第10章_典型过程控制系统设计-过程控制与自动化仪表_第二版-潘永湘答辩

图10－8 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10－8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10－9所示的折线来近似。
图10－9 蒸汽流量与最优含氧量近似关系
器；
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。
假如理论上所需的空气量用 qT 表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气
量 qP 往往要大于 qT,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10－7所示。
图10－7 液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图
第10章 典型生产过程控制 与工程设计
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
图10－5 燃烧过程基本控制方案
图10－5 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10－5 b）所示的基本控制方案是将 蒸汽压力与燃料流量构成串级控制， 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。
一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。
图10－4 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
T2 作为副被控参数构成副回路，当减 温水自身出现波动时，T2 比主汽温 T1
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 烟道气）而偏离给定值时，主汽温信
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：① 减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；②在工艺上，锅 炉给水与减温水常常合用一根总管，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。
图10－6所示的燃烧过程的改进型控制方案。
图10－6 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。
3．燃烧过程的最优化控制方案
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，在对甲醇进行分离的精馏塔中，其进料为甲醇、甲醛和水 的混合液，工艺要求把甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一 个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表10－1所示。
图10－13 塔顶产品成分控制方案
a
a 例如，当 的最优值为1.08～1.15时，可得
的最优值为1.6%～2.9%。
a 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。
根据以上分析可知，只要在图10－6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10－8所示的烟气含氧量的闭环控制系统。
在该控制系统中，只 要把含氧量成分控制 器的给定值按正常负 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。
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 。
2．变量分析 图10－12 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。
参数 成分
流量/kg/s 甲醇成分 甲醛成分
工况
水的成分
进料
400 y =0.046
0 .196 0 .785
1

y
塔顶馏出物
17.5 y1 =0.986
0 .2物
387.5
y2
=0.0032
0 .006 0 .008
1


y1
根据变量配对的要求，通常采用的控制方案是：用塔顶产品流量控制塔顶 产品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽 的热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图10－13所示
而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用燃料 量/空气量对蒸汽压力的串级/比值控制方案。
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10－5所示为燃烧过程的两种基本控制方案。
4．炉膛负压控制与安全保护控制方案 图10－11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 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。
图10－11 炉膛负压控制与安全保护控制系统
（3）防“回火” 控制：是一个连
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 剩空气量 增大，反 之亦然。
在图10－8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10－10所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。
图10－10 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。
图10－2 汽包水位三冲量串级控制系统流程图
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 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。
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10－1 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
机；31－烟道挡板。
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
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
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；
该控制系统由主、副两个调节器和 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。
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。
号 T1 经测量、变送反馈至主调节器，
使主调节器发出控制指令改变副调节