lzh課程設(shè)計(jì)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制

1、 過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 院系：化工學(xué)院化工機(jī)械系 班級(jí)：10自動(dòng)化（1） 姓名：李 正 智 學(xué)號(hào)：1 0 2 0 3 0 1 0 1 6 日期：2013/12/2-2013/12/15 指導(dǎo)老師：王淑欽老師 引言蒸汽溫度是鍋爐安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要參數(shù)，因此對(duì)蒸汽溫度控制要求嚴(yán)格。過(guò)高的蒸汽溫度會(huì)造成過(guò)熱器、蒸汽管道及汽輪機(jī)因過(guò)大的熱應(yīng)力變形而毀壞；蒸汽溫度過(guò)低，又會(huì)引起熱效率降低，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。鍋爐控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，并且可靠性也不高。本次課程設(shè)計(jì)的主要目的是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)

2、計(jì)。蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的。過(guò)熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(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)，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低，對(duì)鍋爐運(yùn)行及蒸汽設(shè)備是不利的。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。一般規(guī)定過(guò)熱器的溫度與規(guī)定值的暫時(shí)偏差不超過(guò)±10，長(zhǎng)期偏差不超過(guò)±5【1】。如果過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則會(huì)降低電廠的工作效率，

3、同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據(jù)估計(jì)，溫度每降低5，熱經(jīng)濟(jì)性將下降約1%；且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。一般規(guī)定過(guò)熱汽溫下限不低于其額定值10。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過(guò)熱汽溫在540的范圍內(nèi)。由于汽溫對(duì)象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來(lái)許多的困難，其主要難點(diǎn)表現(xiàn)在以下三個(gè)方面： （1）影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負(fù)荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過(guò)剩空氣系數(shù)和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽溫變化。 （2）汽溫對(duì)象具有大延遲、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過(guò)熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了

4、汽溫控制的難度。 （3）汽溫對(duì)象在各種擾動(dòng)作用下（如負(fù)荷、工況變化等）反映出非線性、時(shí)變等特性，使其控制的難度加大。一生產(chǎn)工藝概述 1.1.鍋爐生產(chǎn)工藝介紹鍋爐是過(guò)程工業(yè)中必不可少的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可供生產(chǎn)過(guò)程作為熱源，而且還可作為蒸汽透平的動(dòng)力源。在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用燃料的種類(lèi)、燃燒設(shè)備、爐體形式、鍋爐功能和運(yùn)行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有各種不同的流程。常見(jiàn)鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如圖1.1所示2： 圖1.1 鍋爐設(shè)備主要工藝流程蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進(jìn)入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds ，然后

5、經(jīng)過(guò)熱器成一定汽溫的過(guò)熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給生產(chǎn)負(fù)荷使用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機(jī)送往煙筒排入大氣。 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的要求，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。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的水位平衡，使積水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)；鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要滿(mǎn)足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃料與空氣量保持一定的比值，保證燃燒

6、的經(jīng)濟(jì)性和鍋爐的安全運(yùn)行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)；過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過(guò)熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過(guò)工藝允許范圍；鍋爐水處理過(guò)程：主要使鍋爐給水的水性能指標(biāo)達(dá)到工藝要求。 1.2過(guò)熱器的介紹過(guò)熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進(jìn)一步加熱至過(guò)熱溫度的部件。過(guò)熱器概述：過(guò)熱蒸汽溫度的高低取決于鍋爐的壓力、蒸發(fā)量、鋼材的耐高溫性能以及燃料與鋼材的比價(jià)等因素，對(duì)電站鍋爐來(lái)說(shuō),低壓鍋爐的溫度一般為350375，過(guò)熱器前布置有大量對(duì)蒸汽管束，進(jìn)入過(guò)熱器的煙溫約在700上下。中壓鍋爐多為燒煤粉或重油的室燃爐，其過(guò)熱氣溫為450，這時(shí)的爐膛輻射傳熱的煙溫可達(dá)1

7、000左右3。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量和過(guò)熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當(dāng)有中間再過(guò)熱時(shí)，情況更為突出，這時(shí)必須把一部分過(guò)熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部分輻射熱。為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應(yīng)的提高過(guò)熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機(jī)膨脹終了的濕度就會(huì)過(guò)高，影響汽輪機(jī)的安全。但蒸汽溫度的增高要受到過(guò)熱器鋼材高濕強(qiáng)度性能的限制，因而采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹至某一中間壓力后，引到布置在鍋爐煙道內(nèi)的再熱器，再一次加熱升溫，然后又回到汽輪機(jī)的中、低壓缸，繼續(xù)膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許范圍內(nèi)。超高壓機(jī)組采用中

8、間再熱時(shí)，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟(jì)性相對(duì)提高6%8%，在實(shí)際設(shè)備中，由于有壓降損失，熱經(jīng)濟(jì)性的提高比理論值稍低。過(guò)熱器可以根據(jù)它所采用的傳熱方式分為對(duì)流過(guò)熱器、半輻射過(guò)熱器及輻射過(guò)熱器三種?，F(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過(guò)熱器主要由對(duì)流過(guò)熱器，屏式過(guò)熱器，包覆過(guò)熱器，頂棚過(guò)熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成。由于過(guò)熱器管壁金屬在鍋爐受壓部件中承受的溫度最高，因此必須采用耐高溫的優(yōu)質(zhì)低碳鋼和各種鉻鉬合金鋼等，在最高的溫度部分有時(shí)還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運(yùn)行中如果管子承受的溫度超過(guò)材料的持久強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度或表面氧化所容許的溫度限值，則會(huì)發(fā)生管子爆裂等事故。二蒸汽溫度控制系統(tǒng)的組成與對(duì)象靜動(dòng)態(tài)特性 2.1.過(guò)熱蒸汽溫度控

9、制的意義與任務(wù)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度是影響機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐的過(guò)熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過(guò)熱器出口的過(guò)熱蒸汽溫度是機(jī)組整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處。過(guò)熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過(guò)熱器正常運(yùn)行的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，容易損壞過(guò)熱器，也會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過(guò)大的熱膨脹而毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，將會(huì)降低機(jī)組的熱效率，一般蒸汽溫度降低5-10，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量，浪費(fèi)能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。另外，過(guò)熱汽

10、溫的降低還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓級(jí)部分蒸汽的焓值減小，引起反動(dòng)度增大，軸向推力增大，也對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行帶來(lái)不利的影響。所以，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低都是生產(chǎn)過(guò)程所不允許的。 2.2過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象的靜動(dòng)態(tài)特性 靜態(tài)特性鍋爐負(fù)荷與過(guò)熱汽溫的關(guān)系4鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，爐膛燃燒的燃料增加，但是，爐膛中的最高的溫度沒(méi)有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對(duì)變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說(shuō)負(fù)荷增加時(shí)每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對(duì)流熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對(duì)流放熱百分率將增大。因此，對(duì)于對(duì)流式過(guò)熱器來(lái)說(shuō)，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過(guò)熱器則具有相反的汽溫特

11、性，即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過(guò)熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性，但一般在采用這兩種過(guò)熱器串聯(lián)的鍋爐中，過(guò)熱器出口蒸汽溫度在某個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負(fù)荷的增加有所升高。過(guò)?？諝庀禂?shù)與過(guò)熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系過(guò)剩空氣量改變時(shí)，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。因此，當(dāng)增大過(guò)?？諝饬繒r(shí)將使過(guò)熱汽溫上升。給水溫度與汽溫關(guān)系提高給水的溫度，將使過(guò)熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過(guò)過(guò)熱器煙氣也就減少了。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過(guò)熱汽溫將下降。則是否投入

12、高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對(duì)過(guò)熱汽溫有顯著的影響。燃燒器的運(yùn)行方式與過(guò)熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會(huì)影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會(huì)影響過(guò)熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過(guò)熱汽溫將升高。 2.2.2 動(dòng)態(tài)特性目前，火電機(jī)組廠廣泛采用噴水減溫方式來(lái)控制過(guò)熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動(dòng)下，汽溫控制對(duì)象是有煙池、慣性和自平衡能力的。蒸汽流量擾動(dòng)下的蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性大型鍋爐都采用復(fù)合式過(guò)熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過(guò)對(duì)流式過(guò)熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負(fù)荷的增大而升高。

13、這兩個(gè)因素都使對(duì)流式過(guò)熱器的氣溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過(guò)熱器的熱量比鍋爐蒸汽量增加所需熱量少，因此使輻射式過(guò)熱器出口溫度下降?？梢?jiàn)，這兩種型式的過(guò)熱器對(duì)蒸汽流量的擾動(dòng)的反映恰好相反，只要設(shè)計(jì)上配合得當(dāng)，就能使過(guò)熱其出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在生產(chǎn)實(shí)踐中，通常把對(duì)流式過(guò)熱器與輻射式過(guò)熱器結(jié)合使用，還增設(shè)屏式過(guò)熱器，且對(duì)流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量多，綜合而言，過(guò)熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2-1（a）所示。蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，沿過(guò)熱器長(zhǎng)度上各點(diǎn)的溫度幾乎是同時(shí)變化的，延遲時(shí)間較小，約為15s左右。圖2-1 在

14、擾動(dòng)下溫度的變化曲線煙氣側(cè)熱量擾動(dòng)下蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線如圖2-1（a）所示。它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類(lèi)似。蒸汽溫度在減溫水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的過(guò)熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動(dòng)地點(diǎn)（過(guò)熱器入口）與測(cè)量蒸汽溫度的地點(diǎn)（過(guò)熱器出口）之間有著較大的距離，此時(shí)過(guò)熱器是一個(gè)有純滯后的多容對(duì)

15、象。.動(dòng)態(tài)曲線圖如圖2-1（b）所示。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，要隔較長(zhǎng)時(shí)間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時(shí)間比較大，滯后時(shí)間約為30-60s。綜上所述，可歸納出以下幾點(diǎn)：（1）過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)象不管在哪一種擾動(dòng)下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€(gè)輸入?yún)?shù)（擾動(dòng)），其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程十分復(fù)雜。（2）在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點(diǎn)之間的距離，可以改善其動(dòng)態(tài)特性。（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動(dòng)下，蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較好。三過(guò)熱蒸汽溫度控制原理簡(jiǎn)介過(guò)熱蒸汽溫度控制

16、系統(tǒng)采用兩級(jí)噴水減溫，這樣做的目的有兩個(gè)，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護(hù)過(guò)熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過(guò)熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來(lái)調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化，為粗調(diào)。另外它還有保護(hù)屏式過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器受熱面的作用。第二級(jí)噴水減溫器布置在高溫對(duì)流過(guò)熱器（末級(jí)過(guò)熱器）之前，這一級(jí)熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。減溫器共有四只，每級(jí)安裝兩只，每只噴水量為每級(jí)噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過(guò)熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)

17、有兩種：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)和串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)5。 3.1單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用。由圖3.1可知，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的。圖3.1 單回路控制系統(tǒng)原理圖理論上減溫器應(yīng)盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但需在過(guò)熱器材料安全的基礎(chǔ)上，這樣會(huì)得到較好的動(dòng)態(tài)特性。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，使其有較大的熱慣性，加上管道有一定較長(zhǎng)時(shí)間的傳遞滯后，同時(shí)在單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器在接受過(guò)熱器出口蒸汽溫度的變化后，調(diào)節(jié)器才會(huì)開(kāi)始動(dòng)作，去控制減溫水的水流量變化又要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能影響到蒸汽溫度的變化，這樣既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)，又不能及時(shí)反映控

18、制的效果，將使蒸汽溫度發(fā)生不能允許的動(dòng)態(tài)偏差，即使整個(gè)系統(tǒng)采用PID算法。這樣的控制方案會(huì)影響到鍋爐生產(chǎn)的安全，而且還不夠經(jīng)濟(jì)。 3.2串級(jí)控制系統(tǒng)由圖3.2可以看出，鍋爐蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起的；兩級(jí)調(diào)節(jié)器各有其特殊的任務(wù)，調(diào)節(jié)器1直接控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作，同時(shí)調(diào)節(jié)器2控制著調(diào)節(jié)器1的設(shè)定值，從而形成了特殊的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中副環(huán)由調(diào)節(jié)器1和減溫水出口溫度組成，調(diào)節(jié)器2和出口蒸汽溫度形成的閉環(huán)為主環(huán)。主環(huán)和副環(huán)一起構(gòu)成了一個(gè)完整的串級(jí)控制系統(tǒng)。其中調(diào)節(jié)器1為副調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)器2。圖3.2 過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)原理圖串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖3.3所示，具有內(nèi)外兩個(gè)

19、回路。內(nèi)回路由導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對(duì)象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路組成。由圖可知，主調(diào)節(jié)器的輸出即副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥。其中主調(diào)節(jié)器的的給定值使是一個(gè)定值，所以主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。而副回路的給定值是由主調(diào)節(jié)器的輸出給定的，所以它隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化，為一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。圖3.3串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，通過(guò)減溫水的控制達(dá)到控制蒸汽溫度的效果。由于汽溫對(duì)象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用PID控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律。在主、副調(diào)節(jié)器均具有PI控制規(guī)律的情況

20、下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零。從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和實(shí)用性。再者，在串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調(diào)節(jié)器為主導(dǎo)，保證主變量為目的，在整個(gè)控制過(guò)程兩個(gè)調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來(lái)自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進(jìn)行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)調(diào)。相對(duì)于過(guò)于簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)越。具體體現(xiàn)在：由于副回路的存在，減少了控制對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加明顯；在一定程度上提高了系統(tǒng)的工作頻率，使震蕩周期明顯縮短，調(diào)節(jié)時(shí)間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對(duì)增強(qiáng)了；整個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)二次干擾即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)具有很

21、強(qiáng)的克服能力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的；對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)更適應(yīng)鍋爐蒸汽溫度的控制。四過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定主變量的選擇根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反映控制目的的參數(shù)為主變量；其次，要選擇與控制目的有某些單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；最后，所選的主變量必須要足夠的變化靈敏度。所以，在本系統(tǒng)中需選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口溫度作為主變量。該參數(shù)可以直接反映本系統(tǒng)的控制目的。4.1.2副變量的選擇副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的

22、干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動(dòng)。同時(shí)要求主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。并且應(yīng)保證副變量的選擇能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性。綜上所述，應(yīng)選擇減溫器和過(guò)熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。4.1.3操縱變量的選擇控制變量和擾動(dòng)變量是工業(yè)過(guò)程的兩大輸入變量。其中，干擾時(shí)刻存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服干擾的影響，是系統(tǒng)能重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。選擇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量作為操縱變量；在的前提下，選

23、擇變化范圍較大的輸入量作為控制變量，以便于控制；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；綜上所述，應(yīng)選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。 4.2執(zhí)行器的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號(hào)大小和方向，改變閥門(mén)的開(kāi)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑大小，直接決定著控制介質(zhì)流過(guò)它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。在正常工況下一般要求調(diào)節(jié)閥開(kāi)度應(yīng)處于15%85%之間，具體應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要的流通能力的大小進(jìn)行選擇。 調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動(dòng)方式可分為：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)

24、閥，即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以電為動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動(dòng)力的電液動(dòng)調(diào)節(jié)閥；由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有防爆要求，所以應(yīng)選擇氣動(dòng)執(zhí)行器。此設(shè)計(jì)中的串級(jí)控制系統(tǒng)主要是通過(guò)換熱來(lái)達(dá)到控制的目的，過(guò)熱蒸汽在過(guò)熱器內(nèi)與減溫水進(jìn)行熱交換被冷卻，調(diào)節(jié)閥安裝在減溫水的管道上，用換熱后的蒸汽溫度來(lái)控制減溫水的水量，在氣源中斷時(shí)，調(diào)節(jié)閥應(yīng)處于開(kāi)啟位置更安全些，宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。 4.3控制儀表的選擇4.3.1溫度變送器的選擇溫度變送器可分為電動(dòng)和氣動(dòng)，常用的控制儀表有電動(dòng)型、型。再串級(jí)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)型和電動(dòng)型儀表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信

25、號(hào)而言是存在差異的。具體表現(xiàn)在：電動(dòng)型的典型控制信號(hào)為010mADC,電動(dòng)型的典型控制信號(hào)時(shí)420mADC。另外，與型儀表相比型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷，同時(shí)型儀表還有較完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換更為方便，隨時(shí)都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而且保證無(wú)干擾。綜上所述，在本設(shè)計(jì)中需選用電動(dòng)型儀表。4.3.2溫度傳感器的選擇 溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種。在本設(shè)計(jì)中，最好選用熱電偶溫度傳感器。原因在于熱電偶的測(cè)溫范圍廣（2001300,特殊情況下2702800），耐高溫，精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更換方便，壓簧式感溫元件，抗震性能好，可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度6。熱電阻也可以作為溫度傳感

26、元件。大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來(lái)測(cè)溫，稱(chēng)為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類(lèi)。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使用熱電偶時(shí)，由于冷端暴露在空氣中，受周?chē)h(huán)境溫度波動(dòng)的影響，且距熱源較近，其溫度波動(dòng)也較大，給測(cè)量帶來(lái)誤差，為了降低這一影響，通常用補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是將熱電偶的冷端延長(zhǎng)到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較穩(wěn)定的地方。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用如圖4.1所示。用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長(zhǎng)

27、到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒(méi)有完全解決冷端溫度補(bǔ)償問(wèn)題，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點(diǎn)調(diào)整法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法。采用熱電阻法測(cè)量溫度時(shí)，一般將電阻測(cè)溫信號(hào)通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成電壓，當(dāng)熱電阻的鏈接導(dǎo)線很長(zhǎng)時(shí)，導(dǎo)線電阻對(duì)電橋的影響不容忽視。為了消除導(dǎo)線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，不管熱電阻和測(cè)量一邊之間的距離遠(yuǎn)近，必須使導(dǎo)線電阻的阻值符合規(guī)定的數(shù)值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時(shí)，熱電阻必須用三線接法，如圖4.2所示，熱電阻用三根導(dǎo)線引出，一根連接電源，不影響電橋平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對(duì)電橋的影響大致抵消。 圖4.1

28、補(bǔ)償導(dǎo)線的作用圖4.2 熱電阻三線制接法具有采用K型熱電偶。原因在于：K型熱電偶可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從0到1300范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。K型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能用于氧化性惰性氣氛中。 4.4主、副控制器控制規(guī)律的選擇由于在控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對(duì)它們各自的選擇也應(yīng)有不同的考慮。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對(duì)象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同

29、時(shí)又有主要擾動(dòng)落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動(dòng)作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動(dòng)，而且副參數(shù)并不要求無(wú)差，所以一般都選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。 4.5控制器正、反作用的選擇對(duì)于一個(gè)完整的串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器的正、反作用的判斷應(yīng)該是先副后主。副回路的正、反作用的選擇：副回路的具體情況決定了副控制器的正、反作用，而與主回路無(wú)關(guān)。為了使副回路能構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以副回路的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)符號(hào)必須是“正”。即副回路中所有環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)符號(hào)的

30、乘積為“正”。在本串級(jí)控制系統(tǒng)中隨著調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度增加，減溫水的流量會(huì)隨之增加，副對(duì)象即減溫器后端蒸汽會(huì)有一定幅度的降低，所以調(diào)節(jié)閥對(duì)副對(duì)象的作用為負(fù)；而調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)閥，其控制作用為負(fù)；變送器的控制作用均為正，為了保證開(kāi)環(huán)放大系數(shù)乘積的符號(hào)為“負(fù)”，所以副調(diào)節(jié)器的控制作用符號(hào)需為“正”，即副調(diào)節(jié)器的控制作用為反作用。主回路的正、反作用的選擇：與副回路相同，主回路中主控制器的正、反作用要根據(jù)主回路所包括的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況來(lái)確定，同時(shí)由于副回路是一隨動(dòng)系統(tǒng)，所以可將整個(gè)副回路視為一放大系數(shù)為負(fù)的環(huán)節(jié)來(lái)對(duì)待。在本系統(tǒng)中，隨著調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度增加，主對(duì)象即過(guò)熱器出口的蒸汽溫度會(huì)降低，所以主對(duì)象的放大倍數(shù)的符號(hào)

31、為負(fù)，為了保證開(kāi)環(huán)放大系數(shù)乘積的符號(hào)為“正”，所以主控制器的控制作用符號(hào)“正”，即控制器的控制作用為反作用。 4.6 過(guò)熱器溫度聲光報(bào)警 溫度是熱水鍋爐運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)，對(duì)它的測(cè)量和控制是保證熱水鍋爐安全運(yùn)行的重要手段。一般采用溫度控制器和聲光信號(hào)組成超溫報(bào)警裝置。五MATLAB simulink仿真 以某300MW機(jī)組過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為例，由資料【7】可得出過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象的的傳遞函數(shù)為：其中減溫器與過(guò)熱器之間的控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為： 過(guò)熱蒸汽出口控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為：5.1則采用串級(jí)控制時(shí)的系統(tǒng)框圖建立與仿真結(jié)果當(dāng)階躍輸入為1時(shí)，過(guò)熱器與減溫器之間的溫度輸出曲線為：當(dāng)階躍輸入為

32、1時(shí)，過(guò)熱蒸汽出口溫度輸出曲線為： 由兩曲線課看出，輸出的穩(wěn)態(tài)誤差較大，并且調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，不能達(dá)到理想的控制效果。5.2采用PID串級(jí)控制時(shí)的系統(tǒng)框圖建立與仿真結(jié)果 內(nèi)環(huán)Kp=10 Ki=0.1 Kd=0 外環(huán)Kp=0.5 Ki=0.01 Kd=0當(dāng)階躍輸入為1時(shí)，過(guò)熱器與減溫器之間的溫度輸出曲線為：當(dāng)階躍輸入為1時(shí)，過(guò)熱蒸汽出口溫度輸出曲線為： 當(dāng)采用PID串級(jí)控制時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及調(diào)節(jié)時(shí)間變小，但在個(gè)人嘗試多次后在控制效果上還是未能達(dá)到理想的效果。六設(shè)計(jì)心得 通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，鍋爐設(shè)備有了更全面的了解和認(rèn)識(shí)，尤其是用AUTO CAD軟件繪制鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)的過(guò)程，使我對(duì)鍋爐設(shè)備各個(gè)部分有了更清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)工程畫(huà)圖有了熟練的掌握。鍋爐設(shè)備根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求，可以有多重不同的控制系統(tǒng)，而我們組的任務(wù)是設(shè)計(jì)鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)方案的分析與論證，我們選用串級(jí)控制系統(tǒng)，這使我對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)有了更詳細(xì)更深如的了解和認(rèn)識(shí)。我個(gè)人設(shè)計(jì)沒(méi)有太多的改變書(shū)中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，幾乎按照課本過(guò)程控制系統(tǒng)提供的步驟進(jìn)行，這使我，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)從方案到各種變量的選擇、再到各個(gè)環(huán)節(jié)的選擇及參數(shù)確定、最后到參數(shù)整定，整個(gè)過(guò)程有了更清晰的把握，對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了一個(gè)比較清晰的輪廓，這對(duì)于我以后的工作將有很大的影響。 當(dāng)然，設(shè)計(jì)中也遇到了不少的問(wèn)題，尤其是知識(shí)的欠缺。很多東西，雖然學(xué)了