過程控制工程課程設(shè)計-鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)_要求保證過熱.

1、1、生產(chǎn)工藝介紹1.1鍋爐設(shè)備介紹鍋爐是工業(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(kuò)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)生飽和蒸汽，經(jīng)過過熱器形成過熱蒸汽，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

2、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)送往煙囪排空。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(jì)的條件下運(yùn)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)： 供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需要或保持給定負(fù)荷。 鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)。 過熱蒸汽溫度保持在一定范圍。 汽包水位保持在一定范圍內(nèi)。 保持鍋爐燃料的經(jīng)濟(jì)性和安全性。 爐膛負(fù)壓保持在一定范圍。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(yùn)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

3、汽系統(tǒng)的控制。過熱蒸汽溫度的控制任務(wù)是維持過熱器出口汽溫在允許范圍內(nèi)，并且保護(hù)過熱 器使管壁溫度不超過允許的工作溫度過熱蒸汽溫度是鍋爐給水通道中溫度最高的 地方過熱器正常運(yùn)行時的溫度一般接近于材料所允許的最高溫度因此，過熱蒸汽溫度的上限一般不應(yīng)超過額定值 5C （額定值為450C .如果汽溫偏低，則會降低 全廠的熱效應(yīng)和影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，因而過熱蒸汽溫度的下限一般不低于額定 值 10C。過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是： 克服各種干擾因素，將過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：保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。本次設(shè)計以控制減溫水流量的變化來闡述對過熱蒸汽

4、溫度的自動調(diào)節(jié)。2、控制原理簡介2.1過熱蒸汽溫度的動態(tài)特性蒸汽量擾動當(dāng)蒸汽量擾動時，沿過熱器管道整個長度各點的溫度幾乎同時變化，過熱器出口 溫度的階躍響應(yīng)曲線圖8-1a所示。其特點是有遲延，有慣性，有自平衡能力，且r較小。當(dāng)鍋爐的蒸汽量增加時，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口汽溫隨蒸 汽量變化的方向是相反的。蒸汽量增加時，通過對流式過熱器的煙量增加，煙溫 也隨之升高，這兩具因素都使對流過熱器汽溫升高。但是，由于蒸汽量增加時， 爐膛溫度升高較少，輻射傳熱量的增加比蒸汽量增加所需的吸熱量增加要少，因 此，當(dāng)蒸汽量增加，輻射式過熱器出口汽溫是下降的。圖8-1b表示了對流和輻射兩種過熱器出口汽溫隨蒸

5、汽量變化的靜態(tài)特性。通過對流過熱器的受熱面積大于 輻射過熱器的受熱面積，對流方式比輻射方式吸熱量為多，因此，總的汽溫將隨 蒸汽量增加而升高。蒸汽量變化對汽溫變化的傳遞函數(shù)可用下式近似表示:（7（胃）=0s) 心 DsTttSC式中 k 蒸汽量擾動時被調(diào)對象的放大系數(shù)'對象的時間常數(shù)T蒸汽量擾動時對象的遲延時間蒸汽量擾動時過熱蒸汽溫度動態(tài)特性，但不用蒸汽量作為過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié) 量，這里的蒸汽量代表鍋爐負(fù)荷，其大小由外部負(fù)荷決定。煙氣側(cè)擾動其特由于過熱器是一個熱交換器，過熱器出口汽溫反映了工質(zhì)從過熱器中帶走的熱量 和從煙氣側(cè)吸收的熱量之間的平衡關(guān)系。當(dāng)煙氣流量或煙氣溫度發(fā)生擾動時，過 熱

6、蒸汽溫度發(fā)生變化。在煙氣側(cè)擾動下汽溫對象的動態(tài)特性如圖8-2所示。點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。由于煙氣側(cè)擾動是沿過熱器整個長度使 煙氣傳熱量發(fā)生變化，所以過熱蒸汽溫度響應(yīng)較快，其遲延和慣性比其它擾動要 小，但一般不用煙氣側(cè)作為調(diào)節(jié)手段來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度。改變煙量或煙溫時， 會影響燃燒工況，與燃燒控制互相干擾，另外，煙氣側(cè)擾動也將影響再熱蒸汽溫 度?，F(xiàn)有電廠熱控系統(tǒng)僅用煙氣側(cè)作為調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度的手段，而利用減溫水 量來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度離8-2代!擾動時的過嫦踣出口尺的階馭叭阿曲叱減溫水量擾動改變過熱器入口蒸汽溫度可以有效地調(diào)節(jié)過熱器出口蒸汽溫度，這是 應(yīng)用較廣的一種汽溫調(diào)節(jié)手段，改變?nèi)?/p>

7、口蒸汽溫度可用噴水來進(jìn)行。 直接噴水減溫系統(tǒng)如圖8-3所示。采用減溫器噴水減溫時，要求有足 夠的調(diào)節(jié)余量，一般在減溫器停運(yùn)、鍋爐出力最大時汽溫要高于給定 值約 3040C。/nJ9t1J (.Js_i_I 胡| IfK*Jkm-w-(b)l*f 8-5胃幣鳴水磁餌証憂m 5 權(quán)臨未沖幅蜿于簾*皿I*護(hù)IV采用噴水減溫調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度時，一般把過熱器分成兩個區(qū)域，如 圖8-3a所示，導(dǎo)前汽溫（2測點前至減溫器為導(dǎo)前區(qū)，過熱器出口汽溫el測點到導(dǎo)前汽溫測點為惰性區(qū)，其傳遞函數(shù)分別用G)2 (s)和G01(s)來表示，整個被調(diào)對象的傳遞函數(shù)用 G( s)表示：廠久心)Q二0( s=吒=G護(hù)(s)G0

8、1 (5式中前汽溫過熱器出口汽溫N減溫噴水量在減溫水量擾動時過熱蒸汽溫度被調(diào)對象的階躍響應(yīng)曲線如圖8-4所示。丁丄gI2圖&7 Ji區(qū),K階歐擾動時過熱猛出口 帆溫的階毆響應(yīng)曲線譏TdE辱離區(qū)汽iflFHt的總朽AL時 阿常救.遲進(jìn)時間低。人丁也小-悄性區(qū)武 世特ft的總杏値.跖間當(dāng)戢漁：僅叭間汽溫對象的傳遞函數(shù)可用下式表示:厲啟懂嚴(yán)茸吊？曲喟可坪站申忡殍書三齊幣一陌丄:13-N%"盤+砂戶K】+加從階躍響應(yīng)曲線可以用工程方法求得G)2(s和G(s，在調(diào)節(jié)系統(tǒng)分析及調(diào)節(jié)器參數(shù)整定計算過程中，還需用到惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，它不能由階躍響應(yīng)曲線直接求得，只能根據(jù)已求得的G02(s和G

9、(s來求得:Ga(s) = 0(5)<8-3)(8.5)由煎學(xué)推顯可鬲.nT n(nT -k.T. nT: -n,T.' a對于高、中壓鍋爐采用噴水減溫，當(dāng)減溫水量擾動時，汽溫對象的遲 延時間t3060s,慣性時間常數(shù)100s，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動時汽溫對象 的遲延時間t020s,慣性時間常數(shù)Tv 100s。需要指出的是汽溫對象 傳遞函數(shù)表達(dá)式(8-1 )和(8-2 )中的放大系數(shù)K2和K是負(fù)值，K1為 正值，分析和設(shè)計汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)時應(yīng)充分考慮。2.2控制方案選擇 單回路控制方案在運(yùn)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

10、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)，控制器接受過熱器出口蒸汽溫度變化后，控制器才開始動作，去控制減溫水流量的變化又要經(jīng)過一段時向才能影響到蒸汽溫度這樣，既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動，又不能及時反映控制的效果，將使蒸汽溫度發(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(jì)運(yùn)行。實際中過熱蒸汽控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱

11、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。222串級控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)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)閥直接受控制器TC2的控制，而控制器 TC2的給定值受到控制器 TC1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?？刂破鱐C1稱主調(diào)節(jié)器，控制器 TC2稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的

12、輸出信號，不是用來控制調(diào)節(jié)閥而是用來改變控制器TC1的給定值，起著最后校正作用。MU*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。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，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。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。2.3串級控制方案特點由如下串級控制系統(tǒng)方框圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定

13、，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)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，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)了； 對二次干擾

14、具有很強(qiáng)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I I g 到控制系統(tǒng)的丨:.丨；，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I IRhal。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單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)

15、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。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(jì)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。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。控制通道和擾動通道的傳遞函數(shù)：、。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(yùn)行的因素。

16、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，'盡量大; 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 盡量??；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(jī)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

17、考慮到以下幾種因素： 生產(chǎn)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，控制閥，在此串級氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，溫度過高時，會燒壞過熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，造成生產(chǎn)停頓，還會引起高溫鍋爐爆炸等嚴(yán)重的后果，所以 調(diào)節(jié)閥應(yīng)這擇氣關(guān)形式；但溫度過低時就會降低生產(chǎn)的工作熱效率并影響汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn) 行，所以調(diào)節(jié)啊應(yīng)選擇氣開形式。在此情況下，出現(xiàn)了矛盾的情況，在此情況下要分消主要矛 盾和

18、次要矛盾，權(quán)衡利弊，主要矛盾是溫度過高出現(xiàn)的后果嚴(yán)重，所以調(diào)節(jié)潤這用氣關(guān)形式,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(yùn)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(jī)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

19、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?？刂破骺刂埔?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 一個定值系統(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，對于本系統(tǒng)由于控制通道容量滯后較大，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

20、器輸出稍有變化，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。332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)該是先畐U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)，即構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)«心出左£：°。在本設(shè)計中隨著調(diào)節(jié)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"而調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，所以，溫度升高，檢測變送器環(huán)節(jié)輸出增加，1，由'可知，簽 ,所以副控制器的控制作用應(yīng)為反作用。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。為了使主環(huán)回路構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，即構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)腫0。設(shè)計中隨著調(diào)節(jié)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，出口過熱蒸汽溫度降低，Kgpl而調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥，所以二 ，溫度升高，檢測變送器環(huán)節(jié)輸出增加，由'可知，所以主控制器的控制作用應(yīng)為反作用?？刂破鞯碾娐穼崿F(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(jī)編程實現(xiàn)P、I、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(yùn)行。4、