；按默認(rèn)比例相加的公式為：

SV燃?xì)饪?K×MV出口溫度PID+(100%-K）×MV入口溫度PID

最后將相加后的燃?xì)饬孔鳛樵O(shè)定值統(tǒng)一送到燃?xì)釶ID控制回路控制燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的輸出開(kāi)度， 該前饋控制系統(tǒng)可以在入口溫度變化時(shí)提前調(diào)整燃?xì)饬髁浚?快速準(zhǔn)確地響應(yīng)入口溫度的波動(dòng)，保證熱媒爐出口溫度的穩(wěn)定。

圖1 出口溫度前饋控制系統(tǒng)（相加型）

3 Matlab建模與仿真

圖2 加熱爐仿真模型

燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥仿真模型的輸入為調(diào)節(jié)閥的閥門開(kāi)度，范圍設(shè)定為0%～100%，輸出為燃?xì)饬髁?，范圍設(shè)定為0～100Nm3/h。

圖3 燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥仿真模型

出口溫度前饋控制系統(tǒng)的總體仿真模型如圖4所示［5］，總體模型大體分為3個(gè)部分，分別為入口溫度控制、出口溫度控制和燃?xì)饬髁靠刂啤?參考熱媒爐的現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)，熱媒爐入口溫度設(shè)定值的模擬初始值設(shè)置為280℃，出口溫度設(shè)定值的模擬初始值設(shè)置為315℃。

圖4 熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)總體仿真模型

針對(duì)入口溫度不波動(dòng)且采用傳統(tǒng)控制方式、入口溫度波動(dòng)且采用傳統(tǒng)控制方式和入口溫度波動(dòng)且采用溫度前饋控制系統(tǒng)3種工況進(jìn)行仿真。

熱媒爐入口溫度不波動(dòng)且采用傳統(tǒng)控制方式，入口溫度設(shè)定值取280℃，出口溫度設(shè)定值取315℃，燃?xì)饬髁糠秶O(shè)置為0～100Nm3/h。 出口溫度的仿真效果如圖5所示， 出口溫度實(shí)際值可以快速平穩(wěn)地收斂到設(shè)定值。

圖5 熱媒爐入口溫度不波動(dòng)且采用傳統(tǒng)控制方式的出口溫度仿真效果

熱媒爐入口溫度波動(dòng)（干擾），入口溫度設(shè)定值取280℃，上下波動(dòng)值±7℃，入口溫度仿真效果如圖6所示，出口溫度設(shè)定值取315℃，燃?xì)饬髁糠秶O(shè)置為0～100Nm3/h。 獲得的出口溫度仿真效果如圖7所示， 可以看出采用傳統(tǒng)控制方式后出口溫度的控制曲線振蕩頻繁，曲線波動(dòng)大。

圖6 熱媒爐入口溫度的仿真效果

圖7 熱媒爐入口溫度波動(dòng)且采用傳統(tǒng)控制方式的出口溫度仿真效果

熱媒爐入口溫度波動(dòng)（干擾），入口溫度設(shè)定值取280℃，上下波動(dòng)值為±7℃，入口溫度仿真效果如圖6所示，出口溫度設(shè)定值取315℃，燃?xì)饬髁糠秶O(shè)置為0～100Nm3/h。 采用溫度前饋控制系統(tǒng)獲得的出口溫度仿真效果如圖8所示， 采用溫度前饋控制系統(tǒng)后出口溫度的控制響應(yīng)速度更快，曲線振蕩小，控制平穩(wěn)。

4 應(yīng)用

將筆者開(kāi)發(fā)的熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)應(yīng)用于珠海某熱媒爐項(xiàng)目，根據(jù)裝置需要，出口溫度設(shè)定值為315℃， 當(dāng)裝置用熱變化導(dǎo)致入口溫度波動(dòng)時(shí)， 跟蹤熱媒爐出口溫度的變化曲線（圖9）可以看出，前饋控制系統(tǒng)投運(yùn)后，雖然受入口溫度的影響出口溫度會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)， 但出口溫度曲線基本在設(shè)定溫度±2℃范圍內(nèi)變化，±1℃范圍內(nèi)的點(diǎn)占到65%， 遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的36%，能夠很好地滿足裝置穩(wěn)定用熱的需求。

圖8 熱媒爐入口溫度波動(dòng)且采用溫度前饋控制系統(tǒng)的出口溫度仿真效果

圖9 熱媒爐出口溫度變化曲線

將傳統(tǒng)熱媒爐出口溫度控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)與使用入口溫度前饋控制系統(tǒng)后的質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1，熱媒爐出口溫度變化范圍明顯縮小，基本不受入口溫度波動(dòng)的影響，整個(gè)熱媒爐在自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，達(dá)到了用戶對(duì)熱媒爐出口溫度的控制指標(biāo)要求，確保熱媒爐為裝置供熱的穩(wěn)定。

表1 熱媒爐質(zhì)量指標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)熱媒爐換熱過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，且參數(shù)動(dòng)態(tài)變化的情況，提出基于入口溫度的熱媒爐出口溫度前饋控制系統(tǒng)，其中入口溫度采用PID控制器，控制器輸出值為燃料流量，當(dāng)裝置用熱發(fā)生改變時(shí)， 入口溫度PID控制回路會(huì)根據(jù)入口溫度過(guò)程值的變化按比例自動(dòng)調(diào)整燃料量的輸出，起到提前改變放熱負(fù)荷的作用，克服用熱負(fù)荷的各種不可控?cái)_動(dòng)，Matlab建模仿真和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果均驗(yàn)證了新控制系統(tǒng)的有效性。