張曉東，李 軍，豐少偉，黃國安

(1. 海軍工程大學，湖北 武漢 430033；2. 上海磊華船舶工程有限公司，上海 200035)

0 引 言

某型鍋爐控制系統(tǒng)由主蒸汽壓力調(diào)節(jié)回路、空氣流量調(diào)節(jié)回路、鍋爐水位調(diào)節(jié)回路、燃油溫度調(diào)節(jié)回路、燃油壓力調(diào)節(jié)回路、燃油壓差調(diào)節(jié)回路等6個控制回路組成。該系統(tǒng)運行數(shù)年后，故障頻發(fā)，高參數(shù)工況下多次出現(xiàn)鍋爐壓力大幅波動導致安全閥起跳的現(xiàn)象，于是在變負荷時不得不設(shè)置于低參數(shù)工況，嚴重影響了鍋爐裝置的正常工作。

初步分析認為，鍋爐控制系統(tǒng)的變送器和執(zhí)行機構(gòu)等硬件參數(shù)發(fā)生變化，以及作為控制對象的鍋爐裝置本體的燃燒性能劣化是造成控制系統(tǒng)整體性能下降的主要原因。但是在對鍋爐控制系統(tǒng)的變送器和執(zhí)行機構(gòu)進行了維修、校準、更換以及對鍋爐裝置的燃油噴嘴和燃燒爐膛進行維修清理等措施后，控制性能仍未能得到有效改善，某些控制回路的性能甚至更為劣化。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，該型船同樣規(guī)格的4套鍋爐控制系統(tǒng)在傳感器、執(zhí)行機構(gòu)的量程、零位等重要參數(shù)方面互有差異，部分傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的零位和量程與銘牌標志不符。對控制軟件深入分析后發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)的控制參數(shù)也互有差異，由此可見該型船生產(chǎn)廠家在前期開發(fā)維護工作中部分控制部件的更換和軟件參數(shù)修改沒有遵循標準化的原則。當主鍋爐工作不穩(wěn)定時，無法通過對硬件參數(shù)進行標校整定找到原有的穩(wěn)定工作點。作為控制對象的鍋爐本體性能、鍋爐控制系統(tǒng)的硬件參數(shù)和以及控制系統(tǒng)參數(shù)的互相匹配是整個鍋爐裝置穩(wěn)定工作的基本保證[1]。為使該船用鍋爐裝置在長期使用過程中能更方便進行維護保障，應該對控制系統(tǒng)的變送器、執(zhí)行機構(gòu)等硬件進行標定校準，對控制系統(tǒng)進行參數(shù)整定。

1 控制系統(tǒng)整定的思路和步驟

主鍋爐工作不穩(wěn)定的因素存在于上述6個控制回路之中，關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)在于主鍋爐的燃燒控制回路和增壓風機的空氣流量控制回路，其中牽涉到的機械部件和控制設(shè)備較多。鍋爐控制系統(tǒng)調(diào)整的具體思路如下：

1）對鍋爐控制系統(tǒng)所有硬件和控制軟件的結(jié)構(gòu)進行研究和排查分析，從源頭搞清楚故障癥結(jié)；

2）對所有控制回路變送器的零位量程進行檢測標定，對所有控制回路執(zhí)行機構(gòu)的起始點和行程進行檢測標定，做到同類型控制回路所采用的變送器和執(zhí)行機構(gòu)規(guī)格型號一致并與銘牌標稱值完全相符。

3）利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集記錄鍋爐運行相關(guān)參數(shù)，著重對控制系統(tǒng)工作不穩(wěn)定時的數(shù)據(jù)進行分析，確定軟件參數(shù)的不匹配點。

4）對控制系統(tǒng)的軟件參數(shù)進行整定。為降低風險，首先在陸上試驗平臺進行軟件參數(shù)修改范圍的測試，然后在系泊狀態(tài)下進行軟件參數(shù)修改試驗，并根據(jù)實時采集記錄數(shù)據(jù)進行逐次修改，滿足系泊狀態(tài)的基本平穩(wěn)工作后，進行航行試驗階段的軟件參數(shù)整定。

5）在航行試驗中通過實時采集記錄分析鍋爐控制系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)參數(shù)，對參數(shù)進一步優(yōu)化，直至控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2 控制系統(tǒng)整定的原理和方法

在該型鍋爐控制系統(tǒng)的6個控制回路主通道控制中均采用目前技術(shù)最成熟、應用最為廣泛的PID調(diào)節(jié)方式[2]。在以采樣控制為特性的計算機控制系統(tǒng)中，離散的PID表達式為：

式中：T為采樣周期；E（k）為第k次采樣時的偏差值；E（k–1）為第（k–1）次采樣時的偏差值；k為采樣序號，k=0，1，2……；P（k）為第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。

對控制性能的影響主要通過以下參數(shù)：

1）控制器增益Kp：增益Kp的增大，加速系統(tǒng)響應，但影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；

2）積分系數(shù)TI：積分作用的增強，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提高，但影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性；

3）微分系數(shù)TD：微分作用增強，可使系統(tǒng)的超前作用增強，提高穩(wěn)定性，但引入了高頻噪聲。

在對鍋爐控制系統(tǒng)傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的硬件參數(shù)進行標校整定的基礎(chǔ)上，啟動鍋爐在系泊狀態(tài)的低負荷運行，對鍋爐控制系統(tǒng)6個控制回路的軟件參數(shù)進行初步整定，在出海試航過程中再進行高參數(shù)大負荷工況下的調(diào)整。根據(jù)工程經(jīng)驗可知，主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個控制回路通常在系泊試驗狀態(tài)下就可以完成整定，而主蒸汽壓力和空氣流量2個控制回路需要在系泊狀態(tài)初步完成整定后，再在試航試驗中，在高參數(shù)大負荷工況下進一步優(yōu)化。

2.1 主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個控制回路參數(shù)整定

主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個調(diào)節(jié)回路的輸出控制量（執(zhí)行機構(gòu)給定值）、執(zhí)行機構(gòu)動作值（開度）和變送器測量信號見表1。

以FLUKE754多功能過程校準器校準各個控制回路壓力、壓差變送器[3]，使其測量壓力、壓差量程精確對應輸出0～20 mA電流信號；以FLUKE干井爐校準各個溫度傳感器，使其測量溫度量程精確對應輸出0～20 mA電流信號；鍋爐傾斜傳感器L53校準為±45°對應輸出0～10 V電壓信號；各個執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥校準為控制信號0～20 mA電流對應0～100%的閥位開度。

對完成硬件傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的校準的基礎(chǔ)上，系泊試驗狀態(tài)下，以逐次逼近的方式整定4個控制回路的軟件參數(shù)[4–6]：

1）主鍋爐水位調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為En={0，20}時，Kp={1，3}，Ti={100，60}；穩(wěn)態(tài)誤差≤±10 mm。

2）燃油溫度調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為En＞5時 Kp=1.5，Ti=100；En＜3時，Kp=1.5，Ti=160；穩(wěn)態(tài)誤差≤±1.5 ℃。

3）燃油壓力調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為En＞4時 Kp=1.3，Ti=12；En＜2時，Kp=1.3，Ti=30；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.5 kgf/cm2。

4）燃油壓差調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為En＞16時 Kp=1，Ti=20；En＜14時，Kp=0.1，Ti=60；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.1 kgf/cm2。

2.2 主鍋爐蒸汽壓力、鍋爐增壓器空氣流量2個調(diào)節(jié)回路參數(shù)整定

主鍋爐主蒸汽壓力、鍋爐增壓器空氣流量調(diào)節(jié)回路的輸出控制量（調(diào)節(jié)器給定值）、執(zhí)行機構(gòu)動作值（調(diào)節(jié)器開度）和傳感器測量信號見表2。

同前面4個控制回路的操作，對2個控制回路壓力、壓差變送器進行校準，使其測量壓力、壓差量程精確對應輸出0～20 mA電流信號；使轉(zhuǎn)速變送器測量轉(zhuǎn)速量程精確對應輸出0～10 V電壓信號；同時對2個執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥進行校準，確?？刂菩盘?～20 mA電流嚴格對應0～100%的閥位開度。

在對控制系統(tǒng)中變送器和執(zhí)行機校準的基礎(chǔ)上，結(jié)合系泊試驗和大負荷機動航行試驗，根據(jù)實時監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)，逐次修改調(diào)整2個控制回路的軟件參數(shù)：

表 1 主鍋爐水位、燃油溫度、燃油壓力、燃油壓差4個控制回路控制信號表Tab. 1 Signal labels of water level, fuel temperature, fuel pressure and differential pressure

表 2 主鍋爐主蒸汽壓力、空氣流量調(diào)節(jié)回路控制信號表Tab. 2 Signal labels of main stream pressure and flue gas differential pressure of the main boiler

1）主蒸汽壓力調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為En={0，3，6}時，Kp={2.1，7.28，11.3}，En={0，1.5}時Ti={40，30}；超調(diào)量≤10%；調(diào)整時間≤120 s，穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.5 kgf/cm2。

2）空氣流量調(diào)節(jié)控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，調(diào)整空氣流量控制器增益Kp和積分系數(shù)Ti，實際整定值為 En={0，40，100}時，Ti={50，120，150}，KP=0.5；穩(wěn)態(tài)誤差≤±0.005 kgf/cm2。

3）關(guān)聯(lián)主蒸汽壓力和空氣流量2個控制回路的“主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度—空氣比例”的控制參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)原來的“主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度-空氣比例”（即風-油比例）控制參數(shù)如表3所示，根據(jù)實時監(jiān)測記錄的數(shù)據(jù)，鍋爐運行時風機轉(zhuǎn)速過高風壓過大，容易使鍋爐熄火。在軟件中將鍋爐的風-油比例進行調(diào)整，具體參數(shù)見表4。

表 3 原有的鍋爐主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥與煙氣壓差值關(guān)系表Tab. 3 The relationship between original main stream pressure governing valve opening and flue gas differential pressure

表 4 調(diào)整后的鍋爐主蒸汽壓力調(diào)節(jié)閥與煙氣壓差值關(guān)系表Tab. 4 The relationship between adjusted main stream pressure governing valve opening and flue gas differential pressure

表3和表4給出了出蒸汽壓力調(diào)節(jié)器開度和煙氣壓差數(shù)值之間的關(guān)系，兩者以插值法得到近似關(guān)系用于控制系統(tǒng)。實際運行情況表明，調(diào)整參數(shù)后的主鍋爐控制系統(tǒng)，完全消除了原來高參數(shù)工況壓力大幅度波動導致安全閥起跳、爐膛容易熄火等故障，機動變負荷工作時響應迅速且壓力變化平穩(wěn)。也證明對控制系統(tǒng)硬件設(shè)備維修、校準軟件以及軟件系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整有效地排除了故障。

3 結(jié) 語

鍋爐控制系統(tǒng)控制參數(shù)整定后對運行情況進行了長期跟蹤，運行情況表明，各個控制回路的穩(wěn)定性得到明顯改善；高參數(shù)工況變負荷運行時主蒸汽壓力控制回路和空氣流量控制回路調(diào)整迅速，動態(tài)過程平穩(wěn)；鍋爐壓力和增壓風機轉(zhuǎn)速波動范圍也達到原設(shè)計技術(shù)指標的要求。在此基礎(chǔ)上，制定了控制系統(tǒng)變送器、執(zhí)行機構(gòu)等設(shè)備的參數(shù)校準的操作規(guī)程，編制了控制系統(tǒng)軟件參數(shù)配合整定的操作程序，降低了日常維護的技術(shù)難度，為此類型鍋爐控制系統(tǒng)的長期維修保障提供了有效的技術(shù)途徑。

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