（控制理论与控制工程专业论文）除盐水自动加氨控制系统研究.pdf

除盐水自动加氨控制系统研究 s t u d y o na u t o m a t i ca m m o n i a i n j e c t i n g s y s t e mo f d e i o n i z e dw a t e r 学科专业：拄制理论与控制工稃 研究生：贾宝会 指导教师：王超副教授 灭津大学电气与自动化工稃学院 二晕零八年八月 中文摘要 随着我国电厂高参数大容量机组的投产，对水汽品质和水质工况控制的要求 越来越严格。锅炉给水水质准确有效地调节，直接关系到热力机组的安全运行， 也是避免化学原因诱发设备故障和事故的重要途径。为了使除盐水的p h 值快速 稳定在给定指标范围内，本文对除盐水自动加氨控制系统进行了研究，主要完成 以下工作： 1 介绍了除盐水工艺，阐明了以除盐水为主要补给水的高参数、大容量汽包 锅炉中，采用自动加氨控制给水p h 值系统的研究意义，分析了国内外p h 值参数 控制现状和存在的问题，确立除盐水的p h 值为被控参数和相应的控制指标。 2 对除盐水自动加氨过程机理与模型进行了分析。 3 采用p l c 结合智能p i d 控制算法和变频技术实现除盐水自动加氨控制系 统的设计、调试和应用。 4 针对电厂除盐水的p h 值控制具有纯滞后、非线性、时变性等特性，且难 以建立精确的数学模型，进一步分析先进控制算法，设计了基于r b f 神经网络模 糊p i d 智能控制器。仿真结果表明，所设计的控制器比单一p i d 控制具有较强鲁 棒性，控制系统具有良好的自适应能力，适用于缺乏精确数学模型且参数变化的 非线性、纯滞后工业过程。 关键词：加氨调节p h 值控制可编程控制器变频技术r b f 神经网络模糊控 制水质调节系统 a b s t r a c t a sl a r g e c a p a c i t yp o w e rp l a n tu n i t sw i t hh i g hp a r a m e t e r sa r ep u t t i n gi n t oo p e r a t i o n i nc h i n a ，m o r ea n dm o r es t r i c td e m a n d sf o rt h eq u a l i t yc o n t r o lo fw a t e ra n dv a p o ra r e p u tf o r w a r d t h ea c c u r a t ea n d e f f i c i e n tr e g u l a t i o no fw a t e rq u a l i t yo fb o i l e rf e e dw a t e r p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h es a f eo p e r a t i o no f t h e r m a lu n i t s ，a n di sa l s oa l li m p o r t a n t a p p r o a c ht oa v o i de q u i p m e n t f a i l u r e sa n da c c i d e n t si n d u c e db yt h ec h e m i c a lc a u s e s t h i sp a p e rc h i e f l ys t u d i e so na u t o m a t i ca m m o n i ai n j e c t i n gs y s t e mo fd e i o n i z e dw a t e r i no r d e rt om a k ep hv a l u eq u i c k l ys t a b i l i z e di nag i v e nt a r g e tr a n g e s o m em a i n w o r k sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： 1 t h et e c h n o l o g yo fd e i o n i z e dw a t e rw a si n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , a n dt h e s i g n i f i c a n c eo ft h ea u t o m a t i ci n j e c t i n ga m m o n i as y s t e mw i t hp hv a l u e c o n t r o l lf o rt h e f e e dw a t e ri nah i g h p a r a m e t e ra n dl a r g e - c a p a c i t yd r u mb o i l e rw a sd i s c u s s e d a f t e r a n a l y z i n gt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dp r o b l e m so np hv a l u ep a r a m e t e rc o n t r o l ，t h ep h v a l u ei ss e l e c t e da st h ec o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lt a r g e t sa r e d e t e r m i n e d 2 t h ep r o c e s sm e c h a n i s ma n dm o d e lo fa u t o m a t i ci n j e c t i n gi nd e i o n i z e dw a t e rw a s a n a l y z e d 3 p l cc o m b i n e dw i t ht h ei n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h ma n df r e q u e n c y c o n v e r t e rw a s a d o p t e dt oi m p l e m e n tt h ea u t o m a t i ci n j e c t i n gc o n t r o ls y s t e md e s i g n ，d e b u g g i n ga n d a p p l i c a t i o n s 。 4 a i m e da tt h e s ep r o p e r t i e so ft h ep hv a l u ec o n t r o l ，i n c l u d i n gd e l a y , n o n l i n e a r , t i m e v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dl a c ko ft h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a d v a n c e d c o n t r o la l g o r i t h m sw e r ea n a l y z e d t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do nr b fn e u r a l n e t w o r kf u z z yp 1 dw a sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e t h o dh a d s t r o n g e rr o b u s t n e s s ，g o o ds e l f - a d a p t i v ec a p a c i t y , w h i c hm a yb eu e s e d i nt h e s e i n d u s t r i a l p r o c e s s e s w i t hl a c ko fa c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l s ，t i m e v a r y i n g p a r a m e t e r s ，n o n l i n e a r i t ya n dd e l a y k e yw o r d s ：r e g u l a t i o no fa m m o n i ai n j e c t i n g ，p h v a l u ec o n t r o l ， p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , f r e q u e n c y c o n v e r t e rt e c h n o l o g y , r b fn e u r a ln e t w o r k f u z z yc o n t r o l ，w a t e rq u a l i t y c o n d i t i o n i n gs y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：暖宝企签字日期： 。c ，衫年纩月必日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：堙望会 导师签名：王素量 签字日期：j 。吲阵扩月。矿同签字日期：柳孑年雪月。占日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 除盐水自动加氨控制系统研究的意义 随着电力工业的飞速发展，大容量、高参数、亚临界、超临界机组相继投产， 高参数机组对化学水汽品质、加药控制技术水平的要求越来越高，以除盐水作为 主要补给水的锅炉系统运行中，除盐水的水质直接关系到电厂水汽系统品质的优 劣。因此，提高水汽监督水平，提高分析测量的准确性，提高化学加药控制水平， 使机组在最佳水汽品质工况下运行，是保证水汽系统防腐、防垢和防止积盐的重 要环节，这对机组的安全经济运行起到重要作用。 1 1 1 除盐水生产工艺流程简介 除盐水处理系统分电气控制与水处理设备两大部分n 卜2 副。水处理设备包括过 滤器、阳离子交换器、除碳器、阴离子交换器等，除盐水处理工艺流程如图1 - 1 所示。原水经化学预处理后去掉部分杂质，进入阳离子交换器，用h 型的阳离子 交换剂将水中的各种阳离子交换成i r ，出水成酸性，进入除碳器，使水中所含 c o ：以气体的形式逸出，再进入阴离子交换器，用o h 型的阴离子交换剂将水中的 各种阴离子交换成o h - ，水经过一级复床处理后水质已经很高，可满足低压锅炉 给水需求。但随着生产技术的发展，高温、高压、大容量机组的不断出现，对水 质的要求越来越高，经一级复床除盐后，再加一级复床，即二级除盐系统制出更 纯的水，得到几乎除去全部杂质离子的水，二级除盐水的电导率可降到 0 0 5 6 s 锄。二级除盐水流入除盐水箱，再经水泵打压经除盐水管道进入除氧 器，进行热力除氧后进入锅炉系统。 。，二。加氨 化学预处理阳床除碳器中间水箱 去杂质去阳离子去a q 阴床混床除盐水箱除氧器锅炉 去阴离子二级除盐去氧氨气 图1 - 1 除盐水处理工艺流程图 第一章绪论 但在锅炉给水系统流动的水中溶解有残留及管道渗漏的c o 。，会对锅炉的热 力系统中的金属造成酸性腐蚀。 1 1 2 除盐水加氨调节p h 值的意义 在以除盐水为主要补给水的高参数、大容量汽包锅炉中，采用加氨调节给水 p h 值，防止游离二氧化碳的酸性腐蚀，已成为我国电厂汽包锅炉调节给水p h 值 最广泛使用的方法。锅炉系统对给水的p h 值有严格的规定n 制，在g b t1 2 1 4 5 1 9 9 9 火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量中规定：汽包炉中，锅炉蒸汽压力 1 2 7 1 8 3 肝a ，要求给水氢电导率( 氢离子交换后，2 5 ) 0 3us a m ，p h 值为8 8 - - 9 3 ( 2 5 ，有铜系统) ，或p h 值为9 0 - 9 5 ( 2 5 ，无铜系统) 。 一般电厂采用上述的二级除盐系统制水，由于二级除盐水的碱度低、缓冲性 小，只要含有少量的c o 。，p h 值就会显著降低，并且实际运行过程中，除氧器不 可能完全除去水中所有的气体，以及管路、阀门、水泵等多少会出现漏入气体的 现象，管道中除有氧腐蚀外，水中必然溶解有少量的c o 。气体。因此，除盐水进 入除氧器前要进一步去除c o 。游离的c o ：气体在水中呈酸性，会对管路产生酸 性腐蚀。反应如下： c 0 2 + h 2 0 = = h + + i - c 0 3 - = 2 w + c 0 3 2 。 由于水中 r 量增多产生的氢会出现氢去极化腐蚀：2 矿+ 2 e jh 2f e 专f e 2 + + 2 e 。腐 蚀产物都是易溶的，在金属表面不易形成保护膜，使金属均匀的变薄，这种腐蚀 虽不会立即引起金属的严重损伤，但长期下去仍会引起设备事故，且大量的铁腐 蚀产物被带入锅内，往往会引起炉内结垢和腐蚀等许多严重问题。 除去除盐水中的c o 。主要采用加氨的方法，将液氨用除盐水配置成1 5 的 稀溶液船5 1 ，通过加氨泵注入到除盐水管道，与c o 。进行中和反应，提高除盐水的p h 值，防止游离c o 。对系统酸性腐蚀。如果加氨量达不到所需的浓度，则无法彻底 除去水中的c o ：，起不到防止酸性腐蚀的目的；但加氨量过大，则会引起黄铜的 腐蚀。当水中含氨量高时，它可以和z n 2 + 、c u 2 + 形成铜氨、锌氨络离子，这样会使 原来不溶于水的c u ( o h ) 。保护膜转化成易溶于水的络离子，破坏了它们的保护作 用，这样使黄铜遭受腐蚀，会使给水的含铜量i ：l d n 氨前还大。这种腐蚀虽然不会 很快引起金属设备的损坏，但由于大量腐蚀产物会被带入水汽系统，导致各种水 汽的含铁量和含铜量较高，会造成锅炉内结垢和腐蚀等后果，导致锅炉效率下降， 严重时促使锅炉发生爆管事故。因此，除盐水必须采用自动加氨控制系统，严格 控制加氨量，使p h 值维持在给定值附近。除盐水的p h 值与锅炉水系统的腐蚀具有 较为密切的关系，将其p h 值指标控制在合理的范围内，可有效地减缓金属的腐蚀， 第一章绪论 是锅炉水汽系统安全运行的必要保证。 1 2 控制参数的确定 1 控制参数的基本描述 描述水质的参数有两类，一类仅表示水中一种成分的浓度，如：p h 值、溶解 氧等；另一类则表示一组成分的浓度，如浊度( t u ) 、电导率等。水处理的自动加 药控制系统中，不同应用场合，针对不同水质，所选控制参数种类和数目也不同。 2 除盐水控制参数的确定 在工业生产中，很多应用情况下要对锅炉给水p h 值进行调节，使得p h 值保持 在一定的范围内，锅炉能在最佳水汽状态下运行，进而防止因给水p h 值的失调而 造成锅炉热力设备的腐蚀，延迟热力设备使用寿命，保证锅炉的安全经济运行。 除盐水品质控制第一指标为其p h 值，p h 值是表征氢离子活度的一个重要参 数，第二指标为电导率。最初在除盐水的电导率、p h 值之间选择被调参数，经过 一段时间的考察，发现电导仪对除盐水中的阴阳离子同样敏感，不能真实地反映 出水的酸碱度的变化，且电导率与p h 值并非严格成正比例关系，而p h 计只对氢离 子浓度敏感，能够真实地反映除盐水的酸碱度，加氨的多少直接影响给水p h 值的 大小，因此用给水p h 值控制加氨最直接、效果最好，所以我们选用除盐水的p h 值作为被调参数，除盐水的电导率作为辅助检测参数。一般可用溶液中h 离子的 浓度的以l o 的对数表示p h 值n 3 2 副： p h = 一l o g 口 ( 卜1 ) 在测量中，当p h 值测量电极和参比电极置于溶液中时，会在两电极之间产生 潜电动势，同时溶液电解质会产生一定电位，在2 5 c 时，测量电势与p h 的关系是 e = 5 9 1 6 1 0 9 叫卜e 耐一e j 。其中e 耐为参比电极电动势，e j 为电解质溶液电动势。 由电位电动势的毫伏数值依照标准的转换关系转换为相应的p h 值。 本文从单个水质参数控制入手研究，之所以首选p h 值参数控制为研究对象， 一方面是因为p h 值控制的应用场合十分广泛，它不仅仅应用在热电企业，而且像 化工企业、造纸企业、制药业、污水处理等行业的生产工艺中都涉及该参数的控 制，我们认为该参数的研究非常有实用价值；另一方面是由于中和反应过程呈现 严重非线性，具有较大时滞，几乎是最难的单维控制问题之一n3 1 。通过对这一问 题的深入研究，实现对p h 值的有效控制，从而为非线性、纯滞后、时变系统的控 制提供一定的思路。 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 本章采用机理建模方法对p h 值控制系统被控过程进行研究，以便进行离线系 统设计、控制系统调试及调节器参数整定。被控对象数学模型只是在进行控制系 统的设计研究时或在控制系统的调试整定阶段发挥作用。在实验的基础上，再进 行理论分析，得出系统数学模型，进行离线研究，从而制定出控制系统的设计方 案。 2 1p h 值与腐蚀的关系 2 1 1f e h ：0 体系电位p h 图及腐蚀判断 f e 的腐蚀与p h 值的关系n 3 ，可通过电位 - - p h 简图( 如图2 一l 所示) 进行简要说 明( 金属离子活度为1 0 1 m o l l 情况) 。 以溶液的p h 值为横坐标。以f e 的各种状态在该溶夜中的标准电极电位为纵坐 标，诸线的上方，为反应式左边物质稳定区，下方为反应式右边物质的稳定区， 依此可以划分出与f e 相关的各区。 2 o 1 6 1 2 乏0 8 笔啦4 掣 髻0 蹩一o 4 驻 一虢毒 一l 工 一1 6 图2 - 1 电位p h 关系简图 2 o i 6 i 2 o 8 o 4 0 一o 4 一o 8 一t 2 一1 a 区为f e 稳定区，金属不发生腐蚀；b 区为f e 钝态区，金属表面具有稳定的保 护膜；c 、d 、e 区为f e 腐蚀区，其中c 区发生氢去极化腐蚀，d 区发生氧去极化腐 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 蚀，e 区发生的是碱脆腐蚀。 各条线代表的电化学平衡反应如下： ( 1 ) 2 h + + 2 e 营h 2 ( 2 ) 0 2 + 4 e + 4 e 营2 h 2 0 ( 3 ) f e 2 + + 2 e 营f e ( 4 ) f e 2 0 。+ 6 盯营2 f e 3 + + 3 h 2 0 f e 2 0 3 + 6 h + + 2 e 2 f e 2 + + 3 h 2 0 f e 3 0 4 + 8 h + + 2 e 营3 f e ”+ 4 h ：0 ( 5 ) f e 3 0 4 + 8 h + + 8 e 3 f e + 4 h 2 0 ( 6 ) f e 。0 4 + 2 h 2 0 + 2 e 营3 h f e 0 2 一+ 矿 ( 7 ) 盯e 0 2 。+ 3 h + + 2 e 营f e + 2 h 2 0 以上各反应式的左边为氧化态，右边为还原态。 从电位p h 图可以看出，若想将f e 移出腐蚀区而进入钝态区，最简便的方法 就是调整溶液的p h 值，使之控制在8 - - 1 3 的安全范围内n h 别。 2 1 2 氢去极化腐蚀及氢脆 当锅炉的给水、炉水及凝结水p h 值较低时( p h 1 3 ) 时。锅炉本体，尤其是汽包铆接处及胀 管等应力集中部位，易发生碱脆，碱脆的第一步是碱会使钢体表面的钝化膜破坏， 从而使金属本体发生腐蚀，控制溶液的p h 值，使其在8 - 1 3 的范围内，远离氧化 膜易被破坏的腐蚀区域，是控制碱脆的必要手段之一。 2 2 锅炉给水p h 值指标 我国标准中规定，锅炉给水p h 7 ，此指标基于如下考虑n 3 。首先，锅炉给水 是酸性时，会造成给水系统的氢去极化腐蚀，大量的腐蚀产物带入锅炉，会给锅 炉造成进一步的危害。其次，提高给水p h 值，会增加水处理的复杂性，基于我国 的国情，调节给水p h 值不宜过于复杂，考虑到我国的水源一般p h 值为7 左右，所 以规定给水水质标准p h 值7 。 这种粗线条式的p h 值控制指标，具有较强的可操作性，在大多数情况下，为 锅炉的安全运行提供了必要的保证。但同时，它还存在一定的不完善性，首先， 它没有规定上限指标，会给人以给水p h 值越高越好的错误印象，而如果因加碱处 理导致给水p h 值过高，碱性物质在锅内经过受热分解、蒸发浓缩，会引起锅水p h 值超标，一方面会造成金属钝化膜的破坏，另一方面亦较易引发对给水硬度指标 要求不甚严格的锅炉锅水的二次水垢。其次，在p h 值7 的情况下，虽然氢去极 化腐蚀已得以控制，但当金属表面没有较稳定的钝化膜。p h 值为7 8 时，仍会产 生氧去极化腐蚀，在给水系统，温度越低，氧含量越高，这种腐蚀越强；而当p h 值大于8 时，因金属表面钝化膜的形成，氧去极化腐蚀会得以抑制。 给水系统的金属腐蚀，不仅会造成给水管道和省煤器的损坏，而且由于腐蚀 产物带入锅内，导致金属受热面上发生腐蚀产物的沉积。据统计，自然循环锅炉 锅内金属腐蚀产物的来源7 0 是给水带入的，3 0 是锅炉本体腐蚀产生的。金属腐 蚀产物在锅内沉积，一方面造成金属传热性能大幅度降低；另一方面由于腐蚀产 物中f e 是阴极去极化剂，会大大加速锅炉本体的腐蚀，由此产生腐蚀结氧 化铁垢再腐蚀再结氧化铁垢的恶性循环。因此，控制给水p h 值在合理的 范围内是十分必要的。 由此可见，进一步细化锅炉给水p h 值控制指标，将其提高大于8 ，并进一步规 定它的上限应在l o 以内，最好为8 5 - - , 9 5 ，以避免出现偏差超出8 1 0 的范围， 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 从腐蚀控制角度去考虑，是很有必要的。 联系生产实际工作经验，将锅炉给水即除盐水的p h 值控制指标定为8 8 ，p h 值控制区间：8 5 - 9 2 。 2 3 除盐水自动加氨反应过程机理 除盐水加氨的反应原理：氨溶于水呈弱碱性，即n h 3 + h 2 0 = n h 4 0 h = n h 3 h 2 0 因此，液氨使用前配比为一定浓度的氨水。 氨水与除盐水中的二氧化碳的反应分两步进行： ( 1 ) n h b h 2 0 - d 2 0 2 删c 0 3 ( 2 ) n h 4 h c 0 3 + n h 4 0 h = ( n r h ) 2 c 0 3 + h 2 0 试验分析得到当反应至第一步时水的p h 值约为7 9 ，当反应至( n h 4 ) 2 c 0 3 时水的p h 值为9 2 。因给水的p h 值要求控制在8 5 - 9 2 之间，加氨的多少直接 影响给水p h 值的大小。 从上面的化学反应方程式可知，氨水和除盐水中的二氧化碳反应为弱酸弱碱 反应，反应的最终结果应为弱碱性，较少的游离的和0 盯达到化学平衡。为研究 p h 值控制中的主要非线性特性，简化控制问题，系统作如下假设：( 1 ) 溶液相互 反应没有混合时延；( 2 ) 溶液是完全均匀的；( 3 ) 所用的酸碱溶液被典型化为强 酸强碱溶液。 2 4 过程数学模型的分析 2 4 1 数学模型表达形式与对模型的要求 从最广泛的意义上说，数学模型是事物行为规律的数学描述。根据所描述的 是事物在稳态下的行为规律还是在动态下的，数学模型有静态模型和动态模型之 分。 建立p h 值控制系统被控过程模型时，首先考虑中和滴定( 加碱n a 0 h ) 反应过程 动力学特性，建立一个静态非线性滴定曲线模型，描述p h 与浓度的函数关系。其 次，建立动态模型描述混合动力学特性。最后用一个线性动态模型和一个静态非 线性滴定曲线模型来模拟整个p h 值控制系统中和反应过程。 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 2 4 2 机理法建立p h 值控制系统被控对象静态模型 用机理法建模就是根据过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方 程如：物质平衡方程：能量平衡方程；动量平衡方程；相平衡方程以及反映流体 流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备 的特性方程等，从中获得所需的数学模型。 2 4 3 强酸碱中和滴定曲线 p h 控制就是控制溶液或物料的酸碱度。若物料酸性和碱性超标，则要求以一 定的速度来添加某种添加剂( 碱或酸) 来提高或降i 氐p h 值。p h 值控制成为众所周知 的控制难题主要是因为过程的动力学特性变化太大，主要困难源于p h 值和浓度之 间的静态非线性，这种非线性取决于溶液中的物质和它们的浓度。为简单起见， 考虑强酸碱中和反应，图2 2 为p h 控制基本原理示意图。 图2 - 2 溶液p h 控制基本原理示意图 1 添加剂注入控制元件；2 p h 监控仪表；3 搅拌器；4 p h 传感器 p h 值是浓度的一种量度，更精确地说，是溶液中氢离子活性的一种量度。水 分子按化学式h 2 0盯删一离解。在化学平衡下，氢离子盯( 说得更确切些是h 3 0 + ) 的浓度和氢氧根离子o h - 的浓度由公式： 型! 【q 坚 ：c d 肛s f( 2 1 ) h 2 0 给定。 水是一种弱离解的分子，水中仅有一小部分水分子离解为离子。水的活性实 际为l ，所以有： r o l r = k w( 2 2 ) 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 其中，k w 是平衡常数，在2 5 。c 时，它的值为1 0 1 4 。 实际生产过程中的中和反应过程是非常复杂的，这里考虑的被控对象选用通 用化非线性动态模型如下i “1 ： v d y e ( t ) ：f ( f ) ( a 一( t ) ) u ( t ) ( b + y ( t ) ) ( 2z d t 。 。 y ( t ) = 1 0 。一1 0 “k 。 ( 2 - 4 其中，k w 是水平衡常数；y ( t ) 为离中性点的距离，定义为y ( t ) = 盯卜 o e y ( t ) 为输出溶液的p h 值。被控对象的近似离散化模型表不为： vn + 1 l = ( 1 一三f ( t ) ) vf 1 ) - - u b t 【t ) 一一tvf t l u ( t ) + 旦f ( t ) + ( f + 1 1f 2j 扩 。j 扩 ? + r 式中，v 为反应容器的容积，单位为l ：f ( t ) 为酸的流量，单位为l m i n ；u ( t ) 为碱的流量，单位为l i n ：a 为酸的浓度，单位为m o l l ：b 为碱的浓度，单位为 m o l l ；t 为采样周期，单位为m i n ；( t ) 为缓冲剂的流量，这里作为系统的十 扰输入信号。解得输出溶液的p h 值为 r = 一 p ，f f ) ：】2 丛塑! 业笪：坚!r 一 4 。 2 k 。 。 由上进方程可知山y ( t ) u p h ( t ) 的变化导致了严重的非线性。 函数p h ( t ) 的曲线称为滴定曲线，如图2 3 所示。横坐标是浓度差 | 墨】23 滴定曲线 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 变 换口 嚣 输 出 - m 图2 - 4p h 值的非线性特性 从图2 - 4 可以看出是p h 值是一个非线性变化的过程，滴定曲线的非线性主 要表现在中和终点附近，此处滴定曲线的增益很大，此时添加的中和剂略有变化， 就能引起p h 值较大幅度的变化；而当p h 值远离中和终点时滴定曲线的增益小， 只有加入大量的中和剂，才能造成p h 值的少量变化，这样就会浪费大量的液氨。 由于d h 的对数定义形式，确定及馈补精确的添加剂量会有一定的困难。 2 5p h 值参数控制的特性 25lp h 值控制严重静态非线性 由中和滴定曲线可知：酸碱中和反应是非线性的，当p h 值处于6 或9 附近 时，酸碱中和反应产生突跃，而除盐水是经过阳、阴离子交换器处理，水中的阴、 阳离子基本上全部除去的水接近纯水( p h 值为7 ) ，即使加入很少的中和剂| 乜 会导致p h 值很大变化。 252 控制系统的滞后性 在酸碱反应中，涉及到酸与碱的混合过程，其中最主要问题是如何控制其产 生的时间滞后。这种滞后涉及到检测仪灵敏度( p h 计对p h 值的测定在仪表显示 值与其实际值之间存在一定的滞后性，滞后于实际值2 0 多秒) 。中和反应的速度 灵敏度、中和反应的速度( 氨极易溶于水呈碱性，中和反应为零级反应，反应速度 滞后常可忽略不计) 、管道运输的滞后性及混台动力系数等等。因而在设计时应 尽量消除或减少这种不合理的因素。 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 2 5 3p h 值控制的时变性 影响除盐水p h 值的因素主要有：除盐水流量、加氨量、氨水浓度、游离二 氧化碳含量、加氨前p h 值等，这里除盐水流量波动很大会直接影响除盐水的p h 值，要求加氨调节实时性好。 可见该除盐水加氨控制系统是一种典型的非线性、纯滞后、时变系统。另外 由于p h 值在8 5 9 2 之间时，灵敏度很小，因此对测量的精度要求很高，要求 p h 检测计配置良好的三复合电极。 2 6 动态数学模型的确立 过程动态数学模型的表达方式很多，其复杂程度可以相差悬殊，对它们的要 求也是各式各样的，这主要取决于建立数学模型的目的何在，以及它们将以何种 方式加以利用。 一般来说，在过程控制中，建立被控对象数学模型的目的主要有以下几种： ( 1 ) 制定工业过程优化操作方案。 ( 2 ) 制定控制系统的设计方案，为此，有时还需要利用数学模型进行仿真研 究。 ( 3 ) 进行控制系统的调试和调节器参数的整定。 ( 4 ) 设计工业过程的故障检测与诊断系统。 本课题中，建立数学模型的直接目的就在于上面所列出的( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 。 利用方式是离线的。 在前面使用了机理建模方法，对p h 值控制系统这一被控对象建立静态数学模 型。实际的除盐水加氨控制系统是以除盐水管道中除盐水的p h 值为被控参数进行 研究而进行控制系统的优化。设计p h 控制系统的关键就是要维持工艺过程中的p h 值在所需的控制点并将所需的添加剂量减至最少且过程稳定。恰当地馈补添加 剂，将p h 偏差保持在一个允许的限度内还是容易做到的。依不同的工艺要求和处 理过程及条件，p h 控制方式有基于滴定曲线和静态参数的开关型控制和基于线 性补偿原理的调节控制两种瞳制。前者常用于贮槽条件下的污水处理、金属表面处 理、小批量涂料生产等分批处理过程；后者常用于被处理的物料处于连续流动的 连续生产或处理过程。 对于连续处理过程，它表示当系统受到干扰一阶跃干扰时，通过控制系统 的自动调节作用，经过一段时间后，重又回到给定的期望值p h ) 。与这一要求对 应的函数表达式可写成： 第二章除盐水自动加氨过程机理与模型分析 p h ( t ) = 【矽( ，) 一雄( 纠 1 - 8 一+ 例 2 7 式中，p h ( 幻一控制过程的p h 值 p h ( 力一控制过程的p h 给定值 p h ( 力一流入物料的p h 值 卜时间 卜系统的时间常数 v h f s 、】 对上式经拉氏变换后得： 2 p h ( s ) = 丽( 2 - 8 ) ，cj-l 上式表明，所期望的系统输入一输出结构为一阶惯性环节。这就为p h 控制系 统参数的整定提供了明确的方向。 除盐水自动加氨控制系统广义被控对象由变频加氨泵、液氨箱、检测仪表( p h 检测计) 等组成( 如图2 5 所示) ，控制器的唯一输入是p h 值测量值和给定值之 间的误差e ，这样的设计既简单，又可以消除多参数对系统的影响。 。：二偏咎一鬻翌膏张g p ( 贩s ) 控制。 给定值。+ 偏复控制器竺变频加氨泵被写空对象控制变量p + 一 b cl s ， w s ， _ 一p h 检测计_ 一 p h 图2 5除盐水自动加氨控制系统图 除盐水加氨反应大多发生在容器和循环管路中，使得系统存在较大时滞，这 种滞后还涉及到检测仪灵敏度( p h 计对p h 值的测定在仪表显示值与其实际值之 间存在一定的滞后性，滞后于实际值2 0 多秒) ，当系统有纯明显滞后时，其动态 模型的传递函数用一阶惯性加滞后环节来表示： g ( s ) = 丽k 已一蛮 ( 2 9 ) 第三章除盐水自动加氨控制系统初步设计 第三章除盐水自动加氨控制系统初步设计 本章以热电厂除盐水加氨调节p h 值参数控制过程为研究对象，进行自动控制 系统的设计。通过控制器的控制使除盐水的p h 值自动、快速稳定在8 5 9 2 之间， 完成对除盐水质量的监测控制。设计中采用p l c 、智能p i d 控制算法、变频技术 实现除盐水加氨自动控制。 3 i 加氨调节控制基础 除盐水加氨的目的主要是中和水中的c 0 。，提高除盐水的p h 值，防止系统酸 性腐蚀。以前国内热电厂在除盐水的p h 值控制方面，基本是靠人工控制，除盐水 加氨系统利用柱塞计量泵向除盐水管道注入氨水，以消除游离的c o ：，将除盐水 的p h 值提高n 8 5 以上，防止c 0 。对水汽系统金属的侵蚀。规定每半小时化验1 次 除盐水供水的p h 值，并据此化验值，手工调节柱塞泵的出口阀开度，以调节加氨 量，但由于除盐水供水流量及c o ：含量经常发生变化，而化验频率较低，人工调 节滞后且不准确，使除盐水含氨量波动范围在0 3 - - 2 0m g l ，除盐水供水的p h 值波动在5 5 1 0 3 z 间，对设备造成了一定的侵蚀，事实上依靠人工的p h 值控 制质量离生产工艺的要求具有较大的差距。 在工业生产中广泛采用常规的p i d 调节器控制加药，2 0 0 3 年天津大沽化工 有限公司热电公司化水车间p h 值控制系统改造时也是采用了手动- p i d 自动控制 方案。然而，在开停炉、清洗电极、水流量较大波动等非正常情况下，只能使用 手动调节，在稳定工况下，虽可以投入自动控制实现常规p i d 调节，但系统稳定 性不好且反应很迟钝。从2 0 0 6 年开始进行市场调研和技术研究，探索一个经济、 简单、实用、可靠控制方案，力求对该系统进行进一步的改造。在第二章中已经 分析了除盐水的水质调节系统是一个典型的时变、非线性、纯迟后对象。常规 p i d 控制算法对线性系统较好控制，然而对于模型的近似性、系统本质的时变非 线性、反应的滞后性该算法称不上好的算法，特别是固定参数的p i d 调节器，当 对象特性发生变化时，往往会给系统带来很大的超调，甚至会影响正常工作。因 此，p i d 参数要随对象特性变化而调整，以及要适应于大时滞过程控制，对除盐 水的p h 值控制的实时性、准确性、可靠性还有待进一步的研究。 第三章除盐水自动加氨控制系统初步设计 3 2 控制方案设计 3 2 1 配药系统工作原理 通过程序自动控制1 ，2 ，3 号电磁阀的协调动作，配出所需药液的浓度，如 图3 - 1 所示。配药时，先关闭2 号电磁阀，再打开l ，3 号电磁阀，等到原料氨装满 整配料筒时，再关闭1 号电磁阀，打开2 号电磁阀，当药液完全从原料筒流到稀氨 箱时再关闭2 号电磁阀，打开1 号电磁阀，就这样循环动作，直到液位传感器再次 检测到稀氨箱液位达到上限时关闭l ，2 ，3 号电磁阀，这样可得到实际使用浓度 ( 1 2 ) 的氨水。配药系统保证氨水稳定的浓度和持续供给。 原料氨 r 一一 一一一一一一一一一一一一( 一电磁阀1 =配料简 ，一 霉堕控制器三三三三三三三三三三三磊亍二电磁阀2 。 给水电磁阀31 感器 ! ，v 主2 2 2 2 芝二山、；2 二= ：稀氨箱 嘉3j 瓢 二= _ = 二l 。 一十一一变额馨 除 盐 水 一 q 泵2 一 - 一 图3 - 1 配药系统工作原理图 3 2 2 加药系统工作原理 该系统为变频调速，根据检测信号与给定信号的偏差，控制器应用一定的智 能控制算法，输出调节量自动调节加氨电机转速，进而调节加氨量，使除盐水p h 值恒定于设定值附近。电气接线部分：采用“一拖一”方案，不带工频旁路。除 盐水管线附近安装两台加氨泵，两台变频器，以实现冗余，正常情况下一台加氨 泵和一台变频器工作。加药系统工作原理如图3 2 所示。 第三章除盐水自动加氨控制系统初步设计 p h 检测计 图3 - 2 除盐水自动加氨控制工艺流程图 由于p h 控制过程，对系统的超调量有精确而严格的限制、加之调节对象的 特性是一个化学反应( 中和) 过程，被调参数p h 值是中和过程的结果，在系统产 生调节作用( 注入氨水) 和传感器检测到中和结果之间存在着较大的时间延迟。若 处理不当，系统会在控制点附近产生较强的振荡，这在工艺上是决不容许的。 3 3 控制系统设计 由于p l c 具有可靠、灵活、易用、功能齐全、抗干扰能力强等优点，适用于 包含逻辑控制、顺序控制和批处理控制等许多复杂算法的系统，故在工业控制中 得到了很广泛运用。为保证锅炉给水水质达标，除盐水加氨量的控制器主要应用 p l c ，控制系统的检测元件p h 检测计采样除盐水的p h 值参数，将p h 计输出4 2 0 m a 信号通过a d 模块送a 。p l c 与p h 值给定值比较，p h 值的偏差信号在p l c 内 完成智能p i d 运算，并通过d a 模块输出4 2 0 m a 控制信号给变频器，变频器调 整工作频率自动调节加氨泵电机的转速，实现除盐水加氨闭环负反馈控制。 仪表控制系统主要组成部分：检测部分包括流量计、液位计、温度、离 子浓度传感器、p h 值检测计、流量调节仪；程控部分包括可编程控制器、变 频器；执行部分包括计量泵、电动行程调节器。 3 - 3 1 控制器 由于p l c 具有特殊的构造，它能在高粉尘、高噪音、强电磁干扰和温度变化 剧烈的环境下正常工作，本系统设计中采用西门子s 7 3 0 0m i c r op l c 作为控制器 汹3 。$ 7 - 3 0 0 系列的小型p l c 结构紧凑，低成本以及功能强大的指令，多种多样的 c p u 尺寸及电压范围以及基于w i n d o w s 的编程工具，可以接受模拟信号，内部具有 第三章陈盐水自动加氨控制系统初步设计 p i d 运算模块，使其应用更加灵活，解决自动控制任务更方便。采用模块化结构设 计，各种单独的模块之间可进行广泛组合。控制器主要d q c p u 3 1 8 + s m 3 1 ia i + s m 3 3 2a o + s m 3 2 1d i + s m 3 2 2d o 等模块组成如图3 - 3 所示。 十三一二一一一三十 i 薹甜浮茎i 1c p u 模块 s 7 3 0 0 的c p u 3 1 8 作为控制器的核心，具有丰富的指令系统，能够进行各种复 杂的逻辑运算和算术运算，同时可以进行各种函数运算，如信号标度变换、信号 滤波、p i d 运算等。在c p u 模块内部由微处理器通过数据总线、地址总线、控制 总线阻及辅助电路连接存储器接口及i o 单元。通过上下位机通信接收用户程序 和数据，读取并解释执行用户程序，按规定的时序接收输入状态，刷新输出状态， 与外部设备交换信息，诊断p l c 的硬件状态等。 2s m 3 1 1 a i 模块 s 7 3 0 0 - a d 模数转换器为1 2 路模拟量输入通道，具有1 2 位的转换精度，输入可 以是电压信号，也可以是电流信号。在此所进用的口h 值检测计有4 吐信号输 出，因此采用4 2 0 m a 标准信号输入。s m 3 1 1 a i 模块采样现场除盐水的p h 值、流 量信号、液位信号及两台变频器的模拟输出等信号。 3s m 3 3 2a 0 模块 $ 7 - 3 0 0 一d a 数模转换器为1 2 路模拟量输出通道，具有1 2 位的转换精度。输出 是4 2 0m 电流信号。一般来说变频嚣既有4 2 0 t a a 信号输入端子，也有电压 输入端子，在这里采用4 2 0 m a 标准信号输出以控制变频嚣的频率，实现加氨泵 的变频调节以此改变加氨量。 第三章除盐水自动加氨控制系统初步设计 4 s m 3 21d i 开关量输入模块 检测开关量，如1 | 、2 彝泵的允许开关及运行状态、故障监测信号。 5 s m 3 2 2d o 开关量输出模块 控制两台加氨泵启停及切换，两台加氨泵，正常情况下一台泵运行可满足生 产的需要，当p l c 监测到一台泵有故障时，p l c 通过程序控制另一台泵启动，实 现自动跟踪无扰动切换。 6 电源模块 p l c 配有开关式稳压电源，电源的交流输入端，接有尖峰脉冲吸收电路以提 高抗干扰能力。 此外，已预留出a d 、d a 、i o 单元接口及接线端子，可进行广泛组合实现 进一步的扩展。 从处理器至0 i o 模块、从硬件到软件，整个产品的结构具有开放、可靠、灵 活和易于扩展的特点。使用p l c 简化控制系统，增加控制系统的可靠性，其控制 算法应用智能p i d 算法。用户可根据现场实际情况( 如水流量不稳定干扰大) 进 行合理p i d 参数设定，可消除大幅度振荡现象。 3 3 2 控制算法的研究 1 常规p i d 控制 常规p i d 控制由于其具有直观性好、实现简单、可靠性高以及强