旋膜除氧器自动控制的参数优化分析

       本文阐述了对动力厂2台旋膜除氧器进汽、给水调节阀自动控制系统
功能及参数优化，提高旋膜除氧器除氧效果。

       动力厂现有2台旋膜除氧器向各锅炉、余热机组提供锅炉水，水中的氧气和
二氧化碳对锅炉本体及给水管道有强烈的腐蚀作用，严重影响锅炉的使用寿命和
安全运行,尤其是氧，腐蚀性更大。根据国家有关规定，蒸发量≥2t/h的锅炉，
用水必须是除氧软水。实现除氧的自动控制是现代热力生产过程广泛采用的一种
手段。如何整定优化旋膜除氧器自动控制系统参数，是提高除氧效果的重要环节。

1、旋膜除氧器自动控制

1.1旋膜除氧器自动控制原理
气体在水中的溶解度与水的温度和水面的气压有着密切关系,水温越高或者
水面上的气压越低，气体在水中的溶解能力越小。当水温升高到饱和温度、水面
气压降低到当时水温所对应的气压时,水中溶解的气体就会全部析出。根据上述
原理,通过控制气压，就可以控制在对应饱和温度下水中气体的溶解度,因而压力
成为旋膜除氧器自动控制得以实现的重要参数。
实质上，旋膜除氧器的自动控制就是压力和液位的自动控制。

1.2旋膜除氧器工艺及要求

       配备了2台旋膜式旋膜除氧器,旋膜除氧器原理是补水经起膜管呈螺旋状按
一.定的角度喷出与加热蒸汽进行热交换除氧，给水加热到对应旋膜除氧器工作压力下
的饱和温度，除去溶解于给水的氧及其它气体，防止和降低锅炉给水管、省煤器
和其它附属设备的腐蚀。为了保证除氧指标，旋膜除氧器工作压力要求必须控制在
20KPa(温度104℃)。
除氧定律(盖吕萨克定律)在压强不变的时候，一定质量的气体的温度每升
高1℃,其体积的增加量等于它在0℃时体积的1/273;或在压强不变时，一定
质量的气体的体积跟热力学温度成正比。适用于理想气体，对高温、低压下的真
实气体也近似适用。亨利定律，在一定温度下，气相总压不高时，对于稀溶液，
溶质在溶液中的浓度与它在气相中的分压成正比;道尔顿分压定律，在温度和体
积恒定时，混合气体的总压力等于组分气体分压力之和，各组分气体的分压力等
于该气体单独占有总体积时所表现的压力。

2、旋膜除氧器自动控制系统的优化过程

2.1旋膜除氧器自动控制优化原因

       现有的2台旋膜除氧器压力、液位自动控制原来是独立控制的，相互不影响。
当年产量由20万吨/年提高到30万吨/年后，由闪速炉蒸汽干燥机疏水阀输
出大量含有低压蒸汽的热水至旋膜除氧器，导致旋膜除氧器内压力急剧升高(由20KPa升
至80KPa)，此时蒸汽加热旋膜除氧器内水至沸腾(水温由104C升高至110C)大量
向外放空(能量损失)，导致水位降低，液位降低到低于设定值后启动除盐水补
水。此时旋膜除氧器原有的平衡状态被破坏，导致水随现象出现，从而导致主厂房剧
烈振动，影响厂房、设备及工艺操作人员安全。

2.2旋膜除氧器自动控制系统功能
       优化
先对现场设备设施进行改造，将2台旋膜除氧器之间的汽连管扩大至DN100,
使得2台旋膜除氧器内加热蒸汽互通，保证两边压力一致，不会由于压差过大使得高
压力旋膜除氧器内的水压至低压力的旋膜除氧器，达到消除旋膜除氧器的水随现象。
其次在DCS控制系统中，将旋膜除氧器的压力作为前置变量引入旋膜除氧器液位控制
系统中，同时将2台旋膜除氧器补水调节阀进行联动控制。这样就实现了当旋膜除氧器内
压力急速升高时2台补水阀能及时打开相同开度，用低温的除盐水吸收蒸汽中的
热量。
后，旋膜除氧器控制功能模块修改后对新的自动控制系统进行PID参数整定。

2.3自动控制系统PID参数整定

       2.3.1PID整定方法(Z-N参数整定法)
Ziegler-Nicho1响应曲线法，是根据被控对象的阶跃响应曲线获取被控对
象的模型式(1)，根据模型的增益K，时间常数T以及纯滞后时间，再利用如下的
经验公式(2)整定PID控制器参数。
公式(1):
K
Gp(s)=
1+Ts'
e-T"
公式(2):
1.2T
Kc=:
KT，T=2TTa=0.5T
一般来说由于Z-N整定的PID控制器超调较大。为此C.C.Hang提出改进的
Z-N法，通过给定值加权和修正积分常数改善了系统的超调。这种方法被认为是
Z-N法成功的改进。
Ziegler-Nichols临界振荡法只对开环稳定对象适用。该方法先对被控对
象施加一一个比例控制器，并且其增益很小，然后逐渐增大增益使系统出现稳定振
荡，则此时临界振荡增益就是比例控制器的数值K,，振荡周期就是系统的振荡周
期凡，然后根据公式(3)整定PID控制器参数。
公式(3):
Ke=0.60Kp，T=0.5P。T=0.125P。
类似的整定方法有Cohen-Coon响应曲线方法，该方法同Ziegler-
Nichols响应曲线法操作相同，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基于误差性能指标的整定方法
为评价控制性能的优劣，定义了多种积分性能指标，基于误差性能指标的参
数整定方法是以控制系统瞬时误差函数e(0,t)的泛函积分评价Jn(θ)为优控
制指标，它是评价控制系统性能的一类标准，是系统动态特性的一种综合性能指
标，一般以误差函数的积分形式表示。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，然后经过寻优，搜索出--组PID控制
器参数Kc，Ti，Td,使Jn(θ)的取值为小，此时的PID控制器参数为优。

       2.3.3内模(IMC;InternalModelControl))整定
根据内模控制系统与常规反馈控制系统间存在的对应关系，必要时对模型进
行降阶简化处理，便可完成IMC-PID设计内模控制系统结构如下图所示。
r
5华.
(Q@)-[中向)
场Y。
Gn(s)
移
图中Gp(s)为实际被控过程对象，Gm(s)为被控过程的数学模型，即内部模型，
Q(s)为内模控制器，它等于Gm(s)的小相位部分的逆模型。u为内模控制器的
输出，r,y,d分别为控制系统的输入、输出和干扰信号。

       为抑制模型误差对系统的影响，增强系统的鲁棒性，在控制器中加人一个低
通滤波器F(s)，一般F(s)取简单形式如下:
公式(6):
F(s)=:
(1+rs)”
式中阶次n取决于模型的阶次以使控制器可实现，r为时间常数。则内模控
制等效的控制器为:.
公式(7):
Q(s)F(6)
G.(8)=
1-Q(0)F(O)Cm()
对于如式(1)表示的--阶加纯滞后过程，采用一阶Pade近似，得到如下模型:
公式(8):
K(-8+1)
Gm(a)=.
(1+T)(8+1)
将式(8)的小相位部分代入式(7)，可得到如下的PID控制器参数:
公式(9):
2T+T
Ke-
K(2r+万)
T=T+
T
TT
2
2T+T

       2.3.4现场PID参数实际整定
先，对系统比例带CP进行标定，将积分时间置于小值(或切断)，然后在
给定值与测量值相等时，实施无扰切换;在额定的工况(即阀前压力为0.3MPa，
给水量为15t/h，给水温度70C，旋膜除氧器压力变化的时间<8s)条件下，给系
统外加干扰模拟信号，反复调节比例带δ，使之出现临界振荡,记录取其平均值
为0.35。其次，标定积分时间TR。将比例带CP置于大，在有效变化时间(8s)
内，反复标定出临界振荡点的积分时间平均值为5s。后，调整微分时间TD
微分时间是影响调节品质的重要因素，它关系到控制系统中前馈量的反应效果，
其量值大小都会影响系统调节的质量和旋膜除氧器的安全运行。由于压力信号反应
比较快，后滞性较小，加入较大的积分量有利于平衡系统稳定性。我们经过分析
比较和反复进行PID的调整与修正，选定了在佳状态(两个半周期)下的微分时
间为10s。

3、总结
       分析
将旋膜除氧器的液位控制和压力控制耦合使用，大大提高了系统的自适应性和抗
干扰能力，经过一个月的正常运行，旋膜除氧器的压力重新稳定在0.02MPa，水温
104C，水中溶解氧指标控制在25ug/ml以下，除氧效率达到998锅炉运行
更加稳定，气体蒸发量显著增加，提高了经济效益。