过程控制系统设计实例

第9章 过程控制系统设计实例
9.1火电厂锅炉过程控制系统设计
锅炉的工作原理： 锅炉生产实际上是实现能量的转换和传递，将
燃料的内能转换为蒸汽的热能，整个工作过程可分
为以下三个相互关联的子过程： 燃料的燃烧过程 火焰和烟气向水及汽传递热量的过程 蒸汽的产生过程
第9章 过程控制系统设计实例
9.1火电厂锅炉过程控制系统设计
重点掌握控制系统的应用问题 ◇ 掌握过程控制系统的设计思想与设计方法
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9.1 火电厂锅炉过程控制系统设计 9.2 流体输送设备过程控制系统设计
9.3 钢坯加热炉过程控制系统设计
9.1 火电厂锅炉过程控制系统设计
9.1.1 工艺过程概述 9.1.2 锅炉控制要求及主要控制系统 9.1.3 锅炉汽包水位控制
① C1通常取1，也可小于1。 ② C2的选择包括符号和数值的大小。 C2取正号还是负号，取决于调节阀的开闭形式，如果蒸汽 是供给蒸汽透平机使用的，则调节阀应选择气开阀，此时C2 取正号； 当蒸汽用作加热，调节阀应选择气关阀，以保护锅炉安全 ，此时C2取负号。 C2的数值大小应考虑到静态前馈补偿，可以在现场凑试， 也可利用公式计算。
的范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。如果水位 过高则会影响汽包内的汽水分离，出现蒸汽带液现象，这会
使过热器管壁结垢，并使过热蒸汽温度急剧下降，如以该过
热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片，影响安全运 行；相反，如果水位过低，则当负荷很大时，水将加快汽化
速度，此时，如不及时补水，则会导致汽包内的水全部汽化，
锅炉组成：
锅炉本体是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火 装臵、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热 器等，其中炉膛又包括水冷壁、炉墙和构架等。 锅炉辅助设备主要包括煤或燃气等燃料供应系统（包括煤场 、输煤机等）、煤粉制备系统（包括给煤机、磨煤机、煤粉 分离器等）、水处理系统（包括阳床、阴床、各种水箱及除 氧器等）、给水系统（给水泵等）、通风系统（包括送风机 、引风机等）、除灰除尘系统（除尘器等）、测量及控制系 统等。
2. 锅炉组成及工作原理
锅炉是利用燃料（如煤、天然气、焦炉煤气、高炉煤 气、重油等）燃烧释放的热能加热给水，生产规定品质 和参数的过热蒸汽的设备，又称蒸汽发生器。
固 态 排 渣 煤 粉 锅 炉
锅炉本体 若干辅助设备
自然循环式固态排渣煤粉锅炉原理图
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9.1.2 锅炉控制要求及主要控制系统
锅炉是火电厂重要的动力设备，其任务就是根据生产负 荷的不同需要，提供相应规格(压力和温度)的蒸汽，同时应 保证锅炉经济和安全的运行。 锅炉的主要控制要求： ① 供给满足负荷需要的蒸汽量； ② 过热蒸汽压力保持在一定范围之内； ③ 过热蒸汽温度保持在一定范围之内； ④ 汽包水位保持在一定范围之内； ⑤ 炉膛负压保持在一定范围之内； ⑥ 保持锅炉燃烧的经济性； ⑦ 保证锅炉安全稳定运行。
kf k2 H ( s) D( s) s T2 s 1
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2. 锅炉汽包水位控制 在锅炉汽包水位控制系统中，被控变量是汽包 水位，操纵变量是给水流量，主要干扰包括给水压 力、蒸汽量、燃料热值、燃料压力及汽包压力等。 根据控制系统输入变量的多少，锅炉汽包水位控制 系统可分为单冲量控制系统、双冲量控制系统和三 冲量控制系统。
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⑴ 单冲量控制系统 (单回路控制系统) 这里的单冲量是指只有一个变量，即汽包水位。单冲量控制 系统结构简单，对于汽包容量较大、负荷变化小且虚假水位 现象不太严重的小型锅炉，该控制系统可以保证锅炉安全正 常运行。 缺点:克服给水自发性干扰和负 荷干扰的能力差。当负荷突然大 幅度增加（或减小）时，由于虚 假水位现象的影响，执行器会产 生误动作。 故对于汽包内水的停留时间、负 荷变化较大的情况不宜采用。
H ( s ) k0 s e W (s) s
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⑵ 蒸汽流量作用下汽包水位的动态特性 当蒸汽负荷增加时，汽包水位不 仅不下降反而迅速上升，然后才 下降（反之，如果蒸流量突然减 少，则水位先下降后上升），这 种现象通常被称为“虚假水位” 。“虚假水位”现象属反向特性 ，这会给汽包水位控制带来一定 的困难，设计控制方案时必须予 以重点考虑。 蒸汽流量D阶跃扰动下的传函为
9.1.4 过热蒸汽温度控制
9.1.5 锅炉燃烧过程控制
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9.1 火电厂锅炉过程控制系统设计 9.1.1 工艺过程概述
1. 火力发电厂工艺过程 火力发电厂是指利用煤、煤气、石油和天然气等做燃料 进行能量转换的发电厂。它是由化学水处理系统、锅炉、汽 轮发电机组、输变电设备及其他辅助设备组成的庞大的能源 转换设备群. 火力发电生产过程原理框图
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⑵ 双冲量控制系统 （前馈-反馈控制系统） 在汽包水位控制中，最主要的干扰就是负荷的变化。如果将 蒸汽量引入系统作为校正信号，就可有效纠正虚假水位引起 的误动作，从而减小水位的波动，提高控制品质。
加法器的运算式为
P C1 I c C 2 I F I 0
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2.锅炉燃烧过程基本控制方案
锅炉燃烧过程控制最基本的任务就是使锅炉出口蒸汽压
力稳定。影响蒸汽压力波动的主要干扰是蒸汽负荷和燃料量 的变化。 当燃料量波动较小时，可以采用调节燃料量以控制蒸汽 压力的单回路控制系统； 当燃料量波动较大且对燃烧的经济性要求较高时，可以 采用蒸汽压力对燃料量/空气量的串级-比值控制系统。
Ic—液位控制器LC的输出； IF—蒸汽流量变送器的输出； I0 —初始偏臵值。 正常负荷下，I0正好与C2IF抵消； C1、C2为加法器系数。 双冲量控制系统 方案1
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加法器系数的确定原则：
P C1 I c C 2 I F I 0
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锅炉是一个典型的多输入、多输出过程。输入变量
与输出变量之间存在相互关联、相互耦合。
锅炉各输入量与输出量之间的的相互关系
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锅炉主要控制系统：
⑴ 锅炉汽包水位控制系统。
锅炉汽包水位是确保安全生产和蒸汽质量的重要参数。 通过控制给水量维持汽包水位在工艺允许的范围之内。
C2
Dmax
K v ( zmax zmin )
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⑵ 双冲量控制系统 （前馈-反馈控制系统） 双冲量控制系统也可采用方案2形式，该方案把加法器 放在控制器之前。由于水位上升和蒸汽量增加时要求控制 阀的动作方向是相反的，所以两信号是减法运算。
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1. 火力发电厂工艺过程
能 量 形 态 的 转 变 过 程
燃料的化学能 蒸汽的热能 机械能
蒸汽的热能（在锅炉中进行） 汽轮发电机旋转的机械能 电能（在发动机中进行）
火电单元机组生产流程示意图
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⑵ 锅炉燃烧控制系统
蒸汽压力控制系统 炉膛负压控制系统 烟气成分（空燃比）控制系统 ⑶ 过热蒸汽温度控制系统 通过控制减温水量，使过热器出口温度保持在一定的 范围之内。
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9.1.3 锅炉汽包水位控制系统
汽包水位是锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定
过程控制
Process Control
上篇 过程控制系统
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本章要点
◇ 蒸汽锅炉原理及主要控制系统
◇ 离心泵和离心式压缩机原理及主要控制系统 ◇ 钢坯加热炉原理ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ主要控制系统 本章学习目标 ◇ 了解蒸汽锅炉、流体输送设备、加热炉的系统结构及工作原理
◇ 进一步熟悉相关的自动控制系统的组成及原理，
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锅炉燃烧过程基本控制方案1 蒸汽压力调节器PC是串级控制系统的主调节器，其输出 同时作为燃料流量调节器和空气流量调节器的设定值，该系 统中燃料量与空气量是同步变化的，燃料量与空气量的比值 通过两个副调节回路间接保证，空燃比由比值器K设定。
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⑶ 三冲量控制系统
该系统实质上也是前馈-串级 控制系统，只是副回路控制器
的比例度为100%。汽包水位是
串级控制系统的主被控变量， 给水量是副被控变量，蒸汽量 是前馈信号。
(c) 方案3（前馈-串级控制系统）
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(a) 方案1 （前馈-串级控制系统）
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⑶ 三冲量控制系统
该系统实质上是前馈-反馈控 制系统。这种三冲量控制方案 结构简单，整个系统可看作是 以三冲量的综合信号为被控变 量的单回路控制系统，故其投 运和整定与单回路控制系统一
样。
(b) 方案2 （前馈-反馈控制系统）
双冲量控制系统 方案2
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⑶ 三冲量控制系统 双冲量控制系统对给水扰动不能及时克服，而且，对 于非线性调节阀，要想做到静态补偿也是比较困难的。为 此，可将给水流量信号引入构成三冲量控制系统。
当负荷（即蒸汽流量）变化时， 它能先于水位偏差进行前馈控制 ，及时调节给水流量，以跟踪蒸 汽流量的变化，维持汽包内的物 料平衡，克服虚假水位，减小水 位的动态偏差；由给水流量为副 被控变量构成的副回路，可及时 消除给水流量的自身干扰对水流 的影响。
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9.1.5 锅炉燃烧过程控制
1.锅炉燃烧过程控制任务 基本要求：
① 使锅炉出口过热蒸汽压力保持稳定，当蒸汽压力发生变化 时，系统可自动增减燃料和助燃空气量； ② 保证燃烧过程的经济性和环保要求，要保证有较高的热效 率，控制系统可适时调整空燃比，既要防止由于空气不足而 使烟囱冒烟，又要防止因空气过剩而增加热损失； ③ 使炉膛负压保持恒定，并确保燃烧过程的安全性。通常将 炉膛负压保持在微负压（-20～-80Pa）状态；此外，还应防 止因烧嘴背压过高而产生“脱火”现象和因烧嘴背压过低而 产生“回火”现象的发生。
烧坏水冷壁甚至引起爆管事故。因此，必须对汽包水位进行 严格控制。
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1. 锅炉汽包水位的动态特性 影响汽包水位变化的因素很多，但主要是锅炉蒸发量（ 蒸汽流量D）、给水流量W和燃料量B。 ⑴ 在给水流量作用下汽包水位的动态特性
当给水流量扰动作阶跃变化后， 汽包水位起初并不立即上升，而 是呈现出一段起始惯性段，这近 似于一个积分环节和时滞环节的 串联，故可用下列传递函数表示
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影响过热蒸汽温度的因素很多，如蒸汽流量、减温水流 量、燃烧工况、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会
影响过热蒸汽温度。
通常选用减温水流量作为操纵变量，但该控制通道存在 较大的时延和惯性，因此，常采用串级控制系统。
过热蒸汽温度串级控制系统
9.1.4 过热蒸汽温度控制
锅炉蒸汽过热系统一般包括一级过热器、减温器和二级 过热器等。过热蒸汽温度的控制任务是使过热器出口温度维
持在允许的范围之内，并使过热器管壁温度不超过允许的工
作温度范围。 过热蒸汽温度过高或过低，都会对锅炉或汽轮机造成不 利影响。过执蒸汽温度过高，则过热器容易损坏，并会使汽 轮机内部引起过度的热膨胀，影响安全运行；过热蒸汽温度 过低，则会降低汽轮机效率，而且会因蒸汽湿度增加而引起 叶片磨损。实际运行过程中，一般要求将过热蒸汽温度变化 控制在±5℃的范围之内。