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1、9过程控制系统设计实例1,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 钢坯加热炉原理及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， 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,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9.1.4 过热蒸汽温度控
2、制9.1.5 锅炉燃烧过程控制,9.1 火电厂锅炉过程控制系统设计,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.,9.1.1 工艺过程概述,1. 火力发电厂工艺过程,火力发电生产过程原理框图,1. 火力发电厂工艺过程,火电单元机组生产流程示意图,2. 锅炉组成及工作原理,自然循环式固态排渣煤粉锅炉原理图,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。,锅炉组成：,锅炉本体是锅炉的主要组成部
3、分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、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。,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,锅炉是火电厂重要
4、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： 供给满足负荷需要的蒸汽量； 过热蒸汽压力保持在一定范围之内； 过热蒸汽温度保持在一定范围之内； 汽包水位保持在一定范围之内； 炉膛负压保持在一定范围之内； 保持锅炉燃烧的经济性； 保证锅炉安全稳定运行。,9.1.2 锅炉控制要求及主要控制系统,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,锅炉主要控制系统：, 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
5、制给水量维持汽包水位在工艺允许的范围之内。 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 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。,汽包水位是锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定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，烧坏水冷壁甚至引起爆管事故。因此，必须
6、对汽包水位进行严格控制。,9.1.3 锅炉汽包水位控制系统,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。, 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,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
7、流量作用下汽包水位的动态特性,蒸汽流量D阶跃扰动下的传函为,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。, 单冲量控制系统,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。,(单回路控制系统),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
8、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。, 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。,Ic液位控制器LC的输出； IF蒸汽流量变送器的输出；I0 初始偏置值。正常负荷下，I0正好与C2IF抵消；C1、C2为加法器系数。,加法器的运算式为,双冲量控制系统 方案1,加法器系数的确定原则：, C1通常取1，也可小于1。 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，
9、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。, 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。,双冲量控制系统 方案2, 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。,(a) 方案1
10、（前馈-串级控制系统）,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。, 三冲量控制系统,(b) 方案2 （前馈-反馈控制系统）,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。, 三冲量控制系统,(c) 方案3（前馈-串级控制系统）,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10
11、0%。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。,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。,9.1.4 过热蒸汽温度控制,影响过热蒸汽温度的因素很多，如蒸汽流量、减温
12、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, 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； 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； 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“
13、回火”现象的发生。,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：,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。,2.锅炉燃烧过程基本控制方案,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
14、间接保证，空燃比由比值器K设定。,锅炉燃烧过程基本控制方案2,该控制方案是将蒸汽压力与燃料流量构成串级控制系统，空气量随燃料量变化而变化，构成比值控制系统。该方案可以确保燃料量与空气量的比例关系，但由于空气量的变化始终滞后于燃料量，当负荷增加时，就会出现燃料燃烧不充分的现象。,燃烧过程改进型控制方案,该控制方案具有逻辑提降量功能。当蒸汽负荷减小时，可通过低选器LS先减少燃料量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加时，可通过高选器HS先加大空气量后加大燃料量，这就确保了在提量和降量时燃料都能充分燃烧。,在锅炉燃烧过程中，空燃比应该随着燃料质量（用热值表示）和锅炉蒸汽负荷的变化而及时进行调整，这就是燃烧
15、过程的最优化控制问题。 理论分析和工程实践均表明，锅炉的燃烧状况主要反映在烟气成分和烟气温度两个方面，而烟气成分通常采用烟气氧含量来表示，烟气氧含量是锅炉热效率最简便的检测方法。,3.锅炉燃烧过程优化控制方案,对于液体燃料，最优过剩空气量为815%左右。过剩空气量与能量损失的关系为,总能量损失包括不完全燃烧的热损失和烟气热损失两部分。,过剩空气量常用表示，定义为实际空气量与理论空气量之比，即,值很难直接测量，实际中可用过剩空气系数与烟气氧含量存在的固定关系，计算出的最优值，这样，烟气氧含量即可作为衡量燃烧经济性的间接指标。二者的关系近似表示为,qT理论空气量qp实际空气量,当过剩空气量为815
16、%时，过剩空气系数值为1.081.15，利用上式求得烟气氧含量为1.6%2.9%。,烟气氧含量闭环控制系统,对空燃比用烟气氧含量加以校正，即可构成烟气氧含量闭环控制系统。把氧含量调节器的给定值按正常负荷下的最优值设定，即可将过剩空气量控制在最优值，进而保证锅炉经济燃烧。,最佳烟气氧含量燃烧控制系统,在锅炉实际运行过程中，最佳烟气氧含量与蒸气负荷存在一定的关系，因而要根据蒸气负荷适时调整烟气氧含量的最优值，即可构成最佳烟气氧含量燃烧控制系统。,炉膛负压控制一般通过控制引风量来实现。当锅炉负荷变化不大时，可采用单回路控制系统。 当锅炉负荷变化较大时，负荷的变化引起燃料量和送风量的变化，而引风量只有
17、在炉膛负压产生偏差之后才能由引风调节器去控制，这样一来，引风量的变化总是滞后于送风量，这就会造成炉膛负压有较大的动态偏差。这时，单回路控制系统就难以满足工艺要求，为此，可引入主要扰动信号，组成前馈-反馈复合控制系统，其中的前馈控制器通常采用静态前馈补偿。,4.炉膛负压控制与安全保护系统, 炉膛负压控制系统,当锅炉负荷变化较大时，蒸汽压力也会相应变化较大，这时，可将蒸汽压力作为前馈信号，构成图示的前馈-反馈复合控制系统。,炉膛负压控制系统方案1,当干扰主要来自送风机时，送风量会随之变化，这时可引入送风量作为前馈信号，构成图示的前馈-反馈复合控制系统。,炉膛负压控制系统方案2,当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，易发生脱火事故。为此，可设置蒸汽压力与燃料阀后压力选择性控制系统。,4.炉膛负压控制与安全保护系统, 安全保护系统, 防脱火控制系统,工作过程分析参见7.2.2,当燃料供应量不足时，燃料管道的压力就有可能低于锅炉燃烧室的压力，这时就会发生回火事故，这是非常危险的。为此，可设置连锁控制系统，采用压力控制开关PSA，当燃料压力低于产生回火的压力下限设定值时，切断燃料调节阀上游的切断阀，以避免回火事故的发生。, 防回火控制系统,本章结束！,
