基于PID控制的蒸汽恒压调节

魏玉红

（青海省工业职业技术学校，青海 西宁 810021）

1 传统蒸汽减压装置及其弊端

锅炉额定蒸汽压力为1.0－2.5MPa。为保证蒸汽传输速率，满足热负荷压力需求，减少传输热损失，在兼顾安全的前提下，蒸汽传输压力要大于热负荷额定工作压力，因此，在分气缸前段增设减压阀以满足生产所需压力。一般情况下，板式换热器额定工作压力为1.2MPa，系统传输压力为1.6MPa，经减压阀降压后分气缸压力为1.2－1.4MPa，随着被加热介质循环散热，板式换热器一次侧蒸汽压力随热量变化而变化。由于机械式减压阀的固定减压作用，分气缸内蒸汽压力在0.8－1.4MPa内波动，导致换热器工作效率大幅降低，被加热介质升温速率受到影响。除此之外，还存在以下不足：（1）当被加热介质在一个循环周期内热损失比较小，或主设备停机造成流量小或者无流量的情况下，板式换热器后端蒸汽压力会逐渐上升，不能维持设定的压力；（2）当输送管路内凝结水较多的情况下，减压阀会出现误动作现象；（3）人工压力设定值不精准，不能根据负荷变化进行调整；（4）特殊情况下不能自动关闭蒸汽通道，存在安全隐患；（5）机械式减压阀压力调节范围及精度受限制，无法满足精准调整的要求；（6）减压阀毛细管或平衡孔易堵塞、膜片变形、破裂、泄漏等，会影响系统正常开机。

2 基于电气控制的蒸汽恒压调节方式的基本组成

为改善蒸汽系统工作的可靠性，实现蒸汽压力恒压控制，需要能够替代机械式减压阀的稳压装置，既能满足热负荷波动的需求，又能确保分气缸、板式换热器内正气压力稳定在设定值范围内。因此，设计了基于电气控制的蒸汽恒压调节装置，实现了上述目的，其结构图如图1所示。

图1 电控恒压蒸汽换热系统

2.1 基本组成及功能

在分气缸前段蒸汽进口管道上加装电动调节阀，通过控制阀门的开度调节系统蒸汽流量。由于蒸汽自锅炉输出后，沿途热损失相对固定，到达电动调节阀前端的压力也相对固定，因此，控制了蒸汽流量就可控制电动调节阀后端蒸汽压力。

在分气缸上加装压力变送器检测蒸汽压力。一般情况下，分气缸上安装有压力表，但为实现蒸汽流量连续调节的需要，加装一台蒸汽压力变送器，采用3051系列电磁压力变送器，将压力信号转化成电信号，对分气缸、板式换热器蒸汽压力连续检测并传输给控制单元，作为电动调节阀连续控制信号输入。

控制单元选择具有PID调节功能的智能数显控制器，在控制器上设定蒸汽压力值、在接收压力变送器信号后，与给定值比较后输出控制信号给电动调节阀执行器，驱动调节阀打开或关闭，从而实现了蒸汽流量控制，进而连续控制了蒸汽压力，实现了蒸汽压力恒压控制［1］。

工作电源直接在现场选用交流220V电源，根据电动执行器额定电压选择加装控制变压器。

2.2 主要控制元件选型

电动执行器选用SiemensSKD60型电动液压执行器，该型执行器具有选择流量特性、阀位反馈、行程调校、LED状态指示、优先控制等功能。工作电压AC24V，输入控制信号可选择0－10V、4－20mA或0－1000Ω，通过控制面板操作可选择线性控制和LOG控制，本文选择线性控制。

调节阀选用SiemensVVF45型截止阀，该型阀门法兰型，额定工作压力1.6MPa，额定工作温度0－240℃。

具有PID调节功能的控制器选用日本理化RKC CD901型控制器，该控制器是多功能调节仪表，性能可靠。具有自诊断、自整定、智能控制等功能。

蒸汽压力变送器选用Siemens QBE9000-P16压力传感器，它适用于液体或气体（蒸汽应用）作介质的液压和气动系统静态与动态绝对压力测量，输出信号为DC0－10V，最大电流＜4mA，响应时间<2ms，工作电压为AC 24V、50－60Hz或DC16－33V，最大电流<4mA。

3 基于电气控制的蒸汽恒压调节方式的原理分析

基于电气控制的蒸汽恒压调节方式原理如图2所示。

图2 基于电气控制的蒸汽恒压调节方式原理

图中，QF为自动空气断路器，规格为2P 5A；TC为控制变压器，规格为50W；BP为压力变送器，型号为日本理工OEB9000-16；AS为数显控制器，型号为SIENENS RKC CD901；YM为电动液压执行器，型号为SKD65，配VVF42型阀体。

蒸汽恒压控制系统工作电压选择交流220V，从安全角度考虑，压力变送器和控制器选择工作电压为交流24V，电动调节阀执行器工作电压为交流220V［4］。如图3所示，设定蒸汽系统恒压压力为0.8MPa，蒸汽输送压力为1.2 MPa，

预先设置分气缸工作压力范围为0.6－1.2 MPa，也就是压力变送器的输出0－5V信号随蒸汽压力按线性关系波动，即分气缸压力为0,6MPa时，压力变送器输出0V，1.2MPa时输出5V。

压力变送器0－5V作为控制器的输入信号，其输出给电动执行器的4－20mA控制信号呈反比变化，即分气缸压力为0,6MPa时，压力变送器输出0V，而控制器输出20mA，电动阀门开度全部打开，随着分汽缸压力的上升，压力变送器输出信号从0V开始递增，而控制器输出信号自20mA递减，阀门开度由最大状态缓慢减小，分气缸压力的稳定过程呈振荡暂态变化，最终分气缸压力稳定在设定值上，而压力变送器输出值、控制器输出值、阀门开度均随压力设定值稳定在相对固定的范围内小幅波动。压力小幅波动的区间称为控制精度，各元件间的输入输出信号波动成为系统响应时间，恒压控制是相对恒压，与设定值相比较会存在±δP的误差，控制精度的误差是客观存在的，±δP相对于设定值基本可忽略不计，对整个系统正常运行不构成影响，分汽缸压力从初始状态到稳定的设定值暂态时间一般小于5S［2］。系统动态响应曲线如图3所示,

图3 动态响应曲线

4 控制器的应用设置

（1）输入电压选择0－5V ，即控制器SL1=1110。

（2）输出类型选择4－20mA，即控制器SL6=0111。

（3）第一报警模式ALMI选择上偏差报警，即控制器SL4=0001。

（4）设置报警继电器动作时为1，非激励报警。没有动作时为0，即SL7=0。

（5）量程设置，量程上限SLH=1.2MPa，量程下限SLL=0.6MPa。

（6）控制器选择PID自动演算逆动作型［3］。

5 结论

（1）基于电气控制的恒压系统可有效地避免机械式减压阀存在的压力不稳、误动作等弊端，具有控制精度高、过渡过程短等特点。

（2）PID调节功能能够很好的在恒参数系统中发挥作用，不仅可用于恒压控制，也可根据被控对象的不同用于恒温控制、恒流量控制等多个方面，具有较广泛的使用价值［5］。

（3）随着国内数显式控制仪表、热工检测元件的发展，整个装置的造价将会越来越低，其经济性好于机械式减压阀。

（4）对要求不高的工业场合，目前国内的3051系列变送器、XMT系列数显仪表、ZA＼ZD等多个系列的产品均能满足要求，只是在使用寿命和控制精度上稍有差别。