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1、锅炉过热蒸汽温度限制系统设计摘要这次课程设计任务是对锅炉过热蒸汽温度限制系统进行设计与分析。在限制系统的设计与分析中，分别对串级限制系统和单回路限制系统进行了分析与阐述，通过分析比较发觉，采纳串级限制系统限制效果更好，可以使系统更能适应不通环境，从而达到更好的限制效果。通过运用该限制系统，可以使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变更，并保证过热器壁温度不超过工作允许的温度，使其能够正常工作。1锅炉设备的介绍及设计任务的分析1.1 锅炉设备介绍锅炉是石油化工、发电等工业过程必不行少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馈、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生
2、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。锅炉设备依据用途、燃料性质、压力凹凸等有多种类型和名称，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、给水限制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。燃料与空气依据肯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，在汇合到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备限制，供应负荷设备用，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，最锅炉设备的限制任务是依据生产负荷的须要，供应肯定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在平安、经济
3、的条件下运行。为达到这些限制要求，锅炉设备将有多个不同的限制系统，如下：锅炉汽包水位限制系统，要求保证汽包水位平稳;锅炉过热蒸汽温度限制系统，要求保证过热蒸汽温度稳定；锅炉蒸汽出口压力限制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在肯定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量；锅炉蒸汽出口压力限制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在肯定范围内，同时实现燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压限制系统，要求保证炉膛负压在肯定范围内，以保证锅炉的平安运行。锅炉平安连锁限制系统，以防止回火和脱火。本设计依据任务要求主要对锅炉过热蒸汽温度限制系统进行设计与分析。1.2 任务分析与设计思路蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热
4、器。限制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并爱护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。我们知道，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，所以必需把过热器出口蒸汽的温度限制在规定范围内。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平安运行。影响过热蒸汽温度的因素许多，其中主要的有：过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与限制要求存在若冲突，各种扰动因素之闻相互影响。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，过热蒸汽温度限制的主要任务就是：(1)克服各种干扰因素，将过热器出口蒸
5、汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气质量合格：(2)爱护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本设计主要以限制减温水流量的变更来设计对过热蒸汽温度的自动调整。2限制原理简介及设计方案的确定随着生产的发展以及工艺的革新，对操作条件要求更加严格，变量间的相互关系也更加困难了。为了适应生产发展的须要，且基于限制理论的发展，越来越多的智能限制技术，如自适应限制、模型预料限制、模糊限制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度限制中。但这些限制技术主要是为了改善和提高限制系统的限制品质，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缘由。一般，过热蒸汽温度在烟气扰
6、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限制滞后。因此，本设计基于解决减温水扰动下保证过热器出口蒸汽温度的稳定的问题。2.1串级限制方案过热器出口蒸汽温度串级限制系统的方框图如下图所示。采纳两级调整器，这两级调整器串在一起，各有其特别任务，调整阀干脆受调整器1的限制，而调整器1的给定值受到调整器2的限制，形成了特有的双闭环系统，由副调整器调整器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调整器和主信号一出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。图2锅炉过热蒸汽温度串级限制系统调整器2称主调整器，调整器1称为副调整器。将过热器出口蒸汽温度调整器的输出信号，
7、不是用来限制调整阀而是用来变更调整器2的给定值，起着最终校正作用。串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调整器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量精确地保持为给定值。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。为了提高系统的限制性能，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。串级限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。串级限制由于副环的存在，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
8、具有主、副两只限制器，使限制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰实力增加，因此，一般来说串级限制系统的限制质量要比单回路限制系统高。在炉温过热蒸汽温度限制系统中，为了获得更好的限制精度，所以采纳串级限制系统以得到良好的限制特性。2.2串级限制方案论证串级限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，简洁限制系统已不能满足工艺要求的状况下产生的。图3串级限制系统方框图由上图可知，主限制器的输出即副限制器的给定，而副限制器的输出干脆送往限制阀。主限制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值限制系统；而副限制器的给定值是由主限制器的输出供应的，它随主限
9、制器输出变更而变更，因此，副环是一个随动限制系统。串级限制系统中，两个限制器串联工作，以主限制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个限制器协调一样，相互协作。若干扰来自副环，副限制器首先进行“粗调”，主限制器再进一步进行“细调”。因此限制质量优于简洁限制系统。串级限制有以下优点快速克服进入副回路扰动的影响，使进入串级副环的扰动削减到相当于单回路进入副环的l(l+Gc2*Gv*Gp2*Gm2)倍，同时使余差减小到相当于单回路的Kc2(l+Kc2*Kv*Kp2Km2)倍；改善了对象特性提高了工作频率，使Tp2缩小为l(l+Kc2*Kv*Kp2*Km2),等效对象时间常熟缩小，使限制过程时间加快。对负
10、荷变更和操作条件的变更有肯定的自适应能，副回路等效放大倍数Ko2,=(kc2*Kv1,因此，Ko2的变更对等效对象放大倍数Ko2,来说是很小的。一般来说，一个设计合理的串级限制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到限制系统的L卷，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路限制系统的但是，假如串级限制系统设计得不合理，其优35越性就不能够充分体现。因此，串级限制系统的设计合理性非常重要。3限制系统具体设计Gf2(s)GCl(三)QAGc2(s)Gv(三)Gp2(s)婕)_GPl(三)Gm2(s)Gml(s)图4串级限制系统框图本部分依据串级限制系统框图，确定各环节的参数及限制阀限
11、制器的类型3.1 被控变量与操纵变量的选择主被控变量的选择主被控变量yl是串级限制系统中要保持平稳限制的主要被控变量。串级限制系统主被控变量选择应遵循以下原则:尽量选择能干脆反映产品质量的变量作为主被控变量；所选的主被控变量能满足生产工艺稳定、平安、高效的要求；限制通道的Ko尽量大，To/To应尽量小；过程的To/Tf应尽量小扰动进入系统的位置应尽量远离主被控变量。综合以上原则，应选择过热器出口蒸汽温度即送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。干脆反应限制目的。副被控变量的选择副被控变量y2是串级限制系统的协助被控变量，是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：
12、应尽量包含生产过程中主要的、变更猛烈、常见的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；应使主、副对象的时间常数匹配；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被控变量。操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：限制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使限制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：操纵变量必需是工艺上允许调整的变量；选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，即Ko尽量大；选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的o/To应尽量小；过程的To/Tf应尽量小，
13、使过程的Kf*F尽量小；工艺的合理性和与动态响应的快速性相结合。综合以上原则，应选择减温水的输入量作为操纵变量。3. 2检测变送环节的选择4. 2.1温度变送器的选择温度变送器的种类许多，常用的有DDZTII型温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器等。DDZTn型温度变送器是工业过程中运用广泛的一类模拟式温度变送器。他与各种类型的热电阻、热电偶配套运用，将温度或温差信号转换成420mA、15VDC的统一标准信号输出。DDZTII型温度变送器主要有热电偶变送器、热电阻变送器和直流毫伏变送器三种类型，在过程限制领域中，运用最多的是热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。执行器(气动薄膜限制阀)
14、的选择(1)调整阀的气开、气关形式选择对于一个具体的限制系统来说，该选择气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或限制系统某环节失灵时，阀出于全开的位置平安，还是处于全关的位置平安，要有具体的生产工艺确定，应遵循以下几条原则选择：首先要从平安生产动身，当气源供气中断，或调整阀出故障而无输出等状况下，应当确保生产工艺设备的平安，不至发生事故；从保证产品质量：当发生限制阀处于无源状态而复原到初始位置时，不应降低产品的质量；从尽可能的降低原料、产品、动力损耗；综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽温度限制系统中，选择调整阀为气开阀，即KvOo(1)调整阀的流量特性的选择依据限制系统稳定运行原则，扰动或设
15、定变更时，限制系统稳态稳定运行的条件是限制系统各开环增益之积基本恒定；限制系统动态稳定运行的条件是限制系统总开环传递函数的模基本恒定。在实际生产中常用的调整阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中选择调整阀的流量特性为线性特性。(3)调整阀的口径大小的选择，确定限制阀口径大小也是选用限制阀的一个重要内容，其主要依据阀的流通实力。正常工况下要求限制阀开度处于15985t间。因此不宜将限制阀选得过小或者过大；否则，可能会使限制阀运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或者阀门常常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严峻腐蚀，甚至引起限制阀失灵。（4）阀门定位器的选择阀门定位器是调
16、整阀的一种协助装置，与调整阀配套运用，它接受限制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去限制调整阀，同时将调整阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消退阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调整阀的精度和牢靠性，实现精确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，削减了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改善限制阀的流量特性。3.3限制规律及限制器作用方向的选择3.3.1限制器限制规律的选择通过以上设计可知，本次设计的限制系统为串级限制系统。串级限制系统中，主、副限制器所起的作用是不同的，主限制器起定值限制作用，副限制器对主限制器
17、输出起随动限制作用，而对扰动作用起定值限制作用。因此，朱限制变量要求无余差，副被控变量可以在肯定范围内变动。为使串级限制系统稳定，主限制器通常选用比例积分限制器，对于本系统由于限制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分限制器作为主限制器。副环是一个随动系统，它的给定值随主限制器输出的变更而变更,为了加快跟踪，副限制器一般不带积分作用。故选择副限制器为比例限制器。主、副限制器正、反作用选择对于串级限制系统，主、副限制器正、反作用的选择依次应当是先副后主。限制阀：由上文可知，Kv0；副被控对象：阀开度增大，减温水量增加，副被控对象即减温器后端温度降低，因此Kp20,而Km20,所以Kc
18、2O;主限制器:为保证负反馈,应满足Kcl*Kpl*Kml反而Kml0,所以KclO,即应选主限制器为反作用限制器。4串级限制系统限制器参数的整定串级限制系统的参数整定比单回路限制系统要困难一些，因为两个限制器申在一个系统中工作，相互之间或多或少有些影响。在运行中，主环和副环的频率是不同的，一般来说，副环的频率较高，主环的频率较低。工作频率的凹凸主要取决于被控过程的动态特性，但也与主、副限制器的参数整定有关。在整定时应尽量加大副限制器的增益以提高副环的工作频率，目的是使主、副环工作频率错开，以削减相互间的影响。目前采纳采纳的串级限制系统参数整定方法有逐步靠近法、；两步整定法和一步整定法。这里主
19、要介绍两步整定法。所谓两部整定法,就是第一步整定副限制器参数，其次步整定主限制器参数。步骤如下。（1）在系统投运并稳定后，将主限制器设置为纯比例方式，比例度为百分之百。用4:1衰减曲线法整定副限制器参数，求出相应的副限制器在4:1衰减过程状况下的比例度和振荡周期。（2）把副回路等效成一个环节，用同样的方法来整定主限制器参数，求得主回路4:1衰减过程的主限制器比例度和振荡周期。依据主限制器比例度和振荡周期依据简洁限制系统整定时介绍的衰减曲线法的阅历公式，求出主限制器的比例度、积分时间和微分时间，副限制器的比例度和积分时间。然后依据先副后主（先放上副限制器参数，再放上主限制器参数）、先比例后积分再
20、微分的次序投入运行，视察过程曲线，必要时进行适当的调整，直到系统限制质量达到满足是为止。5系统限制流程图及限制过程的实现5.1系统整体限制流程图如下图图5串级限制系统流程图5.2限制过程的实现及分析当减温器入口蒸汽温度或减温器进水流量波动时，假设这些波动使减温器输出蒸汽温度上升。这时过热器出口蒸汽温度还没有发生变更，因此主限制器输出不变，因副限制器（减温器后端蒸汽温度限制器）为正作用限制器，所以副限制器输出测量值变大，由于限制阀为气开型，故使减温水流量限制阀开度增大，从而增加减温水，以降低减温器输出蒸汽温度。与此同时.，由于减温器输出蒸汽温度的上升，也使过热器出口蒸汽温度上升，由于主限制器（过
21、热器出口蒸汽温度限制器）是反作用限制器，所以主限制器输出减小，即使副限制器设定减小，副限制器设定减小而测量值增大，输入限制器的偏差值双重增加，进一步加大了副限制器的输出，从而快速的使限制阀阀度增大，快速增加减温水流量，使减温器输出蒸汽温度快速降低，从而使过热器输出蒸汽温度快速复原到设定值。若扰动使减温器输出蒸汽温度减低，实现限制的分析过程跟上述相同，只是方向相反。6心得体会通过这次课程设计，锅炉设备有了更全面的了解和相识，尤其是手工绘制锅炉设备限制系统的过程，使我对锅炉设备各个部分有了更清晰的相识，对工程画图有了初步的了解。锅炉设备依据不同的生产工艺要求，可以有多重不同的限制系统，而我们组的任
22、务是设计锅炉过热蒸汽温度限制系统，在设计中，通过对方案的分析与论证，我们选用串级限制系统，这使我对串级限制系统有了更具体更深如的了解和相识。我个人设计没有太多的变更书中限制系统的设计过程，几乎依据课本过程限制系统供应的步骤进行，这使我，对限制系统设计从方案到各种变量的选择、再到各个环节的选择及参数确定、最终到参数整定，整个过程有了更清晰的把握，对限制系统设计有了一个比较清晰的轮廓，这对于我以后的工作将有很大的影响。当然，设计中也遇到了不少的问题，尤其是学问的欠缺。许多东西，虽然学了，还是留在书上，用时都得翻阅课本及相关资料，这让我意识到，学习更应当驾驭真正的学问，应做到心中有数，而不能等应用时
23、每一步都依靠书本。以后的学习工作中，应更留意学问的驾驭和应用。这次课程设计，使我学习到了许多，提高了动手实力实践实力；也使我意识到自身的许多不足，在以后的学习中要更留意克服这些不足。7参考资料及参考文献（1）方康玲，过程限制系统，武汉理工高校出版社，2002（2）王骤程，化工过程限制工程，化学工业出版社，1996（3）王树青，工业过程限制工程，化学工业出版社，1995（4）将慰孙，过程限制工程（其次版），中国石化出版社，2004（5）何衍庆，工业生产过程限制，化学工业出版社，2004图6-2储罐分程限制特性图阀门开度书目1锅炉设备的介绍及设计任务的分析211锅炉设备介绍21.2任务分析与设计思路32限制原理简介及设计方案的确定31.1 串级限制方案42. 2串级限制方案论证53限制系统具体设计62.1 被控变量与操纵变量的选择6主被控变量的选择6副被控变量的选择7操纵变量的选择73. 2检测变送环节的选择7执行器（气动薄膜限制阀）的选择83. 3限制规律及限制器作用方向的选择9限制器限制规律的选择9主、副限制器正、反作用选择94串级限制系统限制器参数的整定95系统限制流程图及限制过程的实现105.1系统整体限制流程图105.2限制过程的实现及分析106心得体会12
