过程控制与自动化仪表课件 第10章_典型过程控制系统设计

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1、 第10章 典型生产过程控制与工程设计本章要点本章要点1）了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们 的控制方案； 2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法； 3）了解精馏塔的控制任务, 熟悉各变量之间 的关系； 4）掌握精馏过程控制系统的设计方法； 5）了解工程设计的基本要求与基本内容； 6）了解项目报告、施工图的设计方法以及抗 干扰问题的解决方案。10.110.1典型生产过程控制典型生产过程控制 10.1.110.1.1电厂锅炉的过程控制电厂锅炉的过程控制一、火力发电厂的生产流程一、火力发电厂的生产流程火力发电厂外观在火力发电厂，最基本的工艺 过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机 运转，进而带动发电机发

2、电。 汽轮发电机组锅炉控制是火力发电生产过程自 动化的重要组成部分。它的主要任务 是根据负荷设备（汽轮机）的需要， 供应一定规格（压力、温度、流量和 纯度）的蒸汽。 二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。 ）重点以锅炉汽包水位控 制、过热蒸汽温度控制、锅 炉燃烧控制为例讨论它们的 控制方案。1汽轮机高压缸； 2汽轮机中、低压 缸；3汽包；4 炉膛；5烟道；6 发电机；7冷凝 器；8补充水；9 凝结水泵；10 循环水泵；11低 压加热器；12除 氧器；13给水泵 ；14高压加热器 ；15给水调节机 构；16省媒器； 17过热器；18 减温器；19汽机高压

3、调汽门；20再热器；21再热器减 温器；22汽机中压调汽门；23媒粉仓；24燃 料量控制机构；25喷燃器；26送风机；27空 气预热器；28调风门；29水冷壁管；30引风 机；31烟道挡板。10.1.1.1 10.1.1.1 汽包水位控制汽包水位控制1.汽包水位控制的重要性将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标， 也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。 2.汽包水位的控制方案 一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被 控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈反馈串级控制系统。 采用这种控制方案的理由分析如下： （1）单冲量水位控制方案 以汽包水位为

4、被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系 统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给 水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。）。（2）双冲量水位控制方案 如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动 作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流 量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。 图101 双冲量控制系统流程图及方框图显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善 ，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号 构成三冲量串级控制系统。 （3） 三冲量串级控制方案 该控制系统由主、副两个调

5、节器和三 个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水 流量）构成。其中，主调节器为水位 调节器，副调节器为给水流量调节器 ，蒸汽流量为前馈信号。图102 汽包水位三冲量串级控制系统流程图三冲量前馈反馈串级控制系统在 克服虚假水位的影响、维持水位稳 定、提高给水控制质量等多方面都 优于前述两种控制系统，是现场广 泛采用的汽包水位控制方案。10.1.1.210.1.1.2 过热蒸汽温度控制 过热蒸汽温度控制1控制要求与过程特性过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在5的范围内。 过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内 。影响过热蒸汽温度的外界因 素很多，例如蒸汽流量、减温

6、 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 蒸汽的温度。各种阶跃干扰对 过热蒸汽温度的阶跃响应曲线 如左图所示。 图103 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线由左图可知，在各种阶跃干 扰作用下，其动态特性都有时 延和惯性，只是时延和惯性的 大小不同而已。 2控制变量的选择与控制方案的确定由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量； 若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制 造带来困难，也不宜作为控制变量； 若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是： 减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；在工艺上，锅 炉给水与减温水常

7、常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。 针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要 求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。 一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。 图104 过热蒸汽温度串级控制该控制系统是将减温器后的汽温信号烟道气）而偏离给定值时，主汽温信 经测量、变送反馈至主调节器， 器随之动作，控制调节阀,从而使主汽作为副被控参数构成副回路，当减温水自身出现波动时， 比主汽温 能提前感受到它的影响，并使副调节 器及时动作，使减温水的干扰能够及 时动作，使减温水的干扰能够及时得 到克服。当主汽温因受其它干扰(如号 使主调节器发出控制指

8、令改变副调节温控制在允许的范围之内，使控制质 量得到保证。为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈 反馈串级控制系统。 10.1.1.3 10.1.1.3 锅炉燃烧过程的控制锅炉燃烧过程的控制1锅炉燃烧过程的控制任务锅炉燃烧过程的控制任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要 ，同时还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：使锅炉出口 蒸汽压力保持稳定；保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；使炉 膛负压保持恒定；确保燃烧过程的安全性等。 有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量。该控制系统的设计原则是：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和 引风量应

9、同时协调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料量和送风量成 一定比例、还要使炉膛负压保持一定的效果；当生产负荷相对稳定时，应保 持燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅速消除外界干扰对它们各自 的影响 。 此外，为确保设备与人身安全，对因燃料的流速过快而导致烧嘴背压过 高产生的 “脱火”现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火”现象，都应设 计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生 。2蒸汽压力控制方案影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用 调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案；而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又

10、有较高要求时，则需采用燃料 量/空气量对蒸汽压力的串级/比值控制方案。图105所示为燃烧过程的两种基本控制方案。 在串级/比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为 主动量，它与空气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使燃料量与空 气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。 图105 燃烧过程基本控制方案 图105 a）所示的基本控制方案 是将蒸汽压力调节器PC作为串级 控制的主调节器，其输出同时作 为燃料流量调节器和空气流量调 节器FC的设定值，燃料流量调节 器和空气流量调节器则构成各自 的副回路用以迅速克服它们自身 的干扰。 图105 b）所示的基本控制方案是将 蒸汽压力与燃料流量

11、构成串级控制， 而送风量则随燃料量变化而变化，从 而构成比值控制，这样可以确保燃料 量与送风量的比例，但该控制方案的 缺点是，当负荷发生变化时，送风量 的变化必然落后于燃料量的变化，导 致燃烧不充分。 图106所示的燃烧过程的改进型控制方案。 该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器 LS先减少燃料 量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选择器 HS先 加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。 图106 燃烧过程的改进型控制方案 3燃烧过程的最优化控制方案 假如理论上所需的空气量用 表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气 往往要大于 ,

12、存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，对于液体燃料，最优过剩空气量约为10左右。液体燃料的过剩 空气量与能量损失的关系图如图107所示。 量图107 液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图 过剩空气量常用过剩空气率 来表示， 为实际空气量和理论空气量之比， 一般情况下， 。由此可知， 是衡量经济燃烧的一种直接指标。但由于 很难直接测量，因而可用 与烟气中含氧量 存在的近似关系，计算出 的最优值，即 例如，当 的最优值为1.081.15时，可得 的最优值为1.6%2.9%。因此，烟气中的含氧量 可作为一种衡量经济燃烧的间接指标。 在该控制系统中，只 要把含氧量成分控制 器

13、的给定值按正常负 荷下烟气含氧量的最 优值设定，即可使过 剩空气量稳定在最优 值，从而保证锅炉燃 烧最经济，热效率最 高。 根据以上分析可知，只要在图106的控制方案上对进风量用烟气含氧量加 以校正，就可构成如图108所示的烟气含氧量的闭环控制系统。 图108 烟气含氧量的闭环控制系统 要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值 还需随之变化，这就需要对图108的闭环控制系统进一步加以改进。 蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时 可用图109所示的折线来近似。 由图10 9可知， 当负荷下 降时，烟 气中最优 含氧量增 大，也即 意味着过 剩空

14、气量 增大，反 之亦然。 图109 蒸汽流量与最优含氧量近似关系 在图108所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量 进行修正，构成如图1010所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。 图1010 最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统 在该系统中，当 蒸汽流量变化时 ，其变化的信号 经函数发生器改 变含氧量成分调 节器的设定值， 然后再由含氧量 成分调节器校正 过剩空气量，使 锅炉燃烧过程在 不同负荷下，始 终处于最佳过剩 空气量的状态。 4炉膛负压控制与安全保护控制方案 图1011所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护控制系统。由图可知 ，该控制系统又由三个子系统构成。 （1）炉膛负压

15、 控制：一般可通 过控制引风量来 实现。 （2）防“脱火 ”控制：通常可 以采用自动选择 性控制方案。 （3）防“回火”控 制：是一个连锁 保护控制系统。 图1011 炉膛负压控制与安全保护控制系统 10.1.210.1.2 精馏塔的过程控制 精馏塔的过程控制 精馏过程的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行 分离以达到规定的纯度。 10.1.2.1 10.1.2.1 精馏塔的控制目标及变量分析精馏塔的控制目标及变量分析 1控制目标 精馏塔的控制目标通常表现在产品质量、产品产量及能量消耗三个方面。 （1）产品质量 精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，产 品质量必须符合规定的

16、要求。 （2）产品产量与经济效益 任何产品都要求在确保质量的前提下， 尽可能提高产品的产量和降低成本、最大限度地提高经济效益 。2变量分析 图1012 精馏塔的进、出料流程图 （1）不可控干扰：进料流 量及进料成分的变化是精馏 过程中的主要干扰量。其它 干扰如进料温度、进料热焓 等，可以通过各自的控制系 统使它们保持相对稳定。 （2）被控量与控制量：在 精馏塔控制中，控制变量与 被控变量之间的配对关系共 有24种选择。 （3）变量配对原则：在变 量配对时首先要解决产品成 分的变量配对问题。 10.1.2.210.1.2.2 精馏塔的控制方案 精馏塔的控制方案 1一端产品质量控制 所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或塔底产品要达到规定的纯度， 而对另一端的产品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔顶产品成分控 制和塔底产品成分控制两种 （1）塔顶产品成分控制 例如，在对甲醇进行分