典型过程控制系统设计

第10章 典型生产过程控制 与工程设计
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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
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。
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。
图10－3 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线
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 。
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 。
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。
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10.1.1.3 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：①使锅炉出口蒸 汽压力保持稳定；②保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；③使炉膛 负压保持恒定；④确保燃烧过程的安全性等。
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二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。。。）
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
控制方案。
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10.1.1.1 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。
图10－1 双冲量控精制选系PPT统流程图及方框图
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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。
器；
19－汽机高压调汽门；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。
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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
扰问题的解决方案。
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10.1典型生产过程控制
10.1.1电厂锅炉的过程控制
一、火力发电厂的生产流程
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，进而带动发电机发电。
汽轮发电机组
火力发电厂外观
来自百度文库
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。
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。
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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
T 2 作为副被控参数构成副回路，当减
温水自身出现波动时，T 2 比主汽温 T 1
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。
图10－2 汽包水位三冲量串级控精制选P系PT统流程图
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10.1.1.2 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。
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
号 T 1 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
器随之动作，控制调节阀,从而使主汽 温控制在允许的范围之内，使控制质 量得到保证。
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。。。）。
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（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。
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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：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。