锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

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1、课程设计任务书锅炉过热蒸汽温度控制系统设计摘要本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。控制 系统采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用 该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化， 并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。关键字：过热蒸汽控制串级控制系统自动控制 主控-串级切换目录1生产工艺介绍错误!未定义书签1.1锅炉设备介绍1.2蒸汽过热系统的控制42控制原理简介52.1控制方案选择62.1.1单回路控制方案62.1.2串级控制方案 72.2串级控制方案论证 错误!未定义书签。3控制系统

2、设计 103.1系统控制参数确定 103.1.1主变量的选择103.1.2副变量的选择103.1.3操纵变量的选择 错误!未定义书签。3.2调节阀的选择113.3控制器设计123.3.1控制器控制规律的选择 123.3.2控制器正、反作用选择 123.3.3控制器的电路实现 134控制仪表的选择 135系统控制流程图 错误!未定义书签。6总结体会 错误!未定义书签。6.1设计总结15过程控制系统以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里过程”是指在生产装置或设备中 进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有 温度、压力、流量、液位、成分、

3、浓度等。通过对过程参量的控制， 可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过 程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。锅炉过热蒸汽温度控制系统设计1.1锅炉设备介绍锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它 所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干 燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作 为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼， 工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、 给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。燃料与空

4、气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递 给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在 汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于 此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外， 还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往 烟囱，排入大气完成一个循环。锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要， 锅炉需要提供不同规格 （压力和温度） 的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完 全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3、过

5、热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安性6、炉膛负压保持在一定的范围内。图1-1锅炉设备主要工艺流程图锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温 度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控 制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统： 锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的无聊平衡，使机水量适应锅炉的 蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内； 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量， 适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧 的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛 负

6、压在一定范围内。 过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度保持在允许范围 内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围； 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要 求。1.2蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制蒸汽过热系统包括一级过热器、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，并保护过热器时管壁温度 不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利 的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的 热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，一

7、方面使设备的效率 降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以 必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组 成，在锅炉生产过程中， 过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温 度。过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安 全运行。过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：过热器是一个多 容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾， 各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、 进入过热蒸汽的热焓，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而 对各

8、种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此， 过热蒸汽温度控制的主要任务就是：(1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许 的范围内，从而保持蒸气品质合格：(2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的 自动调节。2控制原理简介随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术， 如自适应控制、 模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温 度控制中。但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制 品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。通常，烟气温 度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。一般，过

9、热蒸汽温度 在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性 将使过热蒸汽温度的控制滞后。2.1控制方案选择2.1.1单回路控制方案在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽 的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。从动态特性上看，这 种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸 汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较 好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量 比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后， 如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出

10、口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w .w的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度 t这样，既不能及早发现扰动，又不 能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。入口蒸汽出口蒸汽温度图2-1改变减温水量控制蒸汽温度系统实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由 于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往 不能满足生产的要求。因此常采用串级控制系统，减温器出口温度 为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。2.1.2串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。采用两 级调节器，这两级

11、调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接 受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器 2的控制，形 成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成 的闭环称为副环。由主调节器和主信号一出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。图2-2过热蒸汽温度串级调节系统原理图调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。将过热器出口蒸 汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节 器2的给定值，起着最后校正作用。串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来， 通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串 级系统副环的对象惯性小，工作频率高

12、，而主环惯性大，工作频率 低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以 上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统 可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对 象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工 作频率，加快过渡过程。串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的 时间常数减小，系统的工作频率提高。同时，由于串级系统具有主、 副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增 强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统 高。在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所 以采用串级

13、控制系统以得到良好的控制特性。2.2串级控制方案论证串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强 化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求 的情况下产生的。由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的 输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个 定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由 主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副 环是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保 证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来 自副环，副控制器首先进行 粗调”主控

14、制器再进一步进行 细调 因此控制质量优于简单控制系统。串级控制有以下优点 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通 道，使控制作用更加及时； 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短， 系统的快速性增强了； 对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高； 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入 时，其最大偏差将会较小到控制系统的丄丄，即便是干扰从主回10 100路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的11。但是，如果35串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的

15、设计合理性十分重要。3控制系统设计3.1系统控制参数确定3.1.1主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况 下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要 选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选 的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作 为主变量。该参数可直接反应控制目的。3.1.2副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选 择应遵循以下原则： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。3.1.3操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服 干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原 则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操