锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

课程设计任务书题目: 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 (1)1.1 锅炉设备介绍 (1)1.2 蒸汽过热系统的控制 (2)2控制原理简介 (3)2.1控制方案选择 (3)2.1.1单回路控制方案 (3)2.1.2串级控制方案 (4)2.2 串级控制方案论证 (5)3 控制系统设计 (6)3.1 系统控制参数确定 (6)3.1.1 主变量的选择 (6)3.1.2副变量的选择 (7)3.1.3操纵变量的选择 (7)3.2 调节阀的选择 (7)3.3 控制器设计 (8)3.3.1 控制器控制规律的选择 (8)3.3.2 控制器正、反作用选择 (8)3.3.3 控制器的电路实现 (9)4 控制仪表的选择 (9)5 系统控制流程图 (10)6 总结体会 (11)6.1 设计总结 (11)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、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：① 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；② 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，保持炉膛负压在一定范围内。

③ 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；④ 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。

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—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，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。

图2-3 串级控制系统方框图由上图可知，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①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；②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；③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；④ 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1001~101，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的51~31。

但是，如果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：① 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；② 应使主、副对象的时间常数匹配；③ 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。