第九章过程控制系统的工程应用

西南民族大学电气信息学院1第九章过程控制系统的工程应用

9.1典型传热设备的过程控制9.1.1概述锅炉是国民经济各行业必不可少的重要传热设备驱动发电机动力机构的动力源作为热源提供给工业生产装置民用取暖设施西南民族大学电气信息学院2锅炉设备主要工艺流程图锅炉热力系统流程西南民族大学电气信息学院3锅炉燃烧系统流程高温烟气空气预热器西南民族大学电气信息学院4锅炉设备的调节任务锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内；过热蒸汽温度保持在一定范围内；汽包中的水位保持在一定范围内；保持锅护燃烧的经济性和安全运行；炉膛负压保持在一定范围内。西南民族大学电气信息学院5锅炉设备控制的若干个控制系统给水自动控制系统锅炉燃烧的自动控制过热蒸汽系统的自动控制热力除氧锅炉水处理过程控制西南民族大学电气信息学院6给水自动控制系统(锅炉汽包水位的控制)锅炉汽包内部保持一定的蒸发空间。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，维持汽包中水位在工艺允许范围内）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标志之一。汽包西南民族大学电气信息学院7锅炉燃烧的自动控制主要目的：使燃料和空气达到合理比例燃料的安全燃烧被控变量：蒸汽压力(负荷)、烟气成分和炉膛负压控制变量：燃料量、送风量和引风量炉膛负压保持在一定的范围内西南民族大学电气信息学院8过热蒸汽系统的自动控制系统设置目的：对于蒸汽的温度、压力以及含水量等有要求被控变量：过热蒸汽温度控制变量：喷水量西南民族大学电气信息学院99.1.2锅炉汽包水位的控制

1、控制通道的特性

曲线H2：给水温度<汽包内饱和水温度——给水流量的增加的初始阶段，从原来饱和水中吸取部分热量，导致水位下降直线H1:水位随着给水量的增加而直线上升水位变化的曲线H——H1、H2的叠加给水流量作用下的锅炉水位响应曲线西南民族大学电气信息学院10数学描述近似积分环节和纯滞后环节的串联传递函数表示

K0响应速度——给水流量变化单位流量时，水位的变化速度

西南民族大学电气信息学院11“单冲量”控制系统

单冲量——汽包的水位阻止水位达到给定值用户蒸汽用量

西南民族大学电气信息学院122、干扰通道的特性

曲线H1：蒸汽流量D增加时，蒸汽量D大于给水量，水位下降曲线H2：蒸汽流量增加，瞬时间导致汽包压力的下降，汽包内的水沸腾突然加剧，水位上升曲线H：H1和H2的叠加。“虚假水位”蒸汽流量扰动作用下的水位阶跃响应曲线西南民族大学电气信息学院13H包含两个方面一方面：蒸汽流量增加时，在燃料量不变的情况下，汽包水位直线下降——H1，数学模型：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——H2。数学模型：蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性传递函数

西南民族大学电气信息学院14单冲量存在的问题1、负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作。如：负荷增大→虚假水位上升→调节器接受到虚假的信号→调节阀反向关小给水→不能增加水位2、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。西南民族大学电气信息学院15双冲量控制系统（蒸汽流量和锅炉水位）前馈－反馈控制系统西南民族大学电气信息学院16三冲量控制系统前馈－串级控制系统西南民族大学电气信息学院17控制方式选择如：蒸发量小的锅炉——单冲量简单控制系统如：大型锅炉系统——串级控制系统如：多用户蒸汽系统——前馈控制西南民族大学电气信息学院189.1.3蒸汽过热系统的控制组成：一级过热器、减温器、二级过热器任务：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。过热气温：锅炉汽水通道中温度最高的地方减温器过热器西南民族大学电气信息学院19影响过热气温的扰动因素蒸汽流量燃烧工况减温水量流经过热器的烟气温度、流速西南民族大学电气信息学院20过热气温控制方法广泛采用方法：减温水流量（时滞和时间常数大）串级控制系统——减温器出口温度为副被控变量（减少过热气温的动态偏差）西南民族大学电气信息学院21双冲量控制系统——减温器出口温度经微分器作为一个冲量

西南民族大学电气信息学院228.1.4锅炉燃烧过程的控制

燃料种类燃烧设备锅炉形式西南民族大学电气信息学院231．燃烧过程自动控制任务1、使锅炉出口蒸汽压力稳定2、保证燃烧过程的经济性3、保持炉膛负压恒定可供调节的手段：燃料量、送风量和引风量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西南民族大学电气信息学院242．蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统比值调节系统——燃料与空气保持一定比例主流量K燃料调节器送风调节器西南民族大学电气信息学院25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）缺点：负荷发生变化时，送风量变化落后于燃料变化。西南民族大学电气信息学院26燃烧过程改进方案负荷减少时，先减燃料量后减空气量；负荷增加时，先加大空气量，以使燃烧完全。西南民族大学电气信息学院273．燃烧过程的烟气氧含量闭环控制锅炉的热效率(经济燃烧)主要反映在烟气成分(特别是氧含量)和烟气温度两个方面。烟气中成分：氧气、二氧化碳、一氧化碳和未燃烧烃——反映燃料燃烧的情况最简便的方法：烟气中氧含量。实际上完全燃烧所需的空气量要超过理论计算的量——要有一定过剩空气量。西南民族大学电气信息学院28西南民族大学电气信息学院29过剩空气系数α表示——实际空气量Qp与理论空气量QT之比α与烟气氧含量有直接关系，A0——烟气含氧量过剩空气量过剩空气量（％）西南民族大学电气信息学院30烟气氧含量的闭环控制系统西南民族大学电气信息学院31蒸汽负荷经常变动——增加折线函数发生器折线函数发生器蒸汽量西南民族大学电气信息学院324．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控制方法：以总理论空气量为基准，即根据各燃料的流量，分别计算出理论空气量，相加后作为确定燃料空气量的基准西南民族大学电气信息学院33（2）燃料任意配比的控制系统增设运算符，组成燃料任意配比的控制系统西南民族大学电气信息学院345.炉膛负压控制与有关安全保护系统炉膛负压控制系统防脱火系统防回火系统西南民族大学电气信息学院35蒸汽过热系统汽包水位控制西南民族大学电气信息学院369.2典型传质设备的过程控制传质过程的控制是工业过程控制的重要环节。本节以精馏塔为例精馏在化工、石油、炼油生产中极为重要。西南民族大学电气信息学院37西南民族大学电气信息学院38西南民族大学电气信息学院39精馏塔温度控制方案1物料平衡控制方法按精馏段的质量指标来控制馏出液量D，并保持Q不变。优点：物料与能量平衡之间的关联最小；一旦塔顶产品质量不合格，温度控制器关闭出料阀。缺点：质量反馈的控制回路滞后大。本方案适于馏