锅炉除氧器过程控制课程设计

1、摘 要 热力除氧是用蒸汽将给水加热到饱和温度，将水中溶解的氧气和二氧化碳放出。除氧的目的是防止锅炉给水中溶解有氧气和二氧化碳，对锅炉造成腐蚀，因此对除氧器进行控制具有很强的现实意义。本文论述了除氧器液位、出口流量、除氧器压力三个被控变量的实验，详细论述了实验内容及过程中遇到的相关问题。着重论述了PID控制方法在除氧器控制上的应用，对相应的参数进行了整定，以及对实验结果进行了分析。目 录摘 要I1 引言- 1 -1.1 控制系统的的目的- 1 -1.2 控制系统的意义- 2 -1.3 实验内容- 2 -1.4 主要任务- 2 -2 正文- 4 -2.1除氧器液位控制- 4 -2.1.1 实验目的

2、及工艺背景- 4 -2.1.2 实验过程- 4 -2.1.2 控制系统投运和控制器参数整定- 8 -2.2 除氧器出口流量控制- 12 -2.2.1 控制系统组态- 12 -2.2.2 控制系统投运及参数整定- 13 -2.2.3 施加扰动测试控制器性能- 15 -2.2.4 实验结果分析- 16 -2.3 除氧器压力控制- 17 -2.3.1 PI控制器特点- 17 -2.3.2 为什么要控制除氧器的压力- 17 -2.3.3 控制系统组态- 18 -2.3.4 控制系统投运及参数整定- 19 -2.3.5 实验结果分析- 20 -3 结论- 21 -4 收获、体验和建议- 22 -参考文献

3、- 23 -II1 引言1.1 控制系统的的目的在我们的设计中，我们主要是以除氧器作为被控对象，由于除氧器是整个工艺过程的开始部分，从公用的工程来的锅炉给水到除氧器，除氧器使用蒸汽把给水加热到饱和的温度，把里面的溶解的氧和二氧化碳逼出来，以免锅炉结垢，除氧器的液位的高低会影响整个系统的工作状态，液位过低，会使的工作水供应不足，导致后续工艺产生不稳定的现象，甚至可能照成巨大的经济损失以及人员安全问题，故必须使得除氧器的液位保持在一定的高度；除氧器的压力和出水阀的流量也均会对除氧器的液位造成影响，从而影响整个系统的工作稳定性，除氧器的压力过高会使得除氧器爆炸，产生不安全的事故，并且压力过大，会使得

4、除氧器中的水被快速的经出水阀被压到除氧器外，供给水的不稳定会使得后续的工艺目的很难实现；除氧器出口的除氧水是去往锅炉汽包的，汽包是产生蒸汽的地方，它的液位非常重要，液位过低就可能造成汽包被烧坏的危险，如果汽包液位过高，产生过热蒸汽的质量就会受到一定的影响，所以汽包液位要控制在一定的范围内，在燃烧系统供应的热量一定，也就是单位时间内蒸发出去的水量一定时，要想使气泡液位稳定下来，就要保证汽包上水流量稳定，所以要对上水流量，也就是除氧器出口流量进行控制；在这个工艺过程中，通入蒸汽的主要目的是为了出去除氧器进料软化水中的氧气，以防送入锅炉的水中含有氧气，腐蚀设备，除氧器对压力的要求比较高，因为除氧器压

5、力过高，会造成除氧器憋压，软化水无法正常蒸发；如果除氧器压力过低会造成除氧不充分，而多余的氧气会在加热的过程中分解出来腐蚀锅炉。综合上述问题，我们需要去设计一个控制系统达到如下目的：1）保持除氧器液位的稳定，并且使其稳定在某个设定值上，如此防止出现后续工艺的水供给不足和除氧器爆炸等事件的发生。2）保持出口流量的稳定，并且稳定于某个设定值，使其工艺能够稳定的工作，如此为后续工艺的稳定工作铺平道路。3）保持除氧器压力的稳定于某个设定值，使得除氧器能够安全工作。1.2 控制系统的意义针对上述的三个目的，我们很容易知道控制系统的意义主要有哪些。首先我们对除氧器的液位进行控制，使其达到一个稳定值，如此建

6、立物料或能量的平衡，以便在稳态时系统的流入量和流出量相等；要求液位必须维持在设定值上，这个设定值代表了一个重要的操作点；缓冲容器的液位控制。其次，我们对出口阀的出口流量进行控制，使得出口流量达到一个稳定值，使得后续汽包液位能够达到稳定。最后我们对除氧器的压力进行控制，这是为了使得除氧器不要出现憋压的情况，防止氧化水无法正常蒸发，并且防止出现除氧不充分，造成锅炉腐蚀。1.3 实验内容为了实现上述的控制目的，我们主要需要完成以下的内容：首先我们需要设计一个控制器去控制除氧器的液位，在这个控制系统中，我们把除氧器作为控制对象，除氧器液位作为控制变量，给定一个设定值，利用控制器使其达到这个设定值。其次

7、，我们还需设计一个控制器去控制出口阀的流量，在此控制系统中，控制器为出口流量阀，被控变量为出口流量，我们利用控制器给定一个设定值，使得流量能够稳定在此设定值处，使得工艺过程能够稳定工作。最后，一个控制除氧器压力的控制系统还需要被设计，我们利用此控制系统，使得被控对象达到一个很稳定的压力值，最终到达很好的控制效果。1.4 主要任务在此次设计中我们主要要设计三个控制系统，第一个是控制除氧器的液位，第二个是控制出口流量阀的流量，第三个是控制除氧器的压力，虽然从表面上，这三个控制器的控制变量不一样，但是，实际上，他们都是互相影响的，除氧器压力的大小，会影响出口流量，从而影响除氧器的液位；出口阀的流量的

8、大小会影响除氧器的液位，从而影响除氧器内压力的变化。从这里我们能发现这几个控制器都很重要。在此主要任务是确定被控对象，被控变量，执行器，检测元件，然后根据要构建的系统的性能以及被控对象的特性去选择控制器的正反作用以及是用P控制还是PI控制，还是PID控制，合理的选择工作方式，使其能够达到预先要求的目的，这是很重要的工作。其后，我们选择信号源、控制器去构建控制系统，然后用先调节P，再调节I，最后调节D的原则去整定合适的PID参数值，如此选定合适的控制器，最后通过加入扰动去测试控制系统的性能，考虑控制系统的鲁棒性是否达到要求。2 正文2.1除氧器液位控制2.1.1 实验目的及工艺背景（1）实验的目

9、的通过这个实验，我们能够掌握比例作用的控制规律、P控制器的使用，体会余差；其次，我们可以熟悉单回路系统的组态及投运过程；另外，我们可以了解液位对象的特性及控制方法。（2）除氧器液位控制的工艺背景用于除氧器的过热蒸汽源源不断地流入除氧器中，对除氧器内的软化水进行加热，软化水被加热到沸腾后，水中的氧气会被蒸发出来，通过除氧器顶部的气孔排放到大气中达到脱氧的目的。因此，除氧器氧化水液位的高低，对软化水沸腾的时间、除氧效果的好坏有直接的影响。另外，除氧器还起着中间储罐的作用。一旦公用工程出现故障，不能及时给除氧器供水，除氧器中储藏的软化水可以在一定时间内维持生产设备正常运行，在不影响生产的前提下为抢修

10、赢得时间。除氧器液位过高则会造成软化水的浪费，液位过低则会造成其下游上水泵的腐坏，还会造成因原料供应不足而停产。综上，对除氧器液位控制有很大的实际价值，因此我们设计了除氧器液位控制系统。2.1.2 实验过程（1）操作变量的选择对除氧器液位最主要的影响就是除氧器入口流量和除氧器出口流量。其中除氧器入口是公用工程来的锅炉给水（软化水），如果除氧器入口流量经常波动，会造成除氧器液位的不稳定。除氧器出口则去往下游的锅炉汽包，出口流量的波动会对汽包水位的高低产生直接影响。如果用入口流量控制除氧器液位，出口流量波动对液位的影响可以通过调节入口流量来消除，也就是改变软化水的来料量。如果用出口流量控制除氧器液

11、位，入口流量波动对液位的影响则要通过调节出口流量来消除，而出口流量的变化会作用到下游生产单元，可能影响整个生产单元的平稳运行。因此，这里我们选择用除氧器入口流量控制除氧器液位。（2）除氧器液位控制单回路系统框图图2-1 除氧器液位控制系统框图（3）实验步骤 在没有打开任何工程的前提下，在 SMPT-1000 监控环境中打开除氧器工程 050607_Dearator Control。 打开阀门/挡板控制配置对话框，将阀门 FV1106 设为内控状态。 将当前窗口切换到控制组态画面，进行控制系统组态。设置数据源，采集除氧器液位实际测量值作为控制器输入。在 SMPTLab 左侧浮动工具盒中，已经打开

12、基本模板目录，目录中包括了组成控制回路常用的控制器输入模块、控制器输出模块和 PID 控制器模块，如图2-2。图2-2 工具盒用鼠标左键选中“控制器输入”不放，拖动至控制组态窗口中放开，即在控制组态窗口中生成了一个“数据源”模块，如下图2-3。 图2-3 数据源双击该模块符号，弹出数据采集点配置对话框。如图，在选择位号下拉框中，选择 LI1101，即表示当前数据源模块将从现场获取 LI1101 位号对应的实时数据。图2-4 数据采集点配置点击【确定】按钮，完成对除氧器液位信号的配置。PID 控制器组态。在基本模板目录中，选中“PID 控制器”图标，并将它拖放至控制组态窗口，生成PID 控制器图

13、标。双击该图标，弹出 PID 控制器配置对话框，在基本设置栏中，将控制器取名为 LIC1101，填入位号框中。在控制器投用之前，先将控制状态设为手动。选择控制器为反作用。配置完成后，点击【确定】按钮，当前 PID 控制器的图标将更新。图2-5 配置后的PID图标设置执行单元。为了让控制器的输出信号，能够送给执行机构（如调节阀），需要在控制组态窗口中引入“控制器输出”模块。该模块负责接收控制器的 OP 输出，并将该输出信号送至流程盘台上的某一个调节阀以控制其开度，达到对流程实施控制的目的。在基本模板目录中，选中“控制器输出”图标，并将该图标拖动至控制组态窗口中，生成一个新的“控制输出点”模块。图

14、2-6 控制输出模块图标双击该图标，弹出数据输出点配置对话框。在该对话框的位号下拉框中，选择要输出的调节阀位号，如下图所示的为 FV1106。数值范围栏中的上、下限框自动根据数据点定义中 FV1106 的仪表上下限进行填写。在数据输出类型栏中，需要设置接收控制器 OP 输出的数据类型为绝对量还是增量。缺省情况下，模块使用绝对量，即代表接收控制器的 OP 输出值，即为调节阀的目标开度 MV。图2-7 配置图配置完成后，点击【确定】按钮，当前 PID 控制器的图标将更新。图2-8 控制输出点图标信号连接。完成上述步骤后，控制组态窗口如下图所示。图2-9 控制组态为了将“数据源”模块检测到的实时数据

15、 LI1101 输入“PID 控制器”模块，并将控制器模块的输出通过“控制输出点”模块调节流程盘台上的 FV1106 调节阀开度，需要在上图所示的图中添加信号线，以连接三个模块。液位 LI1101 的单回路 PID 控制系统组态结果如图所示。图2-10 控制系统组态图在趋势曲线画面中添加 LI1101、FV1106、FV1101 的实时曲线。确认阀门 FV1101 开度为 32。将当前窗口切换到控制组态画面，双击 LIC1101 控制器模块，将输出 OP 的值设置为 30。让除氧器工程运行起来。2.1.2 控制系统投运和控制器参数整定(1) 控制器状态为手动，可进行手动控制。不断修改 OP 值

16、，也就是不断改变阀门 FV1106开度，观察 SP 和 PV 的值。你会发现 PV 和 SP 的值将不断变化，当其值达到 50%左右时，将控制器状态设置为自动，将控制器投自动。(2) 点击 LIC1101 控制器操作面板的【配置】按钮，打开 LIC1101 控制器配置窗口。目前比例增益设置为 1，将 SP 由原来的 50%变为 60%，待液位稳定后，将 SP 由 60%再调回 50%，观察并记录除氧器液位的趋势曲线。待液位稳定后，将比例增益设置为 2，再将 SP 由原来的 50%变为 60%，待液位稳定后，将 SP 由 60%再调回 50%，观察并记录除氧器液位的趋势曲线。根据比例增益的特点，

17、不断修改 Kc 的值，每修改一次都要通过双向修改 SP 值来加入阶跃干扰，直到除氧器液位的变化曲线达到 4:1 衰减比。其趋势曲线如下图所示：图2-11 K为1图2-12 K为2和3图2-13 K为4、5和10(3) 扰动性能测试令 LIC1101 的比例增益 Kc=3，将 LI1101 设定值从 50 变为 60，记录 LI1101 的响应曲线。待 LI1101 稳定后，将 LI1101 设定值从 60 再变为 50，记录 LI1101 的响应曲线。待系统稳定之后，点击工具栏中的 按钮，将当前窗口切换到流程图画面。双击阀门 FV1101，在打开的阀门/挡板类设备属性对话框中，将 FV1101

18、 开度设置为 50，观察 LI1101 曲线的变化趋势。当 LI1101 稳定后，再将 FV1101 开度调回到 32，等待液位稳定。图2-14 扰动实验图我们最后将液位控制器 LIC1101 的比例增益取为 Kc=3，因为在 Kc=3 时液位趋势曲线的响应速度较快，且稳态余差最小。但是由于比例作用不能消除余差的特点，可以看到在增加 FV1101 开度施加干扰时，LIC1101控制器不能将液位调节回设定值 50%，而是稳定在比 50%低的位置。这是由于 FV1101 的开度增加导致除氧器出口流量 FI1101 增加，因此液位会降低。但是由于控制器的作用，除氧器液位并没有由于自身的非自衡的特性而

19、不断下降，而是达到了一个新的稳态值。当将 FV1101 的开度调整回 32 之后，由于除氧器出口流量 FI1101 又回到原先的值，因此在控制器 LIC1101 的作用下，液位重新回到 50%。2.2 除氧器出口流量控制除氧器的汽包是产生蒸汽的地方，它的液位非常重要，如果液位过低就有可能烧坏汽包，如果液位过高，那么产生的过热蒸汽的质量就会受到影响，所以说汽包的液位必须要控制在一定的范围。假设燃烧系统供应的热量一定，也就是单位时间内蒸发出去的水量一定，要使七宝也为稳定下来，就要保证汽包上水流量稳定，所以要对上水流量也就是除氧器出口流量进行控制。我们之所以不用出口流量控制汽包液位是因为除氧器出口除

20、氧水是锅炉汽包上水的主要来源，为了保证锅炉汽包上水稳定，必须保证锅炉汽包上水流量稳定。锅炉上水流量也就是除氧器出口流量更应该用来控制汽包水位。2.2.1 控制系统组态（1）设置数据源，将除氧器出口流量FI1101作为控制器输入。（2）添加PID控制器模块，取名为FIC1101配置如下表： 模块 参数 取值 说明PID控制器位号FIC1101除氧器出口流量控制器状态手动正反作用反作用Kc1Ti99999Td0表2.1 FIC1101配置表（3）添加执行单元FV1101。（4）连接各部分组态，完成后如下图所示：图2-15 除氧器压力控制器组态2.2.2 控制系统投运及参数整定（1）打开FIC110

21、1控制器面板，将控制器状态设为手动不断修改OP值，观察SP和PV值，当其值达到11kg/s左右时，将控制器投自动。（2）将Kc改为10将除氧器出口流量SP由11改为15，观察除氧器出口流量响应曲线，当FI1101达到稳定后将SP由15改为11，观察除氧器出口流量响应曲线。（3）当FI1101达到稳定后将Kc改为11、12、13、14、15、16后分别重复第二步操作。当全部操作完成后得到的各变量的响应曲线如下图所示：图2-16 Kc由10到16变化时的响应曲线（4）确定了Kc为13之后，将Ti值改为10，将SP值由11修改为15观察各变量的响应曲线，当FI1101稳定后再将SP值由15修改为11

22、，观察各变量的响应曲线。（5）当FI1101稳定后将Ti值分别修改为5、3、2、1、0.8并重复第一步操作，观察响应曲线。当全部操作完成后得到的各变量的响应曲线如下图所示：图2-17 Kc为13时Ti由10到0.8变化时的响应曲线2.2.3 施加扰动测试控制器性能（1）在FIC配置对话框中将控制器状态设为手动。（2）将控制器输出OP值改为50，也就是将FV1101的开度突变为50.（3）在经过10秒左右之后将控制器投入自动，观察在FV101自身受扰动的情况下除氧器出口流量曲线的变化趋势。操作完成后得到了如下的趋势图：图2-18 扰动测试控制器FIC性能2.2.4 实验结果分析在使Kc由10到1

23、6变化的实验中，由于流量参数的之后非常小，因此FV1101变化时FI1101马上会跟着变化，随着Kc增大可以看到FI1101的余差逐渐变小，同时随着Kc的增大，FI1101逐渐出现衰减振荡。由于FI1101的值一直大于FI1106，导致除氧器液位LI1101一直降低，因此在图中可以看到LI1101一直是下降的，但是由于控制器LIC1101的作用，FV1106的开度变大试图将LI1101调整回设定值，所以可以看到LI1101的下降趋势在减弱。在Kc为13时Ti由10到0.8变化的试验中，可以看到随着Ti的减小FI1101的响应曲线向设定值靠拢的速度越来越快，消除余差的作用非常明显，响应曲线也会出

24、现明显的衰减振荡。同时由于积分作用的存在控制器的输出变化很明显FV1101的响应曲线有明显的振荡也就是说，FV1101的变化很剧烈。另外，现在FIC控制器现在是无差调节，所以在FI1101的SP从15将为11时，会有FI1101小于FI1106的时候，所以可以看到除氧器液位LI1101不再持续下降，而是在波动，而对LI1101起调节作用的FV1106也在波动中。在用扰动测试控制器FIC性能的实验中可以看到在FV1101的开度突变为50时，FI1101迅速上升，偏离了11的设定值，由于FI1101突然增加，LI1101开始下降LIC1101增大FV1106的开度力图将LI1101调回原来的稳定值

25、，当FIC1101重新投自动后，由于FI1101的设定值没有变所以FI1101的OV大于SP，LIC1101输出令FV1101关小，可以看到FI1101关小的趋势。在FIC1101的作用下，FI1101快速回到了设定值并达到稳定。由于LIC1101是纯比例控制的有差调节，可以看到在FI1101重新达到稳定后，LI1101没有回到原来的稳定值FV1106的开度也与干扰之前不同。2.3 除氧器压力控制 上面说了除氧器的出口流量控制，接下来分析除氧器压力控制。许多生产过程都是在不同压力下进行的，有些需要很高的压力，如，锅炉气泡，有的需要很高的真空度，如，锅炉炉膛。在工业生产中，热量传递是重要的操作和

26、控制手段，可以利用系统的压力保持过程的热量平衡，此种情况下，压力的动态特性和温度类似。压力对象有两种，一类是具有一定容量的容器体积较大，表征动态特性的时间常数较大，即惯性较大。另外一类是管道压力，时间常数较小，控制比较灵敏。无论是具有一定容量的气罐的压力，还是管道的压力，与温度对象相比都是较快的过程，时间常数不大，大都呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用。2.3.1 PI控制器特点表2.2 PI控制器2.3.2 为什么要控制除氧器的压力这里通入蒸汽的主要目的是为了除去除氧器进料软化水中的氧气，以防送入锅炉的水中含有氧气，腐蚀设备。除氧器对压力的要求比较高，因为除氧器压力过高，会造成除氧器憋压

27、，软化水无法正常蒸发，如果除氧器压力过低会造成氧不充分，而过多的氧气会在加热的过程中分解出来腐蚀锅炉。2.3.3 控制系统组态（1）设置数据源，将除氧器阀门PI1106实测值作为控制器输入。（2）添加PID控制器模块，其配置如下表所示：模块参数取值说明 PID控制器位号PIC1101除氧器压力控制器状态手动正反作用反作用参数Kc1参数Ti9999参数Td不使用此参数表2.3 PI1106配置表（3） 设置执行单元，阀门位号PV1101，数据输出类型为绝对量。（4） 进行信号连接。配置完成后，控制组态窗口如下图所示。图2-19 除氧器压力控制器组态至此，针对除氧器压力PI1106的单回路PID控

28、制系统组态完成。2.3.4 控制系统投运及参数整定（1）在控制器组态画面，选中PIC1106控制器图标，打开PIC1106控制器的操作面板。（2）控制器状态为手动，进行手动控制，不断修改OP值，也就是不断改变阀门PV1101开度，观察SP和PV的值，当其值达到0.149MPa左右时，将控制器投自动。（3）将比例增益Kc由1修改为10000时，改变除氧器压力PI1106的SP，观察除氧器压力的响应曲线。（4）根据比例控制器的特点，不断修改Kc的值，每修改一次都要通过改变SP来加入阶跃扰动，直到除氧器压力曲线达到4:1衰减，记录下此时的Kc值。（5）确定Kc的值之后，根据积分控制器的特点，不断修改

29、Ti的值，每修改一次都要通过改变SP来加入阶跃扰动，观察除氧器压力的响应曲线。 当全部操作完成后得到的各变量的响应曲线如下图所示：图2-20 各变量响应曲线图2-21 Kc增大时各变量响应曲线2.3.5 实验结果分析在纯比例作用时，除氧器压力PI1106的响应曲线也没有出现4:1衰减。这是因为除氧器体积比较大，在Kc=50000之后，PV1101在PI1106的SP改变的瞬间，开度都能达到全开，即使这样，所提供的蒸汽量都不足以引起除氧器压力的波动。Kc=20000时响应曲线比较好，但为了让响应快一点，最后采用Kc=10000。不过加入积分作用后，控制的效果倒是非常明显。无论Ti取什么值，PV1101都能在最大开度维持一段时间，确保PI1106尽快上升到SP切无余差。由于PI1106的变化，除氧器内水的蒸发量会不断发生变化，因此除氧器液位LI1101会随之变化。可以看到，LI1101和FV1106的响应曲线始终处在波动当中，这是除氧器液位控制器LI1101在起作用。3 结论对于控制液位的控制器我们选用了纯比例控制，对于出口阀流量的控制我们主要使用PI控制，对于控制除氧器的压力我们主要使用了PI控制，并且我们让这三个控制器同时工作，从结果中