自动检测和过程控制(第4版)第15章 典型工业过程控制系统

第十五章典型工业过程控制系统

第一节锅炉设备的控制第二节传热设备的控制第三节

加热炉燃烧过程控制第四节

流体输送设备的控制第一节锅炉设备的控制 锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。锅炉设备的工艺流程锅炉 由两大部分组成：第一部分为燃烧系统，由送风机、空气预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统，由给水系统、省煤器、汽包和过热器等组成。工作时，燃料和空气按一定比例进入炉膛燃烧，燃烧释放的热量通过蒸汽发生系统产生饱和蒸汽，再经过过热器将饱和蒸汽加热成满足一定质量(温度、压力)指标的过热蒸汽输出，供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的高温烟气经过过热器，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水，再经过空气预热器预热锅炉送风，最后经引风机送往烟囱排入大气，每经过一个环节，烟气的温度都会有所降低，使燃料燃烧热量得到充分利用。锅炉设备的控制问题 工程上一般将锅炉的控制系统划分为：汽包水位控制系统、燃烧控制系统和过热蒸汽控制系统，下面分别对这三个控制系统的典型方案进行讨论。一、锅炉汽包水位的控制被控变量：汽包水位，用H(s)表示；控制变量：汽包给水量流量，用G(s)表示；主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D(s)表示；其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化；通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。(一)汽包水位的对象特性1、控制通道特性 当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的串联：式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间，给水温度越低，t越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在100～200s之间。ttGH2、干扰通道特性(蒸汽流量变化) 其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时：(1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分环节)：tΔDΔH1式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的斜率。H0蒸汽流量突变时的“虚假水位”(2)另一方面，蒸汽流量突然增加导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾突然加剧，水中汽泡数量迅速增加，汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加(水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”现象，其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：tΔDΔH2式中K2、T2分别为只考虑水面下汽泡体积变化所引起的水位变化的放大倍数和时间常数。H0(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下，为典型的“反向特性”。传递函数为：tΔDΔH2ΔH1ΔH蒸汽流量变化的反向特性H0蒸汽流量阶跃干扰下的汽包水位响应曲线(二)锅炉汽包水位的控制1、汽包水位的单冲量控制

如图所示为单冲量水位控制系统仪表流程图。这里的冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。 这种单冲量系统适用于小型锅炉。单冲量控制系统单冲量汽包水位控制系统的特点结构简单，投资少。适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的场合(小型锅炉)。为安全运行，可设置水位报警和联锁控制系统。但由于存在虚假水位的反向特性，当负荷变化比较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。此外，由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此，控制不及时。2、汽包水位的双冲量控制 双冲量水位控制系统利用蒸汽流量变化信号对给水量进行补偿控制，从而不仅可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水控制阀的调节更及时。双冲量：汽包水位与蒸汽流量。双冲量控制系统汽包水位的双冲量控制 实质上是一个前馈－反馈控制系统。前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。前馈-反馈控制系统双冲量控制的特点 双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位的影响，但对给水流量扰动的影响未加考虑，因此适用于给水流量波动较小的场合。3、汽包水位的三冲量控制 汽包水位是主被控参数，也称主冲量；给水流量为副被控参数，蒸汽流量是前馈补偿的主要扰动，给水流量与蒸汽流量也称为辅助冲量。它实际上是一个前馈-串级复合控制系统。三冲量控制系统的简化连接只采用一个控制器二、锅炉燃烧系统的控制 锅炉燃烧控制系统是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的经济、安全运行。第一，为适应蒸汽负荷的变化，应及时调整燃料量；第二，为完全燃烧，应控制燃料量与空气量的比值，使过剩空气系数满足要求；第三，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛负压。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。 锅炉燃烧控制系统与燃料的种类、燃烧设备以及锅炉形式有关，以下以燃油锅炉燃烧控制系统为例。(一)燃烧控制任务及被控量与操纵量选择控制任务：锅炉蒸汽出口压力稳定；燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压稳定。被控变量：蒸汽出口压力；燃料量与送风量比值；炉膛负压。操纵变量：燃料量；送风量；抽风量。(二)燃烧过程的控制方案一：串级-比值控制系统 该方案包括以蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统；以及燃料量为主动量、空气量为从动量的比值控制系统。 该方案能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化，但是送入的空气量滞后于燃料量的变化。燃烧控制方案二：串级-串级控制系统 包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统，及蒸汽压力为主被控变量、空气量为副被控变量的串级控制系统。 系统中燃料量与空气量的比值关系是通过燃料控制器和空气控制器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。方案三：逻辑提量/减量控制系统 该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。既能保证蒸汽压力恒定，又可实现燃料的完全燃烧。 两个并列的副环具有逻辑比值功能，使该控制系统在稳定工况下能够保证空气和燃料在最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近。 提蒸汽负荷时，先提空气量，后提燃料量；减负荷时先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。方案四：双交叉燃烧控制 该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。其中，两个并列的副环具有逻辑比值功能，使该控制系统在稳定工况下能够保证空气和燃料在最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近，因此，具有良好的经济效益和社会效益。该方案可方便地在计算机控制装置或DCS中实现，图中，HLM和LLM分别是高限限幅器和低限限幅器；HSE和LSE分别是高选器和低选器。双交叉燃烧控制系统框图(三)烟气含氧量闭环控制系统 燃烧过程控制保证了燃料和空气的比值关系，但并不保证燃料的完全燃烧，燃料的完全燃烧与燃料的质量、热值等因素有关。不同的锅炉负荷下，燃料量和空气量的最佳比值也会不同，因此，需要有一个检查燃料完全燃烧的指标，并根据户该指标控制送风量的大小，衡量燃烧过程是否完全燃烧的常用控制指标是烟气中的含氧量。烟气含氧量的闭环控制系统烟气含氧量闭环控制系统是在原逻辑提量和减量控制系统的基础上，将原来的定比值改变为变比值。(四)炉膛负压控制及安全控制系统 为保证锅炉安全运行，必须保证炉膛一定的负压。当炉膛负压过小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气外冒，影响设备和工作人员的安全；当炉膛负压过大时，会使大量冷空气进入炉膛，增加热量损失，降低炉膛的热效率。1、炉膛负压控制 炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力，操纵变量是引风量。当锅炉负荷变化不大时，可采用单回路控制系统。当锅炉负荷变化比较大时，应引入扰动量的前馈信号，组成前馈-反馈控制系统。2、防止回火控制系统 当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，会发生回火事故，为此，采用压力开关PSA，当压力低于下限设定值时，使联锁控制系统动作，切断燃料控制阀的上游切断阀，防止回火，如图所示。 也可采用选择性控制系统，将喷嘴背压的信号送背压控制器，与蒸汽压力和燃料量串级控制系统进行选择控制。3、防止脱火的选择性控制系统 当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，易发生脱火事故，为此，设置燃料压力和蒸汽压力的选择性控制系统。正常时，燃料控制阀根据蒸汽负荷的大小调节，一旦燃料压力过高，燃料压力控制器PC2的输出减小，被低选器选中，由燃料压力控制器PC1取代蒸汽压力控制器PC2，防止脱火事故发生。三、蒸汽过热系统的控制 蒸汽过热系统一般包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务：是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。影响因素：如蒸汽流量、燃烧工况、引入过热器蒸汽的热焓(即减温水量)、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽温度。控制特点：在各种扰动下，气温控制过程动态特性都有时滞性和惯性，且较大，这给控制带来一定困难，所以要选择好操纵变量和合理控制方案，以满足工艺要求。蒸汽过热系统的控制方法 常用减温水作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量，组成单回路控制系统，但控制通道的时滞和时间常数都比较大，因此也可引入减温器出口温度作为副被控变量，组成串级控制系统。有时，也可组成双冲量控制系统，即前馈-反馈控制系统，将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器的测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。过热器温度控制系统图双冲量控制系统(前馈)串级控制系统采用DCS进行控制的锅炉系统第二节传热设备的控制一、概述 实现冷热两流体换热的设备称为传热设备，或叫换热器。传热过程是工业生产过程中极其重要的组成部分，对传热设备的控制是过程控制的一个重要方面。(一)换热器结构类型 换热有直接与间接换热两种方式，其中直接换热是指冷热两流体直接混合以达到加热或冷却的目的；在间接换热中，冷热两流体用管子、板等间壁隔开，热量首先从温度较高的热流体传给间壁，间壁再将热量传给温度较低的冷流体。在工业过程中，间壁换热较为普遍。常见的间壁换热器结构型式(二)换热器中的热量传递方式 热量的传递方向是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温度差是传热的推动力，温差越大，传热速率(单位时间内传递的热量)也就越大。热量传递有三种基本方式：导热(HeatConduction)、对流(Convection)和热辐射(ThermalRadiation)。 在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成的，这不仅表现在互相串联的几个换热环节中，而且同一环节也常是如此。需具体问题具体分析。

(三)换热器对象的动态特点 传热设备的自动控制系统中被控变量大多为温度，其被控对象是典型的多容对象，带有较大的滞后，且具有较明显的时变性、非线性及分布参数的特点。 这样的对象较难控制，性能指标通常不尽如人意，因此在设计其控制系统时，必须根据生产工艺要求，具体问题具体分析。工业换热目的与控制方案(1)使工艺介质达到规定的温度，以使工艺过程能很好地进行；(2)在生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；(3)某些工艺过程需要改变物料的相态；(4)回收热量。 由于换热目的的不同，其被控变量也不完全一样，控制方案也不一样。二、换热器的控制(一)被控量与操纵量的选取

被控变量：可以选温度、流量、压力、液位等参数，但用得最多的还是温度。例如下图中，分别选取出口温度与加热蒸汽流量(亦可为蒸汽压力)作为被控变量。操纵量的选择 视具体传热设备的特点和工艺条件而定：(1)大部分蒸汽加热器的操纵变量是采用载热体即加热蒸汽；(2)当被加热工艺介质的出口温度较低，采用低压蒸汽作载热体，传热面积裕量又较大时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通，往往以冷凝液流量作为操纵变量，调节传热面积，以保持出口温度恒定。(二)常用换热器控制方案(简单) 为保证出口温度平稳，满足工艺生产的要求，必须对传热量进行调节，传热量调节方法不同，也就决定了控制方案。1、调节载热体的流量 这是最常用方案。通过控制载热体流量来调节传热量，使被加热的工质温度满足工艺要求。调节载热体的流量2、调节传热平均温差ΔTm

通过调节氨气量以改变液氨压力与对应的平衡温度，进而改变间壁两侧流体的平均温差达到控制工艺介质出口温度的目的。这种控制方案滞后较小，反应迅速，应用亦较广泛。3、调节传热面积 这种方案通过控制凝液排出量，从而改变了浸泡在凝液中的发热管换热面积，实现传热量的调节。但是这种方案滞后较大，只有在某些必要的场合下采用。4、将工艺介质分路 一部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。该方案实际上是一个混合过程，所以反应迅速及时，但载热体流量一直处于高负荷下，这在采用专门的热剂或冷剂时是不经济的。然而对于某些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量本来不好调节，这时便不成为缺点了。(三)常用换热器控制方案(复杂) 大多数情况下，当工艺介质较稳定时，采用单回路控制就能满足要求，若还满足不了工艺要求，则可以从方案着手，引入复杂控制系统，如串级、前馈等。换热器出口温度串级控制方案 图(a)所示的蒸汽加热系统，当蒸汽阀前压力波动较大时，可采用工艺介质出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成的串级控制系统，图(b)。换热器出口温度的变比值串级控制方案 变比值串级控制引入了工艺介质流量的前馈信息，一方面前馈作用可大大减少生产负荷变化对出口温度控制质量的影响，另一方面可克服控制通道增益随负荷变化所造成的非线性，从而更好地满足工艺生产的要求。第三节加热炉燃烧过程控制一、概述

加热炉是钢铁、冶金、玻璃、炼油、石油化工等工业部门中典型的加热设备。它消耗的燃料在工厂中占有很大的比例，有时一个炉子甚至占全厂燃料耗量的一半以上。所以，加热炉燃烧过程控制受到特别的重视。 在加热炉的许多控制系统中，燃烧控制是最主要的，应满足节能降耗、防止环境污染等的要求(最优燃烧区，大约在μ=1.02-1.10之间，这时热效率最高，污染公害最小。)。

空气过剩率μ与热效益、公害关系 保持系统在最优燃烧区内运转，可望得到如下经济效果：(1)减少排烟所含过量空气带走的热损失，达到节能的目的；(2)减少燃烧空气量和排风量，可以节省通风机的动力费用；(3)降低NO2的生成，减少空气污染；(4)降低SO2生成，防止设备腐蚀；(5)降低灰分，使除尘器小型化并节省维护费用。二、比值串级控制 为了保证燃料与空气有一定的配比关系，一般在燃烧控制中，常用的控制方案是比值串级调节系统(特点，适用场合)。比值串级系统与流量变化过程示意图1-燃料流量2-理想空气流量曲线3-实际空气流量曲线

三、交叉限幅串级控制 串级比值调节不能保持适当的空气燃料比，仅适用于稳态情况下燃烧控制。由于实际生产过程的负荷不可能始终处于稳定状态，就要寻求更好的燃烧控制方式，交叉限幅调节就是一种较好控制方案。

图15-A燃烧交叉限幅控制系统 在稳态时，这个系统实质上是一个具有两个并联副回路的串级调节系统。其中，温度回路作为主回路，燃料流量回路和空气流量回路并联作为副回路。交叉限幅部分(虚线框内所示)为的是改善系统动态特性，使得在动态过程中系统也能在一定范围内维持空气-燃料比。1、燃料流量调节回路 图15-A左半部分，高值选择器和低值选择器有两个重要的选择比较参数D、B，是根据实测空气流量信号FA算出来的。其中，D是不出现缺氧燃烧，燃料流量的上限值，B是不出现过氧燃烧，燃料流量的下限值：式中μ——空气过剩率；β(=A0FFmax/FAmax)——理论空气量系数，一般0.8~1.0；A0为单位燃料所必须的理论空气量，FFmax、FAmax分别为燃料与空气测量表上限；K1、K2——系数，为5%左右。信号选择关系 图15-A中炉膛温度调节器TC输出是系统要求的燃料流量信号A。A和B经高值选择器得出信号C，C和D再经低值选择器得出信号E。这就是对应于要求的燃料流量信号A，为了维持最佳燃烧，根据实测空气流量算出的容许燃料流量信号E。注意：“要求燃料流量信号A”和“容许燃料流量信号E”

在稳态时是相同的，在动态时是不同的，这正是交叉限幅控制方式的独特之点。燃料流量控制回路信号选择关系图燃料流量控制过程(1)在正常状态下，B<A<D(见图中0~t0段)，则燃料流量设定值E=A，要求燃料流量信号本身就成为燃料流量设定值。这时系统处于常规的串级调节方式。(2)当负荷急增，要求燃料流量的设定值E按不出现缺氧燃料时燃料流量的上限值D而缓慢上升，见图t0~t1段，从而维持了适当的空气-燃料比。(3)当负荷稳定，空气流量重新适应，于是又恢复正常状态B<A<D，E=A，见图中t1~t2段。(4)负荷急减，要求燃料流量信号A立即下降，仍由于空气流量响应迟缓，使A<B。在高值选择器的选择下，燃料流量的设定值E按不出现过氧燃烧时燃料流量的下限值B而缓慢下降，见图中t2~t3段，从而维持了适当的空气-燃料比。燃料流量控制过程总结 系统在正常工作时，就是一般的串级调节系统；一旦发生扰动，由于高、低值选择器的限幅作用，使得系统能在一定范围内维持空气-燃料比，克服了一般比值调节方式的局限性。 交叉限幅调节方式不但根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅，这就构成了所谓的“交叉限幅”。燃料流量和空气流量按给定的关系互相制约的结果，就更能确保在动态过程中，使空气-燃料比维持在恰当的范围。在常规的比值调节中，空气流量仅仅是被动地跟随燃料流量而变化，不可能依据当时的空气流量对燃料流量进行限制。相比之下，“交叉限幅”的优点就十分明显了。2、空气流量调节回路 图15-A右半部分，这里也有两个重要的参数F、H，是根据实测燃料流量信号FF算出来的。其中，F是不出现过氧燃烧时空气流量的上限值，H是不出现缺氧燃烧时空气流量的下限值：

F=(1+K4)FF

，H=(1-K3)FF

式中K3、K4——系数，为5%左右。 该系统的工作原理与燃料流量调节回路是相同的。其信号选择关系示于下图。空气流量控制回路信号选择关系图结论 交叉限幅调节的基本思路是使燃料流量和空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，在容许的范围内变化，达到动态时维持适当空气-燃料比的目的。因此，交叉限幅调节不但在稳定时能保持适当的空气-燃料比，而且在动态时也能维持适当的空气-燃料比。可以这样说，常规的比值调节是静态比值调节，而“交叉限幅调节”则是动态比值调节。第四节流体输送设备的控制 物料流和能量流都被称为流体，用于输送流体和提高流体压头的机械设备称为流体输送设备，其中输送液体并提高压力的机械称为泵，而输送气体并提高压力的机械称为风机和压缩机。流体输送设备的任务是输送流体，在工艺生产过程中，对流体输送设备的控制，实质是实现物料平衡的流量、压力控制，以及为保护输送设备安全的控制。流量控制系统的主要扰动是压力和阻力的变化，特别是同一台泵分送几支并联管道的场合，控制阀上游压力的变动更为显著，有时必须采用适当的稳压措施。至于阻力的变化，例如管道积垢的效应等等，往往是比较迟缓的。一、泵的控制(一)离心泵的控制 离心泵是使用最广的液体输送机械。泵的压头H和流量Q及转速n间的关系，称为泵的特性：

H=k1n2-k2Q2式中k1、k2为比例系数。特性曲线如图。离心泵的特性曲线aa’—最高效率工作点轨迹n1>n2>n3>n4

当离心泵装在管路系统时，泵所提供的流量与压头，应与管路所需的流量与压头相一致。如图所示，泵的出口压力必须与以下压头与阻力相平衡：(1)将液体提升到一定高度所需的压头，即升扬高度hL，该项恒定；(2)管路两端静压差相应的压头hP，等于(p2-p1)/r，其值也较为平稳；(3)管路摩擦损耗的压头hf，这项与流量的平方几乎成比例；(4)控制阀两端的压头hV，在阀门的开启度一定时，也与流量的平方值成比例，同时还取决于阀门的开启度。管路特性称HL=hL+hP+hf+hV和Q的关系为管路特性。管路特性 当系统达到平衡状态时，泵的压头H必然等于HL，这是建立平衡的条件。从特性曲线上看，工作点C必然是泵的特性曲线与管路特性曲线的交点。工作点C的流量应符合预定要求，它可以通过以下方案来控制。离心泵管路特性与系统平衡的建立1、改变控制阀开启度，直接节流 简便易行，缺点是在流量小的情况下，总的机械效率较低。所以这种方案不宜使用在排出量低于正常值30%的场合。

(a)流量特性(b)控制方案直接节流2、改变泵的转速 这种控制方案中，在液体输送管线上不需要装设控制阀，因此不存在项的阻力损耗，相对说机械效率较高，所以在大功率的重要泵装置中，有逐渐扩大采用的趋势。但要具体实现这种方案，都比较复杂，所需设备费用亦高一些。FC3、旁路控制 用改变旁路阀开启度的方法，来控制实际排出量。 方案简单，而且控制阀口径比较小。对旁路的那部分液体来说，由泵供给的能量完全消耗于控制阀，因此总的机械效率较低。(二)容积式泵的控制 容积式泵有两类：一类是往复泵，包括活塞式、柱塞式等；另一类是直接位移旋转式，包括椭圆齿轮泵、螺杆式等。由于这类泵的共同特点是泵的运动部件与机壳之间的空隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以泵的排出量与管路系统无关。往复泵只取决于单位时间内的往复次数及冲程的大小，而旋转泵仅取决于转速。往复泵的特性曲线往复泵的控制方案⑴改变原动机的转速。与离心泵的调转速相同。⑵改变往复泵的冲程，在多数情况下，这种控制冲程方法机构复杂，且有一定难度，只有在一些计量泵等特殊往复泵上才考虑使用。⑶通过旁路控制。其方案与离心泵相同，是最简