过程控制综述报告

1、引言 两位老师好，我所写的这份综述报告一共有三个部分。 第一部分：给水控制系统在炉生产控制系统中的意义。 第二部分：常见的水位控制系统的一个简述：单冲量、双冲量，三冲量汽包水位控制系统。第三部分：对5个不同锅炉机组给水控制系统的方案比较、分析，包括它们的工作原理，部分机组的水位、流量测量补偿方法； 第一部分：给水控制系统在炉生产控制系统中的意义 锅炉是重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。锅炉是一种特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理

2、不当，往往会引起事故这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性，因此，汽包水位控制是保证热力设备安全运行的必要条件。锅炉在现在的工业生产和生活中成为一种应用广泛的动力设备。汽包水位则是锅炉正常运行中的一个重要指标，是锅炉控制系统中的重要参数之一。当水位过高时，会影响汽包的汽水分离效果，产生蒸汽带液现象，影响锅炉的出力，严重时还会使蒸汽品质下降，甚至恶性事故的发生，同时会使汽轮机遭到破坏；当水位过低时，会影响锅炉的汽水循环系统，影响它的正常运行，还有可能会使锅炉干锅和爆炸等。因此，汽包水位应控制在规定范围内。 第二部分：常见的水位控制系统的简

3、述 一、单冲量汽包水位控制系统图1所示为单冲量汽包水位控制系统示意图，该系统以水位作为被控参数，给水量作为控制变量。图2所示为单冲量汽包水位控制系统结构框图。该系统具有结构简难，需耍的设备少，减少开支，揚于使用维护和参数整定等优点。但以图2所示系统分析，不难发现，当锅炉蒸汽流量突然大量增加时，由于虚假水位现象的存在，反馈的水位上升，此时的控制系统不但不会及时开大阀门增加给水量，反而会减少阀门开度，减少给水量，致使汽包存水量减少。等到虚假水位现象消失后，汽包中的水位会剧烈下降，甚至可能下降到超过工艺允许的范围内，以至产生安全事故。单冲量控制系统不适用于蒸汽流量变化较大的大中型锅炉，其不能有效确保

4、汽包水位在工艺允许的范围内，难以保证生产和工作人员的安全，但是对于小型锅炉，由于其虚假水位现象并不明显，单冲量水位控制系统，也能满足其生产安全要求。从当负荷在增加时，液位会降低，负荷到达最大时，液位会到达最低值。当负荷开始降低时，液位不可能再提高，但是由于降负荷引起的“虚假液位”会使液位进一步下降。反之，当蒸汽负荷稳定在最小值时，则液位达到了最高值，当开始由于负荷增大造成的“虚假液位”会液位还得上升。所以从单冲量的控制方法看来，会由于“虚假液位”的产生而使调节阀误动作。当液位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟滞才能调节液位，因此必将导致液位波动幅度大、调节时间过长。单冲量

5、的控制方法虽然不能解决“虚假液位”带来的问题，但是单冲量也有其自身的优点，它的系统结构比较简单，适合一些控制粗放的场合，在汽包容量比较大、液位在扰动后的反应速度较慢、“虚假液位”现象不很严重的锅炉控制，采用单冲量液位调节还是可以满足控制要求的。图一图二二、双冲量汽包水位控制系统对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称作前馈控制它可以消除扰动引起的偏差。汽包液位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如下图所示的双冲量液位自动调节系统。这种调节系统引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚

6、假液位”现象从而避免使给水量与蒸汽量相反方向的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和液位的波动，缩短了过渡过程的时间。而且引入蒸汽流量信号，可以改善调节系统的静态特性，从而提高调节质量。 图中 KD为蒸汽流量的静态前馈系数；KH为液位的变换系数。在加有前馈控制的系统中，前馈调节器就会根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，对由于扰动而影响的被控量进行补偿。由于惯性和纯滞后特性，扰动作用到系统上，被控量在没有发生变化时，前馈调节器就已经进行了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。双冲量调节由于有其自有的调节特点，所以能在负荷变化频繁的情况下比较好的完成液位调节的任

7、务。在给水侧压力比较稳定的时候，采用双冲量调节是可以满足控制需求的33。但是双冲量的调节方式也有其明显的缺点，就是不能够及时反映给水侧的扰动。当给水量出现扰动时，调节系统就等于单冲量的调节。所以当给水管压力经常有波动的时候，或者给水调节阀前后压差不稳时，不适合采用双冲量调节的控制方法。三、三冲量汽包水位控制系统 （1）传统三冲量系统液位调节系统如下图 所示，系统是由两个闭环控制系统组成，一个是由供水量 W、供水分流器 Kw、调节控制器、调节阀组成的内回路。另一个是由汽包对象 G1(S)和内回路构成的一个主回路。还有一个改善由于蒸汽流量的扰动的回路，由蒸汽流量 D，分流器 KD，和被控对象 G2

8、(S)组成。它不会影响整个闭环的稳定性，只是改善了调节的质量。在这个系统图里，当给水量产生扰动时，则由控制器、调节阀、Kw构成的内回路就会快速调节，将会减轻对汽包液位造成的影响。由于内环路是一个随动系统，那么调节器之外的对象的动态特性可以看做是一个比例环节；蒸汽流量的信号 D 不属于闭环控制内，所以它的大小不会影响到系统的稳定性，蒸汽流量信号的大小可以根据扰动量来确定，当蒸汽流量发生扰动时，利用这个扰动信号作为调节信号，通过调整 KD来保持液位 H 的变化很小或基本保持不变。由上看来，传统三冲量的控制系统实际上就是一个前馈加反馈的调节系统。 （2）串级三冲量控制串级控制系统是由其结构上的特征而

9、得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。串级控制是工业过程中应用很广泛的一种控制方法，也是改善控制系统品质的有效方法之一。串级系统通常在结构上形成两个闭环，一个主环，一个副环。在控制过程中，主环起着精确调整的作用，副环一般用来进行粗略调整。最终使被控对象满足控制的要求。控制过程如下图所示。第三部分：不同锅炉机组给水控制系统方案一、菏泽电厂125 MW机组给水控制系统一、给水控制系统结构特点及工作原理该电厂给水调节系统设计为全程给水控制系统,采用单/三冲量的切换方案,负荷切换(30%),跟踪切换全部采用纽

10、子开关来实现;低负荷时,通过旁路阀控制水位,取旁路调节阀前后差压控制给水泵转速,保证给水泵工作点落在安全区;当蒸汽流量30%以后,手动切换到三冲量方式,旁路手动关闭,主动水管路手动打开,通过调节给水泵转速控制水位。如上图所示，该系统主要由5个PID模块、三个软手操作模块及二个切换模块组成。其中,PI1、PI2是保证单冲量调节品质的调节模块,PI3、PI4、PI5是保证串级三冲量调节品质的调节模块(其中PI3、PI4控制A泵转速,PI3、PI5控制B泵转速),单、三冲量方式的自动切换是由T1、T2完成。给水控制系统仍设计有给水旁路阀和两台电泵控制系统,给水旁路阀设计为单冲量控制系统,根据汽包水位

11、的设定值进行调节,同时在自动情况下,能够根据电泵转速的变化自动调节阀门的开度。电泵给水控制系统,是在主给水电动门全开的情况下,由电泵转速调节汽包水为位。根据负荷的变化,电泵控制有单/三冲量两种控制方式。当负荷30%时,为三冲量控制。负荷30%时,为单冲量控制。两种控制方式的切换,由程序判断自动切换,无需人工干预。2、 补偿方法1.水位测量补偿汽包水位测量采用汽包压力进行全量程补偿,计算后的水位经三取中作业控制和显示用。每个补偿后的汽包水位信号,进行报警判断,同时送给FSSS系统作为汽包水位保护的信号,实现汽包水位的高低灭火保护。蒸汽流量,给水流量分别由其温度信号进行补偿。该系统设计有三种操作方

12、式:硬手操,软手操及自动控制方式。系统结构图如下图。具体方法为：(1) 采用带机械补偿方式的双室平衡容器。(2)在汽包甲乙侧的同一水平面,分别装一只平衡容器。甲侧平衡容器的差压信号,引至两台并列运行的差压变送器,乙侧平衡容器的差压信号,引至一台差压变送器。(3)对每一台变送器侧得的信号,在DCS内通过函数进行补偿,以克服汽包压力变化对水位信号的影响。(4)在DCS内通过选择模块,对三个经补偿处理后的水位信号进行选择,取中间值进行显示,并作为被调量送入PID模块。2.流量补偿主蒸汽流量信号由甲侧主蒸汽流量(通过甲侧主蒸汽温度信号校正),与乙侧主蒸汽流量(通过乙侧主蒸汽温度信号校正)相加而成(只设

13、计温度校正,没有压力校正)。主蒸汽流量信号校正方式的实现如下图3.给水流量信号给水流量信号采用两台变送器测量,取平均值后,经过给水温度信号校正,再加上甲侧二级减汶水流量,作为给水流量信号送入付调节回路。对汽包水位信号,主汽流量信号及给水流量信号参数的校正处理如上所述。所有的校正处理都是在DCS内来完成。方案二、 安阳电厂给水控制系统安阳电厂两台300MW机组，由两台汽泵和一台电泵供水。给水控制系统设计为全程给水控制系统。负荷小于90MW时采用单冲量系统(Pl1)，。负荷大于90MW时，采用三冲量系统(P13)，而且都是改变调速泵转速来实现给水量的调节。为了保证给水泵工作在安全工作区内，设计了一

14、个给水泵出口压力调节系统(PI3)，用改变阀门开度来改变泵的出口压力。在给水泵出口和高压加热器出口分别取给水压力信号送入小值选择器，当机组正常运行时，高压加热器出口的给水压力总是低于泵的出口压力。这时，应选高压加热器出口给水压力为压力测量值，使泵的实际工作点在泵下限特性曲线偏左一些，确保泵工作在安全工作区内。当机组热态启动时，高压加热器出口的给水压力高于泵的出口压力，小选组件输出为泵出口压力，保证泵出口给水压力升压过程中，两个调节阀门均处于关闭状态，直到泵出口压力大于高压加热器出口给水压力时，才按高压加热器出口的给水压力进行调节，控制两个阀门的开度。 图7这个方案结构合理，经济性好，切换较简单

15、，安全可靠性也较好。不足之处是压力调节系统和水位调节系统互相影响。同时两个系统动作频繁，使调节阀磨损较快。方案三、火电厂 300MW 汽包锅炉给水控制系统 一、给水控制系统结构特点及工作原理 该电厂给水控制系统采用串级三冲量给水控制系统，下图所示为串级三冲量给水控制系统。该控制系统接收三个信号:蒸汽流量 D、汽包水位 H 及给水流量 W。其中水位调节器为主调节器,水位 H 为主被调量,作用于主控制器的入口,用来监测水位的最终偏差,使该水位值为定值。给水调节器为副调节器,给水流量 W 为副被调量。为克服虚假水位现象,在单冲量原有的控制方式添加主蒸汽流量 D 作为前馈信号,使得该系统可根据扰动优先

16、控制适当调整蒸汽流量, 从而减小“虚假水位”的作用,提高控制效率,改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。与单级三冲量控制系统相比较,串级三冲量通过两个调节器来完成对汽包水位的控制,主调节器采用比例积分控制系统,直接控制汽包水位使其保持在规定值;副调节器采用比例控制系统,保证副调节回路的快速性。主调节器的输出信号和给水流量信号、蒸汽流量反馈信号都作用到副调节器,副调节器的输出则作用至给水泵改变该给水泵转速,改变给水量,从而使得汽包水位等于给定值。二、补偿方法 1.水位测量信号的补偿 汽包中饱和水及饱和蒸汽的密度随汽包压力的变化而变化，影响水位的测量精度。为此在水位差压变送器后引入校正回路进行压力校正

17、。1#供电机组釆用双室平衡的测量系统，其结构图如上图左所示。其中H为汽包水位高度；L为汽水连通管之间的距离；P1、P2为加在差压变送器两侧的压力值；s为饱和蒸汽的密度，g为饱和水的密度，a为平衡容器内水的密度，一般与环境温度有关，通常取值为50可近似认为其为恒定值；g为重力加速度。该装置具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置，采用饱和蒸汽来加热正侧压水柱，使其处于饱和温度，可以补偿起停过程中的水位测量误差，此时水位高度为根据该水位公式设计出双室平衡容器测量系统自动校正回路如上图右所示。2.主蒸汽流量测量信号的补偿300MW及以上单元机组绝大多数采用调节级后压力测量主蒸汽流量。使用该方法主要根据

18、弗留格尔基本理论公式：。式中：D为主蒸汽流量；P1为调节级后压力；T1为调节级后温度；K为当量比例系数，由汽轮机类型及设计工况决定。在实际工作现场中，由于运行中通流部分状态的改变、回热系统使用情况的改变、运行工况的改变以及调节级后气温的不真实性，所测得的蒸汽流量误差较大，因此采取上述措施后，利用函数发生器对所测得的气压信号进行非线性校正，得出最后主蒸汽流量的信号以供机组工作运行，其自动校正回路如图下图左所示。3. 给水流量测量信号的温度补偿经研究人员不断的计算及实验结果表明当给水温度为100不变，压力在0196196MPa范围内变化时，给水流量的测量误差为O47；若给水压力为196MPa不变，

19、给水温度在100290C范围内变化时，给水流量的测量误差为13。所以，对给水流量测量信号可以只采用温度校正。其自动校正回路如上图右所示。方案三、哈三电厂4号机组锅炉给水控制系统 一、给水控制系统结构特点及工作原理该机组设计有2台50%汽泵和1台30%电泵,并在电泵出口给水管道上设计有低负荷给水调节阀。如下图所示。该系统采用一段调节的方案，在低负荷时采用PI1单冲量系统，这时调速泵由大值选择器的输出GH1值来控制，使泵维持在允许的最低转速，此时给水量是通过改变调节阀开度来调节的。高负荷时，阀门开到最大，为了减小阻力，把并联的调节阀也开到最大，三冲量调节器PI2的输出大于GH1的值，故可直接改变调

20、速泵转速控制给水量。在冷态启动时，GH1起作用，即让泵工作在最低转速。在热态启动时取决于Pb值，泵可以直接工作在较高的转速。这个方案中没有专门设计泵出口压力安全调节系统，解决给水泵在安全工作区的办法是利用调速泵运行的自然特性，即在定压运行时，给水泵不必加压力调节器就能工作在安全区内，在滑压启动运行时，用两台泵同时供水的方法，使每台泵的负荷不超过86%，这样泵就自然工作在安全区内。 二、补偿方法汽包水位测量装置为单室平衡容器,如下图所示。补偿计算公式：式中 L汽包水位计算值, m; H单室平衡容器取样量程, m; a单室平衡容器中水的密度, kg/m3; S饱和蒸汽密度, kg/m3 W饱和水的

21、密度, kg/m3;P水位变送器实际差压, kPa; g重力加速度。给水流量温度补偿计算如下。补偿系数 式中T给水温度,;t测量温度,;TH额定工况给水温度,。这个方案结构最简单，系统和调节段两种切换互相错开，氏是开环调节，调节段是无触点自由过渡，安全性能好方案四、 HG2008/ 18 . 2-YM2型汽包锅炉给水控制系统 一、给水控制系统结构特点及工作原理 HG2008/18. 2-YM2型汽包锅炉启动或低负荷(小于20% MCR)采用单冲量调节系统，其控制原理简化示意图如下图所示。经汽包压力修正后的汽包水位信号与给定值比较后，其偏差送到PI调节器，调节器的输出分为两路。启动时电泵定速，通

22、过改变给水旁路调节阀开度，改变给水量，控制汽包水位，此时为旁路调节阀单冲量给水调节系统;当旁路调节阀指令为74%时主给水阀打开，旁路调节阀以一定的速率自动关小，直至关闭为止，电泵变速改变给水量，控制汽包水位，此时为电泵单冲量给水调节系统。正常运行时采用串级三冲量给水调节系统，其控制原理简化示意图如下图所示。该系统为典型的变比值串级控制系统，主蒸汽流量(调速级压力信号)为主动流量，给水流量为从动流量;主调节器用于保证汽包水位为给定值，其输出送到副调节器作为细调主蒸汽流量与给水量比值信号;副调节器用于保证主蒸汽流量与给水量的比值，克服虚假水位，快速消除给水量内扰，使给水量尽量稳定。二、补偿方法（1

23、）平衡容器的补偿管段应在适当的位置上加装测温元件在线监测补偿管段的平均水温变化,根据不同的温度和压力,查出对应的密度参与补偿计算,及时补偿因密度变化产生的测量误差,提高温度测量精度。（2）保证正、负压侧测量管路的温度一致规范平衡容器正、负压测量管路的保温和伴热,消除因正、负压测量表管温度不一致而产生的误差。（3）消除汽包和测量筒水侧的温差应改变电接点测量筒的内部结构,用蒸汽加热筒内的未饱和水使水侧的水始终为饱和水,除因测量筒和汽包内水侧温度不同而导致二者密度不同所产生的测量误差。方案五、 DG1900/25. 4- II1型直流锅炉给水调节系统 一、给水控制系统结构特点及工作原理 DG1900/25. 4- II 1型直流锅炉启动及低负荷(小于37%MCR)运行时的给水调节系统与HG2008/ 18. 2-YM2型汽包锅炉相对应的是分离器储水罐疏水调节阀控制系统，其控制原理简化示意图如下图所示。 该系统为开环控制系统，阀门开度正比于分离器储水罐中的水位。随着分离器