《检测技术与过程控制》电子教案 学习项目 项目三
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• 二、工作任务
• 锅炉汽包水位控制系统的设计。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 三、知识准备
• (一) 锅炉的过程控制 • 锅炉是工业生产中常见的必不可少的动力设备之一。 在工厂里, 要靠
锅炉产生的蒸汽作为全厂的动力源和热源。 例如电厂里的汽轮发电 机, 就是靠锅炉产生的一定温度和压力的过热蒸汽来推动的, 化工厂里 的许多换热器的热源大多是锅炉提供的蒸汽。 锅炉产生蒸汽的压力 和温度是否稳定、锅炉运行是否安全, 直接影响到生产能否正常进行, 更关系到人员和设备的安全与否, 因此, 锅炉的过程控制十分重要。 • 为适应生产的需要, 锅炉的大小、型号也是各种各样的。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 锅炉的大小是以锅炉每小时产生出的蒸汽量来衡量的, 小型锅炉每小 时产几吨蒸汽, 大的锅炉每小时能产２００ 吨以上的蒸汽。 产出的蒸 汽压力有高、中、低之分。 在应用类型上, 可将锅炉分为动力锅炉和 工业锅炉, 其中工业锅炉又分为辅助、废热锅炉、快装锅炉、夹套锅 炉等。 锅炉的燃料也各不相同, 有燃气型、燃油型、燃煤型和化学反 应型等。
• 上述的物料平衡和热量平衡是相互关联、互相影响的。 汽包液位不 仅受到给水流量的影响, 而且也受到热量变化的影响。
• 综上所述, 锅炉的运行主要有以下３ 个方面的过程控制。 • １.汽包水位的控制 • 汽包水位控制系统是锅炉安全运行的必要保证, 它要维持汽包内的水
位在工艺允许的范围内。
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项目三 典型复杂控制系统的应用
• 情境３.１ 锅炉车间自控系统的 Nhomakorabea计 • 情境３.２ 精馏塔生产过程控制系统的应用
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 一、学习目标
• (１) 了解工业锅炉的生产工艺。 • (２) 了解工业锅炉运行的主要控制系统。 • (３) 掌握锅炉汽包水位控制系统的应用。 • (４) 掌握单变量ＰＩＤ 调节原理及控制参数的设置。 • (５) 掌握前馈反馈控制系统的设计。
• 由图可知, 这是一个典型的单回路控制系统, 其被控变量是汽包水位, 操纵变量是锅炉的给水量。 当汽包水位偏离设定值时, 变送器将测量 到的信息送给控制器, 按照特定的控制规律来开大或关小阀门, 以增加 或减少供水量, 使汽包水位回到设定值上来。
• 安装在给水管道上的执行器(调节阀), 从安全角度考虑应该选择气关 阀, 因为出现事故时(譬如前级仪表故障或气源断气), 为了避免锅炉设 备发生事故,要求调节阀打开, 使汽包保证有水而避免爆炸。影响锅炉 汽包水位的主要扰动是蒸汽负荷的波动,
• 由上述过程可知, 锅炉的正常运行必须要保持物料(水) 的平衡和热量 平衡。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 在物料平衡中的负荷是汽包内水的蒸发量, 被控变量是汽包的液位, 操 纵变量是锅炉的给水量; 在热量平衡中的负荷是蒸汽带走的热量, 被 控变量是蒸汽压力, 操纵变量是燃料量。
• 锅炉的工艺流程如图３ －１ －１ 所示。 锅炉生产蒸汽的过程简述如 下。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 燃料和热空气按一定的比例混合后进入燃烧室燃烧, 加热汽包内的水 产生饱和蒸汽ＤＳ,经过过热器后形成一定温度的过热蒸汽Ｄ, 再汇集 到蒸汽总管, 最后经过负荷设备调节阀供给负荷设备使用。 燃料在燃 烧时产生的烟气, 其热量一部分将饱和蒸汽变成过热蒸汽, 另一部分经 省煤器对锅炉供水和空气进行预热, 最后由送风机从烟囱排入大气。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 水位过高, 由于汽包上部空间变小, 从而影响汽水分离, 产生的蒸汽带 水现象; 液位过低, 则由于汽包的容积较小而负荷却很大, 水的汽化速 度加快, 使得汽包内的储水量迅速减少, 如不及时控制, 就会使汽包内 的水全部汽化,形成“干烧”, 可能导致锅炉烧坏甚至爆炸的严重后果 。
• 目前, 锅炉汽包水位常采用单冲量、双冲量及三冲量控制方案。 此处 的“冲量” 不是物理上定义的作用在物体上的力和时间的乘积的意 思, 而是一种表示变量的习惯沿用。
• (二) 锅炉汽包水位单冲量控制系统 • 锅炉的单冲量水位控制系统的原理图如图３ －１ －２ 所示。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 因为用户的蒸汽需要量是在不断变化的。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 假设蒸汽需要量突然加大, 汽包的压力会瞬时降低, 水的沸腾加剧, 使 水加速汽化, 水中的气泡量会骤然增多。 而气泡的体积比其液态时的 体积大很多倍, 结果出现汽包内的水位不降反升的假象, 即出现“假水 位”, 控制器获得的信息是“水位升高了”, 本来该增加供水量, 现在 却错误地减少供水量。 严重时会使汽包水位下降到危险区内以致发 生事故。
情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• ２.燃烧系统的控制 • 该控制系统通过使燃料量与空气量保持一定的比值, 以保证经济燃烧
和锅炉的安全运行; 同时还要使引风量与鼓风量相适应, 以维持炉膛 内的负压恒定不变。 其最终目的是使燃料产生的热量满足蒸汽负荷 的需要。 • ３.过热蒸汽系统的控制 • 这是一个温度控制系统, 其作用主要有两个, 一是保持过热器出口温度 在允许范围内;二是保证管壁的温度不超过允许的工作温度。 • 汽包的水位是锅炉正常运行的重要指标。
• 产生上述“假水位” 的主要原因是蒸汽负荷量的波动而造成“闪蒸 ” 现象, 如果把蒸汽流量信号引入控制系统, 及时知道其变化情况, 就 可以克服这个主要的扰动。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• (三) 前馈－ 反馈控制系统 • １.前馈控制的目的 • 大多数控制系统都是具有反馈的闭环控制系统, 对于这种系统, 不管什
么干扰, 只要引起被控变量变化, 都可以消除掉, 这是反馈(闭环) 控制 系统的优点。 例如图３ － １ － ３ 所示的蒸汽加热器出口温度的反 馈控制, 无论是蒸汽压力、流量的变化, 还是进料流量、温度的变化, 只要最终影响到出口温度, 该系统都有能力进行克服。 但是这种控制 都是在扰动已经造成影响, 被控变量偏离设定值之后进行的, 控制作用 滞后。 特别是在扰动频繁, 对象有较大滞后时, 对控制质量的影响就 更大了。
• 锅炉汽包水位控制系统的设计。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 三、知识准备
• (一) 锅炉的过程控制 • 锅炉是工业生产中常见的必不可少的动力设备之一。 在工厂里, 要靠
锅炉产生的蒸汽作为全厂的动力源和热源。 例如电厂里的汽轮发电 机, 就是靠锅炉产生的一定温度和压力的过热蒸汽来推动的, 化工厂里 的许多换热器的热源大多是锅炉提供的蒸汽。 锅炉产生蒸汽的压力 和温度是否稳定、锅炉运行是否安全, 直接影响到生产能否正常进行, 更关系到人员和设备的安全与否, 因此, 锅炉的过程控制十分重要。 • 为适应生产的需要, 锅炉的大小、型号也是各种各样的。
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情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• 锅炉的大小是以锅炉每小时产生出的蒸汽量来衡量的, 小型锅炉每小 时产几吨蒸汽, 大的锅炉每小时能产２００ 吨以上的蒸汽。 产出的蒸 汽压力有高、中、低之分。 在应用类型上, 可将锅炉分为动力锅炉和 工业锅炉, 其中工业锅炉又分为辅助、废热锅炉、快装锅炉、夹套锅 炉等。 锅炉的燃料也各不相同, 有燃气型、燃油型、燃煤型和化学反 应型等。
• 上述的物料平衡和热量平衡是相互关联、互相影响的。 汽包液位不 仅受到给水流量的影响, 而且也受到热量变化的影响。
• 综上所述, 锅炉的运行主要有以下３ 个方面的过程控制。 • １.汽包水位的控制 • 汽包水位控制系统是锅炉安全运行的必要保证, 它要维持汽包内的水
位在工艺允许的范围内。
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项目三 典型复杂控制系统的应用
• 情境３.１ 锅炉车间自控系统的 Nhomakorabea计 • 情境３.２ 精馏塔生产过程控制系统的应用
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• 一、学习目标
• (１) 了解工业锅炉的生产工艺。 • (２) 了解工业锅炉运行的主要控制系统。 • (３) 掌握锅炉汽包水位控制系统的应用。 • (４) 掌握单变量ＰＩＤ 调节原理及控制参数的设置。 • (５) 掌握前馈反馈控制系统的设计。
• 由图可知, 这是一个典型的单回路控制系统, 其被控变量是汽包水位, 操纵变量是锅炉的给水量。 当汽包水位偏离设定值时, 变送器将测量 到的信息送给控制器, 按照特定的控制规律来开大或关小阀门, 以增加 或减少供水量, 使汽包水位回到设定值上来。
• 安装在给水管道上的执行器(调节阀), 从安全角度考虑应该选择气关 阀, 因为出现事故时(譬如前级仪表故障或气源断气), 为了避免锅炉设 备发生事故,要求调节阀打开, 使汽包保证有水而避免爆炸。影响锅炉 汽包水位的主要扰动是蒸汽负荷的波动,
• 由上述过程可知, 锅炉的正常运行必须要保持物料(水) 的平衡和热量 平衡。
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• 在物料平衡中的负荷是汽包内水的蒸发量, 被控变量是汽包的液位, 操 纵变量是锅炉的给水量; 在热量平衡中的负荷是蒸汽带走的热量, 被 控变量是蒸汽压力, 操纵变量是燃料量。
• 锅炉的工艺流程如图３ －１ －１ 所示。 锅炉生产蒸汽的过程简述如 下。
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• 燃料和热空气按一定的比例混合后进入燃烧室燃烧, 加热汽包内的水 产生饱和蒸汽ＤＳ,经过过热器后形成一定温度的过热蒸汽Ｄ, 再汇集 到蒸汽总管, 最后经过负荷设备调节阀供给负荷设备使用。 燃料在燃 烧时产生的烟气, 其热量一部分将饱和蒸汽变成过热蒸汽, 另一部分经 省煤器对锅炉供水和空气进行预热, 最后由送风机从烟囱排入大气。
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• 水位过高, 由于汽包上部空间变小, 从而影响汽水分离, 产生的蒸汽带 水现象; 液位过低, 则由于汽包的容积较小而负荷却很大, 水的汽化速 度加快, 使得汽包内的储水量迅速减少, 如不及时控制, 就会使汽包内 的水全部汽化,形成“干烧”, 可能导致锅炉烧坏甚至爆炸的严重后果 。
• 目前, 锅炉汽包水位常采用单冲量、双冲量及三冲量控制方案。 此处 的“冲量” 不是物理上定义的作用在物体上的力和时间的乘积的意 思, 而是一种表示变量的习惯沿用。
• (二) 锅炉汽包水位单冲量控制系统 • 锅炉的单冲量水位控制系统的原理图如图３ －１ －２ 所示。
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• 因为用户的蒸汽需要量是在不断变化的。
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• 假设蒸汽需要量突然加大, 汽包的压力会瞬时降低, 水的沸腾加剧, 使 水加速汽化, 水中的气泡量会骤然增多。 而气泡的体积比其液态时的 体积大很多倍, 结果出现汽包内的水位不降反升的假象, 即出现“假水 位”, 控制器获得的信息是“水位升高了”, 本来该增加供水量, 现在 却错误地减少供水量。 严重时会使汽包水位下降到危险区内以致发 生事故。
情境３.１ 锅炉车间自控系统的设计
• ２.燃烧系统的控制 • 该控制系统通过使燃料量与空气量保持一定的比值, 以保证经济燃烧
和锅炉的安全运行; 同时还要使引风量与鼓风量相适应, 以维持炉膛 内的负压恒定不变。 其最终目的是使燃料产生的热量满足蒸汽负荷 的需要。 • ３.过热蒸汽系统的控制 • 这是一个温度控制系统, 其作用主要有两个, 一是保持过热器出口温度 在允许范围内;二是保证管壁的温度不超过允许的工作温度。 • 汽包的水位是锅炉正常运行的重要指标。
• 产生上述“假水位” 的主要原因是蒸汽负荷量的波动而造成“闪蒸 ” 现象, 如果把蒸汽流量信号引入控制系统, 及时知道其变化情况, 就 可以克服这个主要的扰动。
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• (三) 前馈－ 反馈控制系统 • １.前馈控制的目的 • 大多数控制系统都是具有反馈的闭环控制系统, 对于这种系统, 不管什
么干扰, 只要引起被控变量变化, 都可以消除掉, 这是反馈(闭环) 控制 系统的优点。 例如图３ － １ － ３ 所示的蒸汽加热器出口温度的反 馈控制, 无论是蒸汽压力、流量的变化, 还是进料流量、温度的变化, 只要最终影响到出口温度, 该系统都有能力进行克服。 但是这种控制 都是在扰动已经造成影响, 被控变量偏离设定值之后进行的, 控制作用 滞后。 特别是在扰动频繁, 对象有较大滞后时, 对控制质量的影响就 更大了。