第12卷 第3期 Vol.12 No.3 2019 年 6 月 June 2019

CCPP 氮气管网压力控制优化设计 汪文婷 1，程 鑫 2*

（1. 武汉钢铁有限公司能源环保部，武汉 430083； 2. 武汉钢铁有限公司炼钢厂，武汉 430083）

摘要：研究主要介绍了燃气蒸汽联合循环发电站（combined cycle power plant，CCPP）在油气切换过程的氮气吹扫及氮气封堵中出现的氮气管网压力控制不稳定的问题。根据反馈、前馈控制原理，利用分散控制系统

（distributed control system，DCS）技术和 CCM Studio 组态软件进行研究。通过多次试验分析比较，最终利用前馈-反馈复合控制技术对原氮气管网压力控制系统进行了优化，实现了氮气管网压力的稳定控制，满足了机

组在各种工况下的运行条件，保证了 CCPP 的安全稳定。 关键词：自动控制技术；联合循环发电站；分散控制系统；前馈；反馈；比例积分微分控制 中图分类号：[TH861] 文献标识码：A 文章编号：1674-2850(2019)03-0499-08

Optimization design of CCPP nitrogen pipe network pressure control

WANG Wenting1, CHENG Xin2

(1. Ministry of Energy, Wuhan Iron & Steel Company, Wuhan 430083, China; 2. Steel Works, Wuhan Iron & Steel Company, Wuhan 430083, China)

Abstract: In this paper, the problem of nitrogen pipe network pressure control instability during nitrogen purge and nitrogen sealing in the oil and gas switching process was mainly introduced in gas-steam combined cycle power plant (CCPP). According to feedback and feedforward control principle, distributed control system (DCS) technology and CCM Studio configuration software were used for the research. Finally, through multiple experimental analysis and comparison, the nitrogen pipe network pressure control system was optimized by the feedforward-feedback composite control technology, and the pressure stability control of the nitrogen pipe network was realized. It met the operating conditions of the unit under various working conditions and ensured the safety and stability of CCPP. Key words: autocontrol technology; combined cycle power plant (CCPP); distributed control system (DCS); feedforward; feedback; proportional-integral and derivatice (PID) control

0 引言 武钢 CCPP 是利用高炉炼铁、转炉炼钢在生产末期产生的废置煤气进行燃气蒸汽两级发电的大型发

电站。该发电站成功完成了武钢零排放的指标，并在一定程度上解决了武钢用电紧张的问题。 联合发电站机组在起机过程中的油气切换过程对管道进行氮气吹扫；运行过程中使用氮气对煤压机

进行气体封堵，以防止高压煤气外散，如果氮气管网压力出现波动或压力调节滞后，则会对整个机组造

成极大影响，甚至中断生产。因此，保证氮气管网压力控制系统稳定调节在整个机组正常运行中尤为重要。

1 存在问题分析 氮气管网压力控制系统主要用于燃料管道喷嘴的吹扫及氮气封堵。当从液体燃料轻油切换为气体燃

作者简介：汪文婷（1984—），女，工程师，主要研究方向：仪表自动化控制. E-mail: wwting_99@163.com

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料混合煤气时，喷嘴中还会留有残油，为防止残油在喷嘴中由于高温而形成积碳从而将喷嘴堵住，必须

用氮气吹扫喷嘴以保持燃料喷嘴洁净。在燃料转换开始前，投入吹扫动作。在整个吹扫控制过程中，机

组给管道和燃烧室以 3.2 MPa 压力的氮气进行吹扫，吹扫控制成功结束后方可进行燃料切换。当燃料转换油切气完毕后，为防止高热空气反窜进入高压煤气管道而引燃高压煤气发生爆炸，必须用 2.2 MPa 压力的氮气隔离密封煤气管道进行氮封控制。在氮封控制过程中，由于气体燃料经过煤压机两级加压后达

到 2.2 MPa，所以氮封的压力不得低于 2.2 MPa，若氮封控制构成中管网氮气压力低于 2.2 MPa，则机组跳机。氮气吹扫压力控制图如图 1 所示。

图 1 氮气吹扫压力控制图

Fig. 1 Figure of nitrogen purge pressure control

目前，整个机组运行过程中氮气压力控制存在以下几个问题： 1）整个燃料转换前，吹扫过程时间周期长（持续 60 s），且吹扫控制过程中瞬时压力骤降变化大，

吹扫前氮气压力为 3.4 MPa，但吹扫动作的瞬间氮气压力骤降至 2.6 MPa. 受调节器动作特性滞后所限，氮气管网压力不易控制。在整个吹扫控制过程中，氮气管网压力必须不得低于 3.2 MPa，否则不满足工艺生产要求，并会造成整个机组跳机，同时氮气管网压力又不能控制得过高，高于 3.6 MPa 时安全阀动作同样不满足正常生产。

2）整个吹扫控制过程工况复杂，有时一次吹扫过程并不能完成燃料转换，保证切气成功，需要二次甚至三次吹扫过程才能完全切换为气体燃料——混合煤气。而氮气管网上游的 60 m3 氮气储罐容积有限，要满足氮气储罐在不同压力等级下都能完成整个吹扫控制过程，需保证氮气管网压力不得低于 3.2 MPa，且不得高于安全阀动作压力。

3）氮气吹扫控制完成，并成功切换为气体燃料后，马上转成氮气封堵控制过程。压缩机排气腔室内氮气压力需稳定在 2.2 MPa 以上，使整个煤气管道保持氮气封堵控制，以保证机组运行安全。

2 设计概述 CCPP 整个氮气管网压力控制系统外部设备主要由氮压机、氮气储罐、调节阀、智能压力变送器、

安全阀、切断阀组成。氮压机向 60 m3 容积的氮气储罐中充放氮气，经调节阀、安全阀、切断阀后进入煤气管道，氮气母管上的压力变送器检测管道实时压力，调节阀控制此测点压力大小来完成整个氮气吹

扫控制和氮气封堵控制的全过程。整个氮气流程图如图 2 所示。

2.1 攻关目标

针对原系统存在的主要问题，本次攻关目标定为 1）燃机氮气管网压力控制系统在整个吹扫过程中，氮气管网压力全程自动控制且满足工艺要求，确

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保正常生产； 2）氮气储罐在不同压力等级下，氮气管网压力均能满足整个吹扫控制过程的要求； 3）机组燃料转换成功，整个吹扫控制过程结束后自动投入到氮气封堵控制过程中。

图 2 氮气流程图

Fig. 2 Nitrogen flow diagram

2.2 系统配置

CCPP 氮气管网压力控制系统采用南京科远公司 DCS NT6000 V3A 分散控制系统。该控制系统主要由人机界面（human machine interface，HMI）、控制网络、分散处理单元、I/O 网络和 I/O 模件组成。该系统吸取了国内外众多同类系统的优点，以高速、可靠、开放的网络功能和功能强大的控制器为基础，

采用 CCM Studio 作为下位机组态工具软件，可对控制逻辑策略进行组态并安装到控制器，将控制器中运行的组态保存至本地磁盘。

3 技术实施 3.1 反馈控制

反馈控制应用了比例积分微分（proportional-integral and derivatice，PID）控制原理，根据系统的偏差，利用比例、积分、微分计算出控制量对被调量进行调节[1]。通

过测量值压力大小与设定值压力大小相比较得出差值，

经过比例、积分、微分作用后，输出控制现场调节设备，

以达到被调量满足设定值要求的目的。反馈调节方框图

如图 3 所示。 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值 r(t)与实际输出值 c(t)的偏差的比例、积分、微分通过线

性组合构成控制量，对控制对象进行控制。比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差；积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度；

微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入

一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除稳态误差，再加入微分的作用，又能提高系统的稳定性。

PID 调节按照给定值与被调量的偏差进行控制，必须在被调量与给定值的偏差出现后，调节器才能对其进行调节来补偿干扰对被调量的影响[2]。如果干扰已经发生，而被调参数还未发生变化，调节器就

不会有动作。因此，这种调节作用总是落后于扰动，即反馈控制总是落后于干扰作用。 图 4 为利用常规 PID 调节控制氮气管网压力的吹扫过程控制曲线，被调对象氮气管网压力等幅震荡

过大，且随着吹扫时间的增加后期呈明显发散趋势，氮气管网压力无法稳定控制在 3.2 MPa. 反复优化修改 PID 的控制参数，但由于吹扫动作过程瞬间氮气消耗流量大、压力骤降迅猛，吹扫前氮气压力 3.4 MPa，

图 3 反馈调节方框图

Fig. 3 Block diagram of feedback adjustment

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吹扫动作瞬间氮气压力骤降至 2.6 MPa. 调节器动作滞后，动作指令发出到反馈到位延时 5 s. 造成被调对象超调过大，氮气管网压力无法稳定控制在 3.2 MPa，满足不了现场复杂工况下的工艺要求。

图 4 氮气吹扫压力控制曲线 1

Fig. 4 Nitrogen purge pressure control curve 1

反馈调节是靠“目标和实际行为之间的误差来消除此误差”的控制策略，根据误差的“过去”、“现

在”和“将来”的变化趋势，即误差的比例、积分、微分的线性组合来构造控制信号。其控制方法是通

过合理调整误差信号的比例、积分、微分增益大小来对系统实施有效控制。设计中增大比例调节量能够

提高响应速度，减小稳态误差。但过大又会导致超调振荡，使系统稳定性变差。加入微分量，可抑制超

调，但又会使系统响应速度变慢。大的积分增益有利于消除稳态误差，但会使系统的过渡过程变长。当

对系统的动态特性要求不高时，可以从上述矛盾中找到一组折中的固定增益参数来作为线性 PID 调节器的参数。但如果对系统动态特性要求相对较高时，例如氮气管网压力控制时，则常规的线性 PID 调节就很难达到工艺使用要求[3]。

3.2 前馈控制

若系统中的调节器能根据干扰作用的大小和方向就

对被调介质进行控制来补偿干扰对被调量的影响，则这

种控制就叫做“前馈控制”或“扰动补偿”。如图 5 所示，前馈调节控制是按照干扰作用的大小来进行控制的，当

扰动一出现，就能根据扰动的测量信号产生调节作用，

及时补偿扰动造成的被控对象的波动[4]。由于干扰发生后

被控变量还未显示出变化，调节器就产生了控制作用，理论上可以将偏差彻底消除。按照这种理论构成

的控制系统称为前馈控制系统。显然，前馈控制对于干扰的克服要比反馈控制系统及时得多。 在氮气管网压力控制系统中，调节器的调节过程存在一定的滞后。从干扰产生到被调量发生变化需

要一定的时间，从偏差产生到调节器产生控制作用以及操纵量改变到被控变量发生变化又要经过一定的

时间。可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰对被控变量的影响克服在被控变量偏离设定值

之前，从而限制了氮气管网压力控制系统控制质量的进一步提高。如果根据阶跃信号和系统所能承受的

“能力”来选择一个合适的过渡过程，补偿被控对象动态特性的延迟和惯性，加快响应速度就能实现快

速而又无超调地跟踪阶跃信号的目的。按照过程特性，预估出一种模型加入到反馈控制系统中，以补偿

图 5 前馈控制方框图

Fig. 5 Block diagram of feedforward control

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过程的动态特性，在扰动还未影响输出前，直接改变操作变量，使输出不受或少受外部扰动的影响。 通过图 4 发现，调节器指令信号发出约 5 s 后反馈信号才有动作，这是为了补偿调节器动态特性的延

迟滞后。重新优化修改控制逻辑，根据误差判定将来的变化趋势，提前介入调节器控制。吹扫指令发出

后，延时 5 s 执行吹扫动作过程。收到吹扫指令后，调节器较原过程提前 5 s 动作以避开调节器动作滞后的盲区，使调节器动作的瞬间氮气管网的压力上升和吹扫过程中的压力下降以达到一定程度的平衡。直

到调节器动作至吹扫过程所需消耗氮气压力的某一固定阀位的 50%，吹扫指令结束前 2 s，调节器提前关闭，防止动作滞后造成氮气管网压力骤升而超过 3.6 MPa 的安全阀动作。整个吹扫过程氮气管网压力的吹扫过程控制曲线如图 6 所示。

图 6 氮气吹扫压力控制曲线 2

Fig. 6 Nitrogen purge pressure control curve 2

3.3 前馈-反馈组合控制

由图 6 可知，应用前馈控制使在氮气吹扫过程中的曲线虽较为理想，但由于氮气储罐压力较低（低于 4.3 MPa），只能满足一次吹扫需求；氮气储罐压力加升至 5.8 MPa 后再次投入吹扫动作，氮气管网压力超过 3.6 MPa. 压力过大导致安全阀不具备稳压功能而无法满足工艺生产多次吹扫的需求。

前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、静态偏差较为快速有效。但只对被测量的可测而

不可控的扰动有校正作用，而对系统中的其他扰动无校正作用。即前馈控制具有指定性补偿的局限性，

补偿效果无法检验，单纯前馈不存在被控变量的反馈，补偿效果没有检验的手段，当前馈作用并没有最

后消除偏差时，系统无法得知这一信息而做进一步的校正[5]。 前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。如

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果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。但在实际生产

过程中，并不是所有的干扰都是可测的。例如，当氮气储罐压力等级发生变化时，光靠前馈控制无法满

足生产工艺的需求。所以仅用前馈并不能达到良好的控制效果。这时就需要加入反馈，反馈的特点是根

据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行

纠正，可以有效地消除稳态误差[6]，解决前馈不能控制的不可测干扰。将前馈、反馈控制结合可优势互

补，扬长避短。经过多组试验测试，观察吹扫曲线比较后，最终决定采取前馈-反馈控制组合的方式来控

制氮气管网压力，如图 7 所示。

图 7 前馈-反馈组合控制框图

Fig. 7 Block diagram of feedforward-feedback control

在吹扫控制指令发出后，为使调节器动作瞬间氮气管网的压力上升和吹扫过程中的压力下降形成一个

动态平衡，抵消吹扫氮气消耗量带来的压力骤降，调节器先采取前馈控制动作，直到氮气管网所需耗气

量的某一固定阀位的 50%. 在吹扫控制过程中，为防止氮气管网压力高于 3.6 MPa 导致安全阀动作，氮气压力超过 3.2 MPa 后调节器自动投入反馈控制进行稳压控制。吹扫指令结束前 2 s，调节器再次采取前馈调节提前关闭动作。防止动作滞后造成氮气管网压力骤升而超过 3.6 MPa 安全阀动作。吹扫指令结束，燃料转换成功后，延时 5 s 再次自动投入反馈控制，维持氮气母管压力在 2.7 MPa，给管道充压进行封堵控制过程。当下一周期吹扫指令下达时再循环此过程，以实现全程无人值守。利用前馈-反馈控制技术设

计氮气吹扫程序的控制逻辑图如图 8 所示。

图 8 氮气吹扫程序的控制逻辑图

Fig. 8 Control logic diagram of nitrogen purge program

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通过现场试验，在氮气储罐出口压力为 5.8 MPa 的情况下，连续 3 次进行机组生产前的氮气吹扫，氮气母管压力均控制在要求范围内，满足机组生产运行要求，整个过程曲线记录如图 9 所示。

图 9 氮气吹扫压力控制曲线 3

Fig. 9 Nitrogen purge pressure control curve 3

4 结论 本文给出了 CCPP 氮气管网压力控制优化方案并得以实现，经设计改造完毕，设备投入运行后氮气

母管压力控制系统运行稳定。前馈-反馈组合控制方式的先进理念既缩短了响应时间，有效避免了系统的

调节滞后，又保证了系统的稳定性，且有效地解决了原系统在复杂工况下氮气压力无法稳定控制、燃料

切换过程中频繁波动以致影响整个机组正常生产的问题。系统改造后再未出现因为氮气管网压力波动造

成的跳机，原燃料切换成功率由以前的 15%上升至现在的 90%，大幅提高了整个机组的燃料切换成功率，保证了机组的安全生产高效运行。 [参考文献] (References)

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（责任编辑：肖书笑）

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