工业电气自动化

1、第八章第八章 过程控制系统的工程应用过程控制系统的工程应用n8.1 典型传热设备的过程控制典型传热设备的过程控制q8.1.1概述概述锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备n驱动发电机驱动发电机n动力机构的动力源动力机构的动力源n作为热源提供给工业生产装置作为热源提供给工业生产装置n民用取暖设施民用取暖设施1锅炉设备主要工艺流程图锅炉设备主要工艺流程图 锅炉热力系统流程锅炉热力系统流程 2锅炉燃烧系统流程锅炉燃烧系统流程 3锅炉设备的调节任务锅炉设备的调节任务1.锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的

2、负荷；定的负荷；2.锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内；3.过热蒸汽温度保持在一定范围内；过热蒸汽温度保持在一定范围内；4.汽包中的水位保持在一定范围内；汽包中的水位保持在一定范围内；5.保持锅护燃烧的经济性和安全运行；保持锅护燃烧的经济性和安全运行；6.炉膛负压保持在一定范围内。炉膛负压保持在一定范围内。4锅炉设备控制的若干个控制系统锅炉设备控制的若干个控制系统 n给水自动控制系统给水自动控制系统 n锅炉燃烧的自动控制锅炉燃烧的自动控制 n过热蒸汽系统的自动控制过热蒸汽系统的自动控制n热力除氧热力除氧n锅炉水处理过程控制锅炉水处理过程控制

3、5给水自动控制系统给水自动控制系统(锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的控制)n锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。n控制变量是给水流量。控制变量是给水流量。 （汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，（汽包内部的物料平衡，使给水量适应蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内）维持汽包中水位在工艺允许范围内）n维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮维持汽包中水位在给定范围内是保证锅炉、汽轮机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要机安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。标志之一。 汽包汽包6锅炉燃烧的自动控制锅炉燃烧的自动控制n主要目的：使燃料和空气达到合

4、理比例主要目的：使燃料和空气达到合理比例n燃料的安全燃烧燃料的安全燃烧n被控变量：蒸汽压力被控变量：蒸汽压力(负荷负荷)、烟气成分和炉膛负、烟气成分和炉膛负压压n控制变量：燃料量、送风量和引风量控制变量：燃料量、送风量和引风量n炉膛负压保持在一定的范围内炉膛负压保持在一定的范围内7过热蒸汽系统的自动控制过热蒸汽系统的自动控制n系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水量等有要求量等有要求n被控变量：过热蒸汽温度被控变量：过热蒸汽温度n控制变量：喷水量控制变量：喷水量88.1.2 锅炉汽包水位的控制锅炉汽包水位的控制1、控制通道的特性、控制通道的特性n曲

5、线曲线H2：给水温度给水温度汽汽包内饱和水温度包内饱和水温度给给水流量的增加的初始阶水流量的增加的初始阶段，从原来饱和水中吸段，从原来饱和水中吸取部分热量，导致水位取部分热量，导致水位下降下降n直线直线H1:水位随着给水水位随着给水量的增加而直线上升量的增加而直线上升n水位变化的曲线水位变化的曲线HH1、H2的叠加的叠加给水流量作用下的锅炉水位响应曲线给水流量作用下的锅炉水位响应曲线9数学描述数学描述n近似积分环节和纯滞后环节的串联近似积分环节和纯滞后环节的串联n传递函数表示传递函数表示 K0响应速度响应速度给水流量变化单位流量时，水位给水流量变化单位流量时，水位的变化速度的变化速度 sesK

6、sG0)(10“单冲量单冲量”控制系统控制系统单冲量单冲量汽包的水位汽包的水位阻止水位达到给定值阻止水位达到给定值用户蒸汽用量用户蒸汽用量 112、干扰通道的特性、干扰通道的特性n曲线曲线H1：蒸汽流量蒸汽流量D增加时，蒸增加时，蒸汽量汽量D大于给水量，水位下降大于给水量，水位下降n曲线曲线H2：蒸汽流量增加，瞬时间蒸汽流量增加，瞬时间导致汽包压力的下降，汽包内的导致汽包压力的下降，汽包内的水沸腾突然加剧，水位上升水沸腾突然加剧，水位上升n曲线曲线H：H1和和H2的叠加。的叠加。n“虚假水位虚假水位”12H包含两个方面包含两个方面 n一方面：蒸汽流量增加时，在燃料量不变的情况一方面：蒸汽流量增

7、加时，在燃料量不变的情况下，汽包水位直线下降下，汽包水位直线下降H1，数学模型：数学模型：n一方面：蒸汽流量增加，汽包内部压力降低，造一方面：蒸汽流量增加，汽包内部压力降低，造成虚假水位，水位上升成虚假水位，水位上升H2。数学模型：数学模型：n蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数 sKsGf/)(11/)(222sTKsG1s)(2221sTKKGGsGf13单冲量存在的问题单冲量存在的问题1、负荷变化时产生的、负荷变化时产生的“虚假水位虚假水位”，将，将使调节器反向错误动作。使调节器反向错误动作。 如：负荷增大如：负荷增大虚假水位上升虚假水位上升调

8、节器接受到虚调节器接受到虚假的信号假的信号调节阀反向关小给水调节阀反向关小给水不能增加水不能增加水位位2、负荷变化时，控制作用缓慢。、负荷变化时，控制作用缓慢。3、给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。、给水系统出现扰动时，动作作用缓慢。14双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位）双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位） 前馈反馈控制系统前馈反馈控制系统 15三冲量控制系统三冲量控制系统 前馈串级控制系统前馈串级控制系统 16控制方式选择控制方式选择n如：蒸发量小的锅炉如：蒸发量小的锅炉单冲量简单控制系统单冲量简单控制系统n如：大型锅炉系统如：大型锅炉系统串级控制系统串级控制系统n如：多用户蒸汽系统如：多

9、用户蒸汽系统前馈控制前馈控制178.1.3蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统的控制 n组成：一级过热器、减温器、二级过热器组成：一级过热器、减温器、二级过热器n任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并任务：使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。n过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方 减温器减温器过热器过热器18影响过热气温的扰动因素影响过热气温的扰动因素n蒸汽流量蒸汽流量n燃烧工况燃烧工况n减温水量减温水量n流经过热器的烟气温度、流速流经过热器的烟气温度、流速19过热气温

10、控制方法过热气温控制方法n广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大）广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大）n串级控制系统串级控制系统减温器出口温度为副被控变量减温器出口温度为副被控变量（减少过热气温的动态偏差）（减少过热气温的动态偏差）20n双冲量控制系统双冲量控制系统减温器出口温度经微分器作减温器出口温度经微分器作为一个冲量为一个冲量218.1.4 锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制n燃料种类燃料种类n燃烧设备燃烧设备n锅炉形式锅炉形式221燃烧过程自动控制任务燃烧过程自动控制任务1、使锅炉出口蒸汽压力稳定、使锅炉出口蒸汽压力稳定2、保证燃烧过程的经济性、保证燃烧过程的经济性3、保

11、持炉膛负压恒定、保持炉膛负压恒定n可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量n控制系统设计的总原则应当是：生产负荷变化时，控制系统设计的总原则应当是：生产负荷变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作燃料量、送风量和引风量应同时协调动作232蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统n比值调节系统比值调节系统燃料与空气保持一定比例燃料与空气保持一定比例主流量主流量K燃料调燃料调节器节器送风调送风调节器节器24蒸汽压力燃料流量串级控制（送风量随燃料量变蒸汽压力燃料流量串级控制（送风量随燃料量变化而变化的比值控制）化而变化的比值控制

12、）缺点：负荷发生变化缺点：负荷发生变化时，送风量变化落后时，送风量变化落后于燃料变化。于燃料变化。25燃烧过程改进方案燃烧过程改进方案负荷减少时，先减负荷减少时，先减燃料量后减空气量；燃料量后减空气量；负荷增加时，先加负荷增加时，先加大空气量，以使燃大空气量，以使燃烧完全。烧完全。263燃烧过程的烟气氧含量闭环控制燃烧过程的烟气氧含量闭环控制n锅炉的热效率锅炉的热效率(经济燃烧经济燃烧)主要反映在烟气成分主要反映在烟气成分(特特别是氧含量别是氧含量)和烟气温度两个方面。和烟气温度两个方面。n烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烧烃烧烃反映燃料燃烧

13、的情况反映燃料燃烧的情况n最简便的方法：烟气中氧含量。最简便的方法：烟气中氧含量。n实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的量量要有一定过剩空气量。要有一定过剩空气量。 2728n过剩空气系数过剩空气系数表示表示实际空气量实际空气量Qp与理论空与理论空气量气量QT之比之比n与烟气氧含量有直接关系，与烟气氧含量有直接关系，A0烟气含氧量烟气含氧量过剩空气量过剩空气量TpQQ02121A过剩空气量（）过剩空气量（）29烟气氧含量的闭环控制系统烟气氧含量的闭环控制系统 30蒸汽负荷经常变动蒸汽负荷经常变动 增加折线函数发生器增加折线函数发生器 314多种燃料时过剩空气及燃料配比的控制系统多种燃料时过剩空气及燃料配比的控制系统 （1）低过剩空气的控制系统）低过剩空气的控制系统 n控制方法：以总理论空气量为基准，即根据各燃控制方法：以总理论空气量为基准，即根据