鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1、摘要鍋爐是一種應(yīng)用最廣的熱能裝置,人們通常將燃料比喻做工業(yè)的“糧食”,那么鍋爐就相當(dāng)于工業(yè)的“腸胃”。目前,工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和能源消耗的重要設(shè)備。為了保證鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,鍋爐的水位、溫度、壓力、流量都要嚴(yán)格的控制,不應(yīng)該有較大的波動(dòng),應(yīng)該嚴(yán)格控制在一個(gè)精確的范圍內(nèi),只有這樣才能安全生產(chǎn)。工業(yè)鍋爐是能源轉(zhuǎn)換和消耗的重要設(shè)備,對(duì)鍋爐的水位、溫度、壓力、流量都要嚴(yán)格的控制,不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量,改善操作人員的工作環(huán)境和條件,而且可以使鍋爐燃燒效率最佳。我國(guó)各行各業(yè)廣泛使用著大量中小型工業(yè)鍋爐。鍋爐工藝復(fù)雜、控制要求較高。若用微機(jī)技術(shù)進(jìn)行改造,使之實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,不僅可加強(qiáng)運(yùn)行安全可靠性、提高供汽

2、質(zhì)量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)能;而且也不必對(duì)鍋爐作大幅度改造、不需要增添過(guò)多設(shè)備;是一項(xiàng)利國(guó)利民、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的理想舉措。為了保證鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,鍋爐的水位、溫度、壓力、流量都需要監(jiān)控, 鍋爐在正常運(yùn)行時(shí),為了保證其安全和經(jīng)濟(jì),必須維持主要運(yùn)行參數(shù)在規(guī)定值。主要運(yùn)行參數(shù)為水位、壓力、溫度等。隨著蒸汽負(fù)荷極其因素的變化,水位、壓力、溫度將發(fā)生變化偏離設(shè)定值。此時(shí),應(yīng)及時(shí)調(diào)整給水量,燃料供給量和通風(fēng)量,使主要參數(shù)返回到規(guī)定值。在這次設(shè)計(jì)中,主要考慮鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)其他的變量不加考慮。為改善調(diào)節(jié)品質(zhì),引入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào),組成汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的又一種策略。由汽溫被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可知,

3、導(dǎo)前汽溫可以提前反映擾動(dòng),取其微分信號(hào)引入調(diào)節(jié)器后,由于微分信號(hào)動(dòng)態(tài)時(shí)不為零穩(wěn)態(tài)時(shí)為零,所以動(dòng)態(tài)時(shí)可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前,穩(wěn)態(tài)時(shí)可使過(guò)熱器出口汽溫等于給定值,從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。將減溫器出口溫度的微分信號(hào)作為前饋信號(hào),與過(guò)熱器出口溫度相加后作為過(guò)熱器溫度控制器測(cè)量,當(dāng)減溫器出口溫度有變化時(shí),才引入前饋信號(hào)。穩(wěn)定工況下,該微分信號(hào)為零,與單回路控制系統(tǒng)相同。關(guān)鍵字:過(guò)熱蒸汽控制串級(jí)控制反饋控制影響因素系統(tǒng)參數(shù)一.課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1內(nèi)容(1.介紹工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則及方法(2.根據(jù)所提供的工藝設(shè)備的主要工藝流程圖設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)1.2任務(wù)蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)則是鍋爐系統(tǒng)安壘正常運(yùn)行,確保蒸

4、汽品質(zhì)的重要部分。本設(shè)計(jì)主要考慮的部分是鍋爐過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制,要求保證過(guò)熱蒸汽溫度穩(wěn)定;1.3要求根據(jù)下列所提供的設(shè)備主要工藝流程圖,對(duì)工藝熱工參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)顯示,完成所要求的控制系統(tǒng), 畫出控制系統(tǒng)圖;在設(shè)計(jì)說(shuō)明書中分析方案設(shè)計(jì)的理由、控制器控制規(guī)律的選擇、控制器正反作用的選擇、選擇器類型的選擇。對(duì)鍋爐設(shè)備熱工參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),要求上盤顯示。(1.鍋爐給水壓力,15MPa(2.飽和蒸汽壓力,12MPa(3.過(guò)熱蒸汽壓力,11MPa(4.爐膛負(fù)壓,-70Pa(5.鼓風(fēng)機(jī)出口壓力,4KPa(6.一級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽溫度,540(7.一級(jí)過(guò)熱器前煙氣溫度,960(8.上級(jí)省煤器后煙氣溫度,470(9.下

5、級(jí)空氣預(yù)熱器后煙氣溫度。160(10.引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度,150(11.給水流量,150t/h(12.過(guò)熱蒸汽流量,143t/h(13.鍋爐汽包水位,±300mm二.鍋爐設(shè)備介紹鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過(guò)程必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備,它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源,又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過(guò)程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,作為動(dòng)力和熱源的過(guò)濾,也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。鍋爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等有多種類型和名稱,工藝流程多種多樣,常用的鍋爐設(shè)備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。燃料與空氣按照一定比例送入

6、鍋爐燃燒室燃燒,生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng),產(chǎn)生飽和蒸汽,形成一點(diǎn)觀其文的過(guò)熱蒸汽,在匯集到蒸汽母管。過(guò)熱蒸汽經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制,供給負(fù)荷設(shè)備用,于此同時(shí),燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣,除將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外,還經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐給水和空氣預(yù)熱器預(yù)熱空氣,最后經(jīng)引風(fēng)送往煙囪,排入大氣。 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的需要,供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽,同時(shí)要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。為達(dá)到這些控制要求,鍋爐設(shè)備將有多個(gè)不同的控制系統(tǒng),如下:(1.供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需要或保持給定負(fù)荷。(2.鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)。(3.過(guò)熱蒸汽溫度保持在一定范圍。(4

7、.汽包水位保持在一定范圍內(nèi)。(5.保持鍋爐燃料的經(jīng)濟(jì)性和安全性。(6.爐膛負(fù)壓保持在一定范圍。三.設(shè)計(jì)原理3.1鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng),要求保證過(guò)熱蒸汽溫度穩(wěn)定;鍋爐蒸汽出口壓力控制系統(tǒng),要求保證蒸汽出口壓力保持在一定范圍內(nèi),同時(shí)實(shí)現(xiàn)邏輯提量和邏輯減量;鍋爐蒸汽出口壓力控制系統(tǒng),要求保證蒸汽出口壓力保持在一定范圍內(nèi),同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行;鍋爐爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng),要求保證爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi),以保證鍋爐的安全運(yùn)行。鍋爐安全連鎖控制系統(tǒng),以防止回火和脫火。本設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)要求主要對(duì)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。3.2過(guò)熱蒸汽溫度控制任務(wù)過(guò)熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)是維持過(guò)熱器出口溫度在

8、允許的范圍之內(nèi),并保護(hù)過(guò)熱 器 ,使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn), 蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度下降,以至燒壞過(guò)熱器的高溫段,嚴(yán)重影響安全;過(guò)熱蒸汽溫度偏低,則會(huì)降低發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換效率。據(jù)分析,氣溫每降低5,熱經(jīng)濟(jì)性將 下降 1 %;且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽濕度增大,甚至使之帶水,嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。該機(jī)組要求控制過(guò)熱蒸汽溫在5 3 8 5 4 8 的范圍內(nèi)。鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度稱為主蒸汽溫度,主蒸汽溫度和再熱蒸汽溫度統(tǒng)稱為蒸汽溫度。正常運(yùn)行中,蒸汽溫度應(yīng)維持在額定值,允許波動(dòng)范圍一般為+5-10。過(guò)熱蒸汽溫度的控制任務(wù)是維持過(guò)熱

9、器出口汽溫在允許范圍內(nèi),并且保護(hù)過(guò)熱器使管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度.過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐給水通道中溫度最高的地方.過(guò)熱器正常運(yùn)行時(shí)的溫度一般接近于材料所允許的最高溫度.因此,過(guò)熱蒸汽溫度的上限一般不應(yīng)超過(guò)額定值5(額定值為450 .如果汽溫偏低,則會(huì)降低全廠的熱效應(yīng)和影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行,因而過(guò)熱蒸汽溫度的下限一般不低于額定值10。過(guò)熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是: 克服各種干擾因素,將過(guò)熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi),從而保持 蒸氣品質(zhì)合格。保護(hù)過(guò)熱器管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。本次設(shè)計(jì)以控制減溫水流量的變化來(lái)闡述對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)3.3 影響過(guò)熱蒸汽的主要因素3.3.1蒸汽量

10、擾動(dòng)當(dāng)蒸汽量擾動(dòng)時(shí),沿過(guò)熱器管道整個(gè)長(zhǎng)度各點(diǎn)的溫度幾乎同時(shí)變化 其特點(diǎn)是有遲延,有慣性,有自平衡能力,且T較小。當(dāng)鍋爐的蒸汽量增加時(shí),對(duì)流式過(guò)熱器和輻射式過(guò)熱器的出口汽溫隨蒸汽量變化的方向是相反的。蒸汽量增加時(shí),通過(guò)對(duì)流式過(guò)熱器的煙量增加,煙溫也隨之升高,這兩具因素都使對(duì)流過(guò)熱器汽溫升高。但是,由于蒸汽量增加時(shí),爐膛溫度升高較少,輻射傳熱量的增加比蒸汽量增加所需的吸熱量增加要少,因此,當(dāng)蒸汽量增加,輻射式過(guò)熱器出口汽溫是下降的。 通過(guò)對(duì)流過(guò)熱器的受熱面積大于輻射過(guò)熱器的受熱面積,對(duì)流方式比輻射方式吸熱量為多,因此,總的汽溫將隨蒸汽量增加而升高。蒸汽量擾動(dòng)時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度動(dòng)態(tài)特性,但不用蒸汽量作為

11、過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)量,這里的蒸汽量代表鍋爐負(fù)荷,其大小由外部負(fù)荷決定。3.3.2.給水溫度正常情況下,給水溫度一般不會(huì)有大的變動(dòng);但當(dāng)高壓加熱器因故障退出運(yùn)行時(shí),給水溫度就會(huì)降低。對(duì)于直流鍋爐,若燃料不變,由于給水溫度降低時(shí),加熱段會(huì)加長(zhǎng)、過(guò)熱段縮短,因而過(guò)熱汽溫會(huì)隨之降低,負(fù)荷也會(huì)降低。3.3.3.過(guò)?？諝庀禂?shù)過(guò)?？諝庀禂?shù)的變化直接影響鍋爐的排煙損失。影響對(duì)流受熱面與輻射受熱面的吸熱比例。當(dāng)過(guò)?？諝庀禂?shù)增大時(shí),除排煙損失增加、鍋爐效率降低外爐膛水冷壁吸熱減少,造成過(guò)熱器進(jìn)口溫度降低、屏式過(guò)熱器出口溫度降低;雖然對(duì)流過(guò)熱器吸熱量有所增加,但在煤水比不變的情況下,末級(jí)過(guò)熱器出口汽溫會(huì)有所下降。過(guò)

12、剩空氣系數(shù)減小時(shí)的結(jié)果與增加時(shí)的相反。若要保持過(guò)熱汽溫不變,則需重新調(diào)整煤水比。3.3.4.煙氣側(cè)擾動(dòng)由于過(guò)熱器是一個(gè)熱交換器,過(guò)熱器出口汽溫反映了工質(zhì)從過(guò)熱器中帶走的熱量和從煙氣側(cè)吸收的熱量之間的平衡關(guān)系。當(dāng)煙氣流量或煙氣溫度發(fā)生擾動(dòng)時(shí),過(guò)熱蒸汽溫度發(fā)生變化。其特點(diǎn)是:有遲延、有慣性、有自平衡能力。由于煙氣側(cè)擾動(dòng)是沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度使煙氣傳熱量發(fā)生變化,所以過(guò)熱蒸汽溫度響應(yīng)較快,其遲延和慣性比其它擾動(dòng)要小,但一般不用煙氣側(cè)作為調(diào)節(jié)手段來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度。改變煙量或煙溫時(shí),會(huì)影響燃燒工況,與燃燒控制互相干擾,另外,煙氣側(cè)擾動(dòng)也將影響再熱蒸汽溫度?，F(xiàn)有電廠熱控系統(tǒng)僅用煙氣側(cè)作為調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度的手

13、段,而利用減溫水量來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)熱蒸汽溫度。3.3.5.火焰中心高度火焰中心高度變化造成的影響與過(guò)?？諝庀禂?shù)變化的影響相似。在煤水比不變的情況下,火焰中心上移類似于過(guò)?？諝庀禂?shù)增加,過(guò)熱汽溫略有下降;反之,過(guò)熱汽溫略有上升。若要保持過(guò)熱溫不變,亦需重新調(diào)整煤水比。3.3.7.受熱面結(jié)渣煤水比不變的調(diào)節(jié)下,爐膛水冷壁結(jié)渣時(shí),過(guò)熱汽溫會(huì)有所降低;過(guò)熱器結(jié)渣或積灰時(shí),過(guò)熱汽溫下降較明顯。前者情況發(fā)生時(shí),調(diào)整煤水比就可;后者情況發(fā)生時(shí),不可隨便調(diào)整煤水比,必須在保證水冷壁溫度不超限的前提下調(diào)整煤水比。對(duì)于直流鍋爐,在水冷壁溫度不超限的條件下,后四種影響過(guò)熱汽溫因素都可以通過(guò)調(diào)整煤水比來(lái)消除;所以,只要控制、

14、調(diào)節(jié)好煤水比,在相當(dāng)大的負(fù)荷范圍內(nèi),直流鍋爐的過(guò)熱汽溫可保持在額定值。此優(yōu)點(diǎn)是汽包鍋爐無(wú)法比擬的;但煤水比的調(diào)整,只有自動(dòng)控制才能可靠完成。3.3.8減溫水量擾動(dòng)采用噴水減溫時(shí),減溫水大多來(lái)自給水系統(tǒng)。在給水系統(tǒng)壓力增高時(shí),雖然減溫水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度未變,但這時(shí)減溫水量增加了,汽溫因而降低。噴水減溫器若發(fā)生泄漏,也會(huì)在并未操作減溫水調(diào)節(jié)閥的情況下,使減溫水量增大、汽溫降低。3.4設(shè)計(jì)原理工業(yè)過(guò)程的輸入變量有兩類:控制變量和擾動(dòng)變量?？刂仆ǖ篮蛿_動(dòng)通道的傳遞函數(shù):f s f f f s e s T K s G e s T K s G -+=+=1(;1(0000。其中,干擾時(shí)客觀存在的,它是影響系統(tǒng)

15、平穩(wěn)操作的因素,而操縱變量是克服干擾的影響,使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。操縱變量的基本原則為: 選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量,0K 盡量大; 在以上前提下,選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量,以便易于控制; 在的基礎(chǔ)上選擇對(duì)被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量,使控制系統(tǒng)響應(yīng)較快00T 盡量小; 綜合以上原則,選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。改變過(guò)熱器入口蒸汽溫度可以有效地調(diào)節(jié)過(guò)熱器出口蒸汽溫度,這是應(yīng)用較廣的一種汽溫調(diào)節(jié)手段,改變?nèi)肟谡羝麥囟瓤捎脟娝畞?lái)進(jìn)行。采用減溫器噴水減溫時(shí),要求有足夠的調(diào)節(jié)余量,一般在減溫器停運(yùn)、鍋爐出力最大時(shí)汽溫要高于給定值約304

16、0。 段段噴水調(diào)節(jié)門噴水減溫器(導(dǎo)前區(qū)(惰性區(qū)21W (a 減溫器有表面式和噴水式兩種。減溫器應(yīng)盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處,但一定要考慮過(guò)熱器材科的安全問(wèn)題,這樣能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特蛀。但作為控制對(duì)象的過(guò)熱器,由于管壁金屬的熱容量比較大,使之有較大的熱慣性。加上管道較長(zhǎng)有一定的傳遞滯后,如果用上圖所示的控制系統(tǒng),控制器接受過(guò)熱器出口蒸汽溫度變化后,控制器才開(kāi)始動(dòng)作,去控制減溫水流量的變化又要經(jīng)過(guò)一段時(shí)向才能影響到蒸汽溫度這樣,既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動(dòng),又不能及時(shí)反映控制的效果,將使蒸汽溫度發(fā)生不能允許的動(dòng)態(tài)偏差。影響鍋爐生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。四.方案論證4.1串級(jí)控制方案過(guò)熱器出口蒸汽溫度串級(jí)控制

17、系統(tǒng)如下圖所示。采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器,這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起,各有其特殊任務(wù),調(diào)節(jié)閥直接受控制器TC2的控制,而控制器TC2的給定值受到控制器TC1的控制,形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng),由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào)出口蒸汽溫度,形成的閉環(huán)稱為主環(huán),可見(jiàn)副環(huán)是串在主環(huán)之中?？刂破鱐C1稱主調(diào)節(jié)器,控制器TC2稱為副調(diào)節(jié)器。將過(guò)熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào),不是用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥而是用來(lái)改變控制器TC1的給定值,起著最后校正作用。 由如下串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖可知,主控制器的輸出即副控制器的給定,而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的,是一個(gè)定制,因

18、此,主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng);而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的,它隨主控制器輸出變化而變化,因此,副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制方案特點(diǎn):串級(jí)系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng),實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來(lái),通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作,使一個(gè)被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小,工作頻率高,而主環(huán)慣性大,工作頻率低。串級(jí)控制系統(tǒng)可以看作一個(gè)閉合的副回路代替了原來(lái)的一部分對(duì)象,起了改善對(duì)象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外,還提高了系統(tǒng)的工作頻率,加快過(guò)渡過(guò)程。在爐溫過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中,為了獲得更好的控制精度,所以采用串級(jí)控制系統(tǒng)以得到良好的控制特性。4.2前饋

19、-反饋控制方案為改善調(diào)節(jié)品質(zhì),引入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào),組成汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的又一種策略。由汽溫被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可知,導(dǎo)前汽溫可以提前反映擾動(dòng),取其微分信號(hào)引入調(diào)節(jié)器后,由于微分信號(hào)動(dòng)態(tài)時(shí)不為零穩(wěn)態(tài)時(shí)為零,所以動(dòng)態(tài)時(shí)可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前,穩(wěn)態(tài)時(shí)可使過(guò)熱器出口汽溫等于給定值,從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。將減溫器出口溫度的微分信號(hào)作為前饋信號(hào),與過(guò)熱器出口溫度相加后作為過(guò)熱器溫度控制器測(cè)量,當(dāng)減溫器出口溫度有變化時(shí),才引入前饋信號(hào)。穩(wěn)定工況下,該微分信號(hào)為零,與單回路控制系統(tǒng)相同。如下圖,TY是微分器。 前饋-反饋控制系統(tǒng)圖 前饋反饋控制系統(tǒng)方框圖副回路: 主回路: 前饋-反饋控制方案特點(diǎn)1.引入導(dǎo)前微分信號(hào)

20、縮短了遲延時(shí)間,等效地改善了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,遲延時(shí)間縮短后,可控性變好,控制品質(zhì)將得到改善。2.采用導(dǎo)前微分信號(hào)相當(dāng)于串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的變形。3. 當(dāng)減溫器出口溫度有變化時(shí),引入前饋信號(hào)。前饋控制可以使減溫器出口溫度的擾動(dòng)消滅于萌芽中,當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后,過(guò)熱器出口溫度還未變化以前,根據(jù)擾動(dòng)作用的大小對(duì)減溫器給水量進(jìn)行超前控制,補(bǔ)償了擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。這樣的控制很及時(shí),而且不受系統(tǒng)滯后的影響。比較以上兩種方案,以下設(shè)計(jì)中對(duì)前饋-反饋控制方案補(bǔ)充設(shè)計(jì)。五.控制系統(tǒng)方案及分析5.1系統(tǒng)方案在大型鍋爐中,過(guò)熱器管道較長(zhǎng),結(jié)構(gòu)亦復(fù)雜,為了改善控制品質(zhì),一般采用分段控制,即將整個(gè)過(guò)熱器分成若干段,每段

21、設(shè)置一個(gè)減溫器,分別控制各段的汽溫,以維持主汽溫為給定值。由于鍋爐調(diào)節(jié)中,受到許多因素變化的影響,只靠煤水比的粗調(diào)還不夠;另外,還可能出現(xiàn)過(guò)熱器出口左、右側(cè)溫度偏差。因此,在后屏過(guò)熱器的入口和高溫過(guò)熱器(末級(jí)過(guò)熱器的入口分別布置了一級(jí)和二級(jí)減溫水(每級(jí)左、右各一。噴水減溫器調(diào)溫惰性小、反應(yīng)快,開(kāi)始噴水到噴水點(diǎn)后汽溫開(kāi)始變化只需幾秒鐘,可以實(shí)現(xiàn)精確的細(xì)調(diào)。所以,在整個(gè)鍋爐負(fù)荷范圍內(nèi),要用一、二級(jí)噴水減溫來(lái)消除煤水比調(diào)節(jié)(粗調(diào)所存在的偏差,以達(dá)到精確控制過(guò)熱汽溫的目的。必須注意的是,要嚴(yán)格控制減溫水總量,盡可能少用,以保證有足夠的(22s W s W s W s W s W s W f z T d

22、 m D (211s W s W s W s W s W s W D f z T m D 水量冷卻水冷壁;投用時(shí),盡可能多投一級(jí)減溫水,少投二級(jí)減溫水,以保護(hù)屏式過(guò)熱器。 分段形式的前饋-反饋控制系統(tǒng)圖5.2系統(tǒng)控制參數(shù)確定5.2.1.被控變量與操縱變量的選擇(1主被控變量的選擇主被控變量是串級(jí)控制系統(tǒng)中要保持平穩(wěn)控制的主要被控變量。串級(jí)控制系統(tǒng)主被控變量選擇應(yīng)遵循以下原則:.盡量選擇能直接反映產(chǎn)品質(zhì)量的變量作為主被控變量;.所選的主被控變量能滿足生產(chǎn)工藝穩(wěn)定、安全、高效的要求;控制通道的Ko盡量大,o/To應(yīng)盡量小;過(guò)程的To/Tf應(yīng)盡量小擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離主被控變量。綜合以上原則

23、,應(yīng)選擇過(guò)熱器出口蒸汽溫度即送入負(fù)荷設(shè)備的出口蒸汽溫度作為主變量。直接反應(yīng)控制目的。(2副被控變量的選擇副被控變量是串級(jí)控制系統(tǒng)的輔助被控變量,是副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則:應(yīng)盡量包含生產(chǎn)過(guò)程中主要的、變化劇烈、頻繁的和幅度大的擾動(dòng),并力求包含盡可能多的擾動(dòng);應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配;應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型。綜合以上原則,選擇減溫器和過(guò)熱器之間的蒸汽溫度作為副被控變量。(3操縱變量的選擇工業(yè)過(guò)程的輸入變量有兩類:控制變量和擾動(dòng)變量。其中,干擾時(shí)客觀存在的,它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素,而操縱變量是克服干擾的影響,使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)

24、行的因素。操縱變量的基本原則為: 操縱變量必須是工藝上允許調(diào)節(jié)的變量;選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量,即Ko 盡量大;選擇對(duì)被控變量有較快響應(yīng)的操縱變量,即過(guò)程的o/To 應(yīng)盡量小;過(guò)程的To/Tf 應(yīng)盡量小,使過(guò)程的Kf*F 盡量小;工藝的合理性和與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性相結(jié)合。綜合以上原則,應(yīng)選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。5.2.2.檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的選擇檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)(流量、壓力、溫度、物位、成分等經(jīng)檢測(cè)變送單元轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。要求準(zhǔn)確、迅速、可靠。檢測(cè)變送儀表的量程應(yīng)滿足讀數(shù)誤差的精度要求,同時(shí)應(yīng)盡量選用線性特性。儀表量程越大,Km 越小,而量程

25、越小則Km 越大?？刂苾x表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng),電動(dòng)I 型、II 型、III 型,單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng)II 型、III 型。在串級(jí)控制系統(tǒng)中,選用的儀表不同,具體的實(shí)施方案也不同。電動(dòng)III 型和電動(dòng)II 型儀表就其功能來(lái)說(shuō)基本相同,但是其控制信號(hào)不相同,控制II 型典型信號(hào)為段段噴水調(diào)節(jié)門噴水減溫器(導(dǎo)前區(qū)(惰性區(qū)W (a ,而電動(dòng)III 型儀表的典型信號(hào)為mADC 204,此外。III型儀表較II 型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷,同時(shí)III 型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路,使得手動(dòng)切換非常方便,隨時(shí)都可以進(jìn)行切換,且保證無(wú)擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)

26、III 型儀表。5.2.3.執(zhí)行器的選擇控制閥是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分,其作用是根據(jù)控制器輸出的信號(hào),直接控制能量或物料等介質(zhì)的輸送量,達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的。在本控制系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是按照控制器所給定的信號(hào)大小和方向,改變閥的開(kāi)度,以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。(1.調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式選擇對(duì)于一個(gè)具體的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),該選擇氣開(kāi)閥還是氣關(guān)閥,即在閥的氣源信號(hào)發(fā)生故障或控制系統(tǒng)某環(huán)節(jié)失靈時(shí),閥出于全開(kāi)的位置安全,還是處于全關(guān)的位置安全,要有具體的生產(chǎn)工藝決定,應(yīng)遵循以下幾條原則選擇:首先要從安全生產(chǎn)出發(fā),當(dāng)氣源供氣中斷,或調(diào)節(jié)閥出故障而無(wú)輸出等情況下,應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)

27、備的安全,不至發(fā)生事故;從保證產(chǎn)品質(zhì)量:當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí),不應(yīng)降低產(chǎn)品的質(zhì)量;從盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗;綜合以上各種因素,在鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中,選擇調(diào)節(jié)閥為氣開(kāi)閥,即Kv>0 (2.調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行原則,擾動(dòng)或設(shè)定變化時(shí),控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)各開(kāi)環(huán)增益之積基本恒定;控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行的條件是控制系統(tǒng)總開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的模基本恒定。在實(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性和快開(kāi)特性三種,在本系統(tǒng)中選擇調(diào)節(jié)閥的流量特性為線性特性。(3調(diào)節(jié)閥的口徑大小的選擇,確定控制閥口徑大小也是選用控制閥的一個(gè)重要內(nèi)容,

28、其主要依據(jù)閥的流通能力。正常工況下要求控制閥開(kāi)度處于15%85%之間。因此不宜將控制閥選得過(guò)小或者過(guò)大;否則,可能會(huì)使控制閥運(yùn)行在全開(kāi)時(shí)的非線性飽和工作狀態(tài),系統(tǒng)失控;或者閥門經(jīng)常處于小開(kāi)度的工作狀態(tài),造成流體對(duì)閥芯、閥座嚴(yán)重腐蝕,甚至引起控制閥失靈。(4閥門定位器的選擇閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置,與調(diào)節(jié)閥配套使用,它接受控制器來(lái)的信號(hào)作為輸入信號(hào),并以其輸出信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥,同時(shí)將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng),閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦,從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;閥門定位器增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率,減

29、少了系統(tǒng)的傳遞滯后,加快閥桿的移動(dòng)速度;閥門定位器還可以改善控制閥的流量特性。5.2.4.控制規(guī)律及控制器作用方向的選擇(1控制器控制規(guī)律的選擇通過(guò)以上設(shè)計(jì)可知,本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)為串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)中,主、副控制器所起的作用是不同的,主控制器起定值控制作用,副控制器對(duì)主控制器輸出起隨動(dòng)控制作用,而對(duì)擾動(dòng)作用起定值控制作用。因此,朱控制變量要求無(wú)余差,副被控變量可以在一定范圍內(nèi)變動(dòng)。為使串級(jí)控制系統(tǒng)穩(wěn)定,主控制器通常選用比例積分控制器,對(duì)于本系統(tǒng)由于控制通道容量滯后較大,為克服容量滯后,選用比例積分微分控制器作為主控制器。副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化,為了加

30、快跟蹤,副控制器一般不帶積分作用。故選擇副控制器為比例控制器。(2主、副控制器正、反作用選擇對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng),主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。控制閥:由上文可知,Kv>0;副被控對(duì)象:閥開(kāi)度增大,減溫水量增加,副被控對(duì)象即減溫器后端溫度降低,因此Kp2<0; 副控制器:為保證負(fù)反饋,應(yīng)滿足Kc2*Kv*Kp2*Km2>0,而Km2>0,所以Kc2<0,即應(yīng)選副控制器為正作用控制器。主被控對(duì)象:減溫器后端溫度升高,過(guò)熱器出口溫度升高,因此,Kp1>0;主控制器:為保證負(fù)反饋,應(yīng)滿足Kc1*Kp1*Km1>0,而Km1>0,所以Kc1

31、>0,即應(yīng)選主控制器為反作用控制器?？刂破骺刂埔?guī)律選擇:因前饋中有微分環(huán)節(jié),若出現(xiàn)干擾,微分環(huán)節(jié)已經(jīng)有大輸出,而在反饋控制中,為了實(shí)現(xiàn)無(wú)余差,準(zhǔn)確控制過(guò)熱器出口溫度,故控制器選用比例積分器。六、串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定參數(shù)整定,就是通過(guò)調(diào)整控制器的參數(shù),改善控制系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性,找到最佳的調(diào)節(jié)過(guò)程,使控制品質(zhì)最好。串級(jí)控制系統(tǒng)常用的參數(shù)整定方法有3種:逐步逼近法、兩步法和一步法。本串級(jí)控制系統(tǒng)選用逐步逼近法,具體整定步驟如下:1、首先斷開(kāi)主環(huán),閉合副環(huán),按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法(通常有經(jīng)驗(yàn)整定法、臨界比例度法、衰減曲線法、反應(yīng)曲線法整定副控制器參數(shù)。2、閉合主、副回路,保持上一步

32、取得的副控制器參數(shù),按單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器參數(shù)。3、在閉合主、副回路,在主控制器參數(shù)保持的情況下,再次調(diào)整副控制器參數(shù)。4、至此,已完成一個(gè)循環(huán),如控制品質(zhì)未達(dá)到規(guī)定指標(biāo),返回2繼續(xù)。七.控制儀表的選擇控制儀表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng),電動(dòng)I 型、II 型、III 型,單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng)II 型、III 型。電動(dòng)III 型和電動(dòng)II 型儀表就其功能來(lái)說(shuō)基本相同,但是其控制信號(hào)不相同,控制II 型典型信號(hào)為mADC 100,而電動(dòng)III 型儀表的典型信號(hào)為mADC 204,此外。III 型儀表較II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷,同時(shí)III型儀

33、表還具有完善的跟蹤、保持電路,使得手動(dòng)切換非常方便,隨時(shí)都可以進(jìn)行切換,且保證無(wú)擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)III型儀表。八.控制系統(tǒng)圖及說(shuō)明8.1 控制系統(tǒng)圖附圖-過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)圖8.2 說(shuō)明1、對(duì)鍋爐設(shè)備熱工參數(shù)進(jìn)行檢測(cè),上盤顯示:儀表盤上標(biāo)號(hào)各自對(duì)應(yīng)的參數(shù)如下;、鍋爐給水壓力,15MPa、飽和蒸汽壓力,12MPa、過(guò)熱蒸汽壓力,11MPa、爐膛負(fù)壓,-70Pa、鼓風(fēng)機(jī)出口壓力,4KPa、一級(jí)過(guò)熱器出口溫度,540、一級(jí)過(guò)熱器前煙氣溫度,960、上級(jí)省煤器后煙氣溫度,470、下級(jí)空氣預(yù)熱器后煙氣溫度,160、引風(fēng)機(jī)入口煙氣溫度,150、給水流量,150t/h、過(guò)熱蒸汽流量,143t/h、鍋爐汽包水位, 300mm其中,(6即圖中的601,也為串級(jí)的標(biāo)號(hào)。2、對(duì)于溫度檢測(cè)器,需要有溫度傳感器,在儀表內(nèi),用虛線;對(duì)于顯示表,在控制室,用實(shí)線;對(duì)