鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計任務(wù)書題 目: 鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要本文是針對鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行的分析和設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)采用串級控制以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控-串級控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。通過使用該系統(tǒng)，可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。關(guān)鍵字：過熱蒸汽控制 串級控制系統(tǒng) 自動控制 主控-串級切換目 錄1 生產(chǎn)工藝介紹 11.1 鍋爐設(shè)備介紹11.2 蒸汽過熱系統(tǒng)的控制22控制原理簡介32.1控制方案選擇32.1.1單回路控制方案32.1.2串級控制方案42.2 串級控制方案論證53 控制系統(tǒng)設(shè)計6

2、3.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定63.1.1 主變量的選擇63.1.2副變量的選擇73.1.3操縱變量的選擇73.2 調(diào)節(jié)閥的選擇73.3 控制器設(shè)計83.3.1 控制器控制規(guī)律的選擇83.3.2 控制器正、反作用選擇83.3.3 控制器的電路實現(xiàn)94 控制儀表的選擇95 系統(tǒng)控制流程圖106 總結(jié)體會116.1 設(shè)計總結(jié)11 過程控制系統(tǒng) 以表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動控制系統(tǒng)。這里“過程”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量

3、提高和能耗減少。一般的過程控制系統(tǒng)通常采用反饋控制的形式，這是過程控制的主要方式。 鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 1.1 鍋爐設(shè)備介紹鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設(shè)備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動透平的動力源，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的過濾，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。鍋爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等有多種類型和稱呼，工藝流程多種多樣，常用的鍋爐設(shè)備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。燃料與空氣按照一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和

4、蒸汽，形成一點觀其文的過熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制，供給負(fù)荷設(shè)備用，于此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)送往煙囪，排入大氣完成一個循環(huán)。鍋爐的控制要求根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的不同需要，鍋爐需要提供不同規(guī)格（壓力和溫度）的蒸汽，同時，根據(jù)安全性和經(jīng)濟性的要求，是鍋爐安全運行和完全燃燒，鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下。1、供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需要或者保持給定負(fù)荷；2、鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力應(yīng)當(dāng)保持在一定的范圍內(nèi)；3 、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍；4、 汽包水位保持在一定范圍；5、 保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安性

5、6、 爐膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)。 圖1-1 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)： 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的無聊平衡，使機水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)； 鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃料與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟型和鍋爐的安全運行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)。 過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不

6、超過工藝允許范圍； 鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求。1.2 蒸汽過熱系統(tǒng)的控制蒸汽過熱系統(tǒng)則是鍋爐系統(tǒng)安壘正常運行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本設(shè)計主要考慮的部分是鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。控制任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過熱器時管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽用戶設(shè)備都是不利的，過熱蒸汽溫度過高，過熱器容易損壞，汽輪機也因內(nèi)部過度的熱膨脹而嚴(yán)重影響安全運行；過熱溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必須把過熱器出口蒸汽的溫

7、度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)主要由一級過熱器、減溫器和二級過熱器組成， 在鍋爐生產(chǎn)過程中，過熱蒸汽溫度是整個汽水通道中最高的溫度。過熱器溫度過高將導(dǎo)至過熱器損壞，同時還會危及汽輪機的安全運行。過熱器溫度過低則將使設(shè)備效率降低，影響經(jīng)濟指標(biāo)。影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制要求存在若矛盾，各種擾動因素之聞相互影響，如蒸汽量、燃燒工況、鍋爐給水溫度、進(jìn)入過熱蒸汽的熱焓，流經(jīng)過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對各種不同的擾動，過熱蒸汽溫度的動態(tài)特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：(1) 克服各種干擾因素，將過

8、熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸氣品質(zhì)合格：(2) 保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。本設(shè)計主要以控制減溫水流量的變化來闡述對過熱蒸汽溫度的自動調(diào)節(jié)。2控制原理簡介隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。但這些控制技術(shù)主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒有從引起過熱蒸汽溫度波動的源頭入手。通常，煙氣溫度過高是引起過熱蒸汽溫度過高的主要原因。一般，過熱蒸汽溫度在煙氣擾動下延遲較小，而在減溫水量擾動下延遲較大，這種特性將使過熱蒸汽溫度的控制滯后。2.1控制方案選擇2.1.1單回路控

9、制方案在運行過程中。改變減溫水流量，實際上是改變過熱器出口蒸汽的熱焙，亦改變進(jìn)口蒸汽溫度，如下圖所示。從動態(tài)特性上看，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的，但由于設(shè)備簡單，因此，應(yīng)用得最多。減溫器有表面式和噴水式兩種。減溫器應(yīng)盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但一定要考慮過熱器材科的安全問題，這樣能夠獲得較好的動態(tài)特蛀。但作為控制對象的過熱器，由于管壁金屬的熱容量比較大，使之有較大的熱慣性。加上管道較長有一定的傳遞滯后，如果用下圖所示的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器接受過熱器出口蒸汽溫度t變化后，調(diào)節(jié)器才開始動作，去控制減溫水流量w .w的變化又要經(jīng)過一段時向才能影響到蒸汽溫度t這樣，既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動，又不能及時反映控制

10、的效果，將使蒸汽溫度t發(fā)生不能允許的動態(tài)偏差。影響鍋爐生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟運行。圖2-1 改變減溫水量控制蒸汽溫度系統(tǒng)實際中過熱蒸汽控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時間常數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)的要求。因此常采用串級控制系統(tǒng)，減溫器出口溫度為副參數(shù)，以提高對過熱蒸汽溫度的控制質(zhì)量。2.1.2串級控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示。采用兩級調(diào)節(jié)器，這兩級調(diào)節(jié)器串在一起，各有其特殊任務(wù)，調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器1的控制，而調(diào)節(jié)器1的給定值受到調(diào)節(jié)器2的控制，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主

11、調(diào)節(jié)器和主信號出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán)是串在主環(huán)之中。 、 圖2-2 過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖調(diào)節(jié)器2稱主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號，不是用來控制調(diào)節(jié)閥而是用來改變調(diào)節(jié)器2的給定值，起著最后校正作用。串級系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)，實質(zhì)上是把兩個調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常串級系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能，希望主副環(huán)的工作頻率相差三倍以上，以免頻率相近時發(fā)生共振現(xiàn)象面破壞正常工作。串級控制系統(tǒng)可以看作一個閉合的副回路代替了原來的一部分對象，

12、起了改善對象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。串級控制由于副環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時，由于串級系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強，因此，一般來說串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，為了獲得更好的控制精度，所以采用串級控制系統(tǒng)以得到良好的控制特性。2.2 串級控制方案論證串級控制是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強化，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。 圖2-3 串級控制系統(tǒng)

13、方框圖由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，是一個定制，因此，主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)中，兩個控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。串級控制有以下優(yōu)點 由于副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時； 提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小

14、，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強了； 對二次干擾具有很強的克服能力，對客服一次干擾的能力也有一定的提高； 對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。一般來說，一個設(shè)計合理的串級控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時，其最大偏差將會較小到控制系統(tǒng)的，即便是干擾從主回路進(jìn)入，最大偏差也會縮小到單回路控制系統(tǒng)的。但是，如果串級控制系統(tǒng)設(shè)計得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充分體現(xiàn)。因此，串級控制系統(tǒng)的設(shè)計合理性十分重要。3 控制系統(tǒng)設(shè)計3.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定3.1.1 主變量的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種

15、單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。3.1.2副變量的選擇副回路的設(shè)計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則： 應(yīng)使主要干擾和更多的干擾落入副回路； 應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)匹配； 應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟型綜合以上原則，選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3操縱變量的選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因

16、素。操縱變量的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上選擇對被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；綜合以上原則，選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2 調(diào)節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 生產(chǎn)

17、安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故； 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低； 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗； 從介質(zhì)的特點考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。 調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用，閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受控制器來的信號作為輸入信號，并以其輸出信號去控制調(diào)節(jié)閥，同時將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入

18、端而構(gòu)成一個閉環(huán)隨動系統(tǒng)，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運動部件的干摩擦，從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性，實現(xiàn)準(zhǔn)確定位；閥門定位器增大了執(zhí)行機構(gòu)的輸出功率，減少了系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度；閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。3.3 控制器設(shè)計由上文論述可知，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)選擇串級控制。3.3.1 控制器控制規(guī)律的選擇在串級控制中，主變量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許有一定的波動和余差。從串級控制的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個定制系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用，為使其穩(wěn)定，主控制器通常選用比例積分控制器，對于本

19、系統(tǒng)由于控制通道容量之后較大，為克服容量滯后，選用比例積分微分控制器作為主控制器。副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了加快跟蹤，副控制器一般不帶積分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五輸出稍有變化，控制閥就將大幅度變化，這對控制系統(tǒng)很不利，故副控制器只選用比例控制器。3.3.2 控制器正、反作用選擇 對于串級控制系統(tǒng)，主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關(guān)。為了使副環(huán)回路構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號必須為“負(fù)”，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應(yīng)為“負(fù)”。在本設(shè)計中隨著調(diào)節(jié)

20、閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即減溫器后端蒸汽溫度會降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用為“負(fù)”；而調(diào)節(jié)閥為氣開閥，即其控制作用為“正”，所以負(fù)調(diào)節(jié)器的控制作用應(yīng)為負(fù)作用。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，同時可將副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待，因為副回路是以隨動系統(tǒng)。這樣只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負(fù)”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，主對象的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以主控制器應(yīng)選“負(fù)”作用。3.3.3 控制器的電路實現(xiàn)主控制器采用PID調(diào)節(jié)器，副控制器采用P調(diào)節(jié)器，可以使用單片機編程實現(xiàn)P、I

21、、D的調(diào)節(jié)作用，也可以直接使用模擬電路搭建PID調(diào)節(jié)模塊，在實際生產(chǎn)中，大多采用制作成型的PID模塊以保證系統(tǒng)的正常運行。4 控制儀表的選擇控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進(jìn)行切換，且保證無擾動。所以在本設(shè)計中選用電動III型儀表。由電動III型儀表構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)的基本方案有如下兩種：圖4-1 用電動III型儀表組成的串級控制系統(tǒng)方塊圖該方案中采用了兩臺控制器，主、副變量通過一臺雙筆記錄儀進(jìn)行記錄。由于副控制器輸出的是，而控制閥只能接受氣壓信號，所以在副控制器與控制閥之間設(shè)置了一個電氣轉(zhuǎn)