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【精编完整版】锅炉过热蒸汽温度控制系统毕业论文

时间:2017-08-20


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过程控制课程设计说明书
——锅炉过热蒸汽温度控制系统

院系:化工学院化工机械系 班级:10 自动化(1) 姓名:李 正 智

学号:1 0 2 0 3 0 1 0 1 6 指导老师:王淑钦老师

引言
蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数,因此对蒸汽温度控制要求严格。 过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏;蒸汽温度 过低,又会引起热效率降低,影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣,采用传统的基于模 拟技术的控制器、仪器仪表或单片机,不仅结构比较复杂,效率比较低,并且可靠性也不 高。 本次课程设计的主要目的是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系统包括一级过 热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热蒸汽和再热蒸汽温度的调 节。主蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。过热蒸汽温 度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内,并保护过热器,使其管壁温 度不超过允许的工作温度。 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点,过热蒸汽温度过高或过低,对锅炉运 行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降,以至烧坏过热器的 高温段,严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过± 10℃,长期 偏差不超过±5℃
【1】



如果过热蒸汽温度偏低,则会降低电厂的工作效率,同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度 增加,引起叶片磨损。据估计,温度每降低 5℃,热经济性将下降约 1%;且汽温偏低会使 汽轮机尾部蒸汽温度升高,甚至使之带水,严重影响汽轮机的安全运行。一般规定过热汽 温下限不低于其额定值 10℃。通常,高参数电厂都要求保持过热汽温在 540℃的范围内。 由于汽温对象的复杂性,给汽温控制带来许多的困难,其主要难点表现在以下三个方 面: (1)影响汽温变化的因素很多,例如,蒸汽负荷、减温水量、烟气侧的过剩空气 系数和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽温变化。 (2)汽温对象具有大延迟、大惯性的特点,尤其随着机组容量和参数的增加,蒸 汽的过热受热面的比例加大,使其延迟和惯性更大,从而进一步加大了汽温控制的难度。 (3)汽温对象在各种扰动作用下(如负荷、工况变化等)反映出非线性、时变等 特性,使其控制的难度加大。

一.生产工艺概述
1.1.锅炉生产工艺介绍
锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可供生产过程作为热 源,而且还可作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用燃料的种类、燃烧设 备、炉体形式、锅炉功能和运行要求的不同,锅炉生产有各种不同的流程。 常见锅炉设备的工业流程如图 1.1 所示 :
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过热蒸汽送负荷设备 减温器

汽包 过热器

炉膛 热空气

热空气送往炉膛 水送入 冷空气送入 烟气排出

图 1.1 锅炉设备主要工艺流程 蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按 照一定的比例进入燃烧室燃烧,产生的热量传递给蒸汽发生系统,产生饱和蒸汽 Ds ,然 后经过热器成一定汽温的过热蒸汽 D,汇集至蒸汽母管。压力为 Pm 的过热蒸汽,经负荷设 备调节阀供给生产负荷使用。与此同时,燃烧过程中产生的烟气,将饱和蒸汽变成过热蒸 汽后,经省煤器预热锅炉预热空气,最后经引风机送往烟筒排入大气。 锅炉设备的控制任务:根据生产负荷的要求,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: ⑴锅炉汽包水位控制系统:主要是保持汽包内部的水位平衡,使积水量适应锅炉的蒸 汽汽量,维持汽包中水位在工艺允许的范围内;

空气预热器

⑵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,保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行,使引风量与 送风量相适应,保持炉膛负压在一定范围内; ⑶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; ⑷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 过热器的介绍
过热器定义:锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。 过热器概述:过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以 及燃料与钢材的比价等因素,对电站锅炉来说,低压锅炉的温度一般为 350~375℃,过热器 前布置有大量对蒸汽管束,进入过热器的烟温约在 700℃上下。中压锅炉多为烧煤粉或重 油的室燃炉,其过热气温为 450℃,这时的炉膛辐射传热的烟温可达 1000℃左右 。高压 锅炉,尤其超高压锅炉,加热水的热量和过热热量增大很多,而蒸发热减少,当有中间再 过热时,情况更为突出,这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内,是吸收部分辐射 热。 为了提高电厂热力循环的效率,蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应的 提高过热蒸汽温度,否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高,影响汽轮机的安全。但 蒸汽温度的增高要受到过热器钢材高湿强度性能的限制,因而采用了中间再热,即高压高 温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后,引到布置在锅炉烟道内的再热器,再一次加热 升温,然后又回到汽轮机的中、低压缸,继续膨胀至凝汽器压力,这样蒸汽膨胀终了的湿 度可控制在允许范围内。超高压机组采用中间再热时,理论上可使循环经济性相对提高 6%~8%,在实际设备中,由于有压降损失,热经济性的提高比理论值稍低。 过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器及辐射过热器三 种。现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器,屏式过热器,包覆过热器,顶棚 过热器,联箱及减温器构成。 由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高,因此必须采用耐高温的优质 低碳钢和各种铬钼合金钢等,在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行 中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值,则 会发生管子爆裂等事故。
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二.蒸汽温度控制系统的组成与对象静动态特性
2.1.过热蒸汽温度控制的意义与任务
锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热 器是在高温、高压的条件下工作的,过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工 质温度的最高点,也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料,过 热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高,容易损坏过 热器,也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏,影响机组的安全 运行。如果过热蒸汽温度过低,将会降低机组的热效率,一般蒸汽温度降低 5-10℃,热效 率约降低 1%,不仅增加燃料的消耗量,浪费能源,而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度 增加,加速汽轮机叶片的水蚀。另外,过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的 焓值减小,引起反动度增大,轴向推力增大,也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所 以,过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。

2.2 过热蒸汽温度控制对象的静动态特性
2.2.1 静态特性
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2.2.1.1 锅炉负荷与过热汽温的关系

锅炉负荷增加时,炉膛燃烧的燃料增加,但是,炉膛中的最高的温度没有多大的变 化,炉膛辐射放热量相对变化不大,因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克 燃料的辐射放热百分率减少,而在炉膛后的对流热区中,由于烟温和烟速的提高,每千克 燃料的对流放热百分率将增大。因此,对于对流式过热器来说,当锅炉的负荷增加时,会 使出口汽温的稳态值升高;辐射式过热器则具有相反的汽温特性,即当锅炉的负荷增加 时,会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合,可以取得较平坦的汽温特 性,但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中,过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内, 仍随锅炉负荷的增加有所升高。 2.2.1.2 过剩空气系数与过热汽温的静态关系 过剩空气量改变时,燃烧生成的烟气量改变,因而所有对流受热面吸热随之改变,而 且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此,当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。 2.2.1.3 给水温度与汽温关系 提高给水的温度,将使过热汽温下降,这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少 了,流过过热器烟气也就减少了。也可以认为:提高给水温度后,在相同燃料下,锅炉的

蒸发量增加了,因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很 大,这对过热汽温有显著的影响。 2.2.1.4 燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口 烟温,因而也会影响过热汽温,火焰中心相对提高时,过热汽温将升高。

2.2.2

动态特性

目前,火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素 很多,但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下,汽温控制对象是有 烟池、惯性和自平衡能力的。 2.2.2.1 蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性 大型锅炉都采用复合式过热器,当锅炉负荷增加时,锅炉燃烧率增加,通过对流式过 热器的烟气量增加,而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器 的气温升高。然而,当负荷增加时,炉膛温度升高的并不明显,由炉膛辐射传给过热器的 热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少,因此使辐射式过热器出口温度下降。可见,这两种型 式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反,只要设计上配合得当,就能使过热其出口 汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中,通常把对流式过热器与辐射式过热 器结合使用,还增设屏式过热器,且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多, 综合而言,过热器出口汽温是随流量 D 的增加而升高的。动态特性曲线如图 2-1 (a) 所示。 蒸汽流量扰动时,沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的,延迟时间较小,约 为 15s 左右。

图 2-1 在扰动下温度的变化曲线 2.2.2.2 烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性 当燃料量、送风量或煤种等发生变化时,都会引起烟气流速和烟气温度的变化,从而 改变了传热情况,导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器 长度方向上同时发生的,因此汽温变化的迟延很小,一般在 15-25s 之间。烟气侧扰动的汽 温响应曲线如图 2-1(a)所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。 2.2.2.3 蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性 当减温水量发生扰动时,虽然减温器出口处汽温已发生变化,但要经过较长的过热器 管道才能使出口汽温发生变化,其扰动地点(过热器入口)与测量蒸汽温度的地点(过热 器出口)之间有着较大的距离,此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。.动态曲线图如图 2-1 (b) 所示。当扰动发生后,要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化,滞后时间比较大, 滞后时间约为 30-60s。 综上所述,可归纳出以下几点: (1)过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性,有自平衡能力。 而且改变任何一个输入参数(扰动),其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽 温度,这使得控制对象的动态过程十分复杂。 (2)在减温水流量扰动下,过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞 后,缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离,可以改善其动态特性。 (3)在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下,蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。

三.过热蒸汽温度控制原理简介
过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温,这样做的目的有两个,一是为了使汽温调 节更灵敏,减小热惯性,二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之 后,调节量较大且调节惰性大,用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温 变化,为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热器受热面的作用。第二级喷水减温 器布置在高温对流过热器(末级过热器)之前,这一级热惯性小,可保证出口汽温能得到 迅速调节。减温器共有四只,每级安装两只,每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源 为自制冷凝水。目前,过热汽温的控制方案很多,而且随着自动控制技术和计算机技术的 不断发展,新的控制方法不断出现,汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有 两种:单回路控制系统和串级汽温控制系统 。
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3.1 单回路控制系统
单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础,由于其控制简单而得到广泛应用。由图 3.1 可知,这种调节方法是最不理想的。

图 3.1 单回路控制系统原理图 理论上减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处,但需在过热器材料安全的基础上, 这样会得到较好的动态特性。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 其有较大的热惯性,加上管道有一定较长时间的传递滞后,同时在单回路控制系统,调节 器在接受过热器出口蒸汽温度的变化后,调节器才会开始动作,去控制减温水的水流量变

化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度的变化,这样既不能及早发现扰动,又不能及时 反映控制的效果,将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差,即使整个系统采用 PID 算法。 这样的控制方案会影响到锅炉生产的安全,而且还不够经济。

3.2 串级控制系统
由图 3.2 可以看出,锅炉蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器串在一起的;两级调 节器各有其特殊的任务,调节器 1 直接控制调节阀的动作,同时调节器 2 控制着调节器 1 的设定值,从而形成了特殊的双闭环系统,其中副环由调节器 1 和减温水出口温度组成, 调节器 2 和出口蒸汽温度形成的闭环为主环。主环和副环一起构成了一个完整的串级控制 系统。其中调节器 1 为副调节器,主调节器是调节器 2。

图 3.2 过热蒸汽温度串级控制系统原理图 串级控制系统的原理方框图如图 3.3 所示,具有内外两个回路。内回路由导前汽温变 送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成;外回路由主汽温对象、汽温变送 器、主调节器及整个内回路组成。由图可知,主调节器的输出即副调节器的给定,而副调 节器的输出直接送往调节阀。其中主调节器的的给定值使是一个定值,所以主回路是一个 定值控制系统。而副回路的给定值是由主调节器的输出给定的,所以它随主调节器输出的 变化而变化,为一个随动控制系统。

设定值

主调节器

-

-

副调节 器

调节阀 副温度 变送器 主温度 变送器

减温器

过热器

出口蒸汽 温度

图 3.3 串级控制系统方框图 系统中以减温器的喷水作为控制手段,通过减温水的控制达到控制蒸汽温度的效果。 由于汽温对象具有较大的延迟和惯性,主调节器多采用 PID 控制规律,副调节器采用 PI 或 P 控制规律。在主、副调节器均具有 PI 控制规律的情况下,当系统达到稳定时,主、副调 节器的输入偏差均为零。从而提高了整个系统的准确度和实用性。 再者,在串级控制系统中,两个调节器串联工作,但是以主调节器为主导,保证主变 量为目的,在整个控制过程两个调节器协调一致,互相配合,若干扰来自副回路,副调节 器首先进行粗调,主调节器再进一步进行细调。相对于过于简单的单回路控制系统,串级 控制系统的控制质量明显优越。具体体现在: ⑴由于副回路的存在,减少了控制对象的时间常数,缩短了控制通道,使控制作用更 加明显; ⑵在一定程度上提高了系统的工作频率,使震荡周期明显缩短,调节时间也有一定程 度上的缩短,系统的快速性相对增强了; ⑶整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服能力,这是 单回路控制系统所不能实现的; ⑷对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。 综上所述,串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。

四.过热蒸汽温度控制系统的设计
4.1 系统控制参数的确定
4.1.1 主变量的选择
根据串级控制系统选择主变量的原则:在条件允许的情况下,首先应尽量选择能直接

反映控制目的的参数为主变量;其次,要选择与控制目的有某些单值对应关系的间接单数 作为主变量;最后,所选的主变量必须要足够的变化灵敏度。 所以,在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。该参数可以直接反映 本系统的控制目的。

4.1.2 副变量的选择
副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内,应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频 繁的干扰包括在副回路内,以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用,保证主参数的稳 定,为发挥这一特殊作用,在系统设计时,副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一 些扰动。同时要求主、副对象的时间常数应适当匹配。并且应保证副变量的选择能实现生 产工艺上的合理性、可能性和经济性。 综上所述,应选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。

4.1.3 操纵变量的选择
控制变量和扰动变量是工业过程的两大输入变量。其中,干扰时刻存在的,它是影响 系统平稳操作的主要因素,而操纵变量的主要作用是克服干扰的影响,是系统能重新稳定 运行的因素。选择操纵变量的基本原则为: ⑴选择对所选定的被控变量影响较大的输入量作为操纵变量; ⑵在⑴的前提下,选择变化范围较大的输入量作为控制变量,以便于控制; ⑶在⑴的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量,使控制系统 响应较快; 综上所述,应选择减温水的输入量作为操纵变量。

4.2 执行器的选择
在本系统中,调节阀是系统的执行机构,是按照调节器所给定的信号大小和方向,改 变阀门的开度,来实现调节流体流量的装置。 调节阀的口径大小,直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通 能力,需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。在正常工况下一 般要求调节阀开度应处于 15%—85%之间,具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选 择。 调节阀按驱动方式可分为:气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀,即以压缩空气为 动力源的气动调节阀,以电为动力源的电动调节阀,以液体介质 (如油等)压力为动力的电

液动调节阀;由于生产现场有防爆要求,所以应选择气动执行器。 此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制的目的,过热蒸汽在过热器内与 减温水进行热交换被冷却,调节阀安装在减温水的管道上,用换热后的蒸汽温度来控制减 温水的水量,在气源中断时,调节阀应处于开启位置更安全些,宜选用气关式调节阀。

4.3 控制仪表的选择
4.3.1 温度变送器的选择
温度变送器可分为电动和气动,常用的控制仪表有电动Ⅱ型、Ⅲ型。再串级系统中, 选用的仪表不同,具体的实施方案也不同。 电动Ⅱ型和电动Ⅲ型仪表就其功能而言是基本上相同的,但是就其控制信号而言是存 在差异的。具体表现在:电动Ⅱ型的典型控制信号为 0~10mADC,电动Ⅲ型的典型控制信号 时 4~20mADC。另外,与Ⅱ型仪表相比Ⅲ型仪表操作、维护更为方便、简捷,同时Ⅲ型仪表 还有较完善的跟踪、保持电路,使得手动切换更为方便,随时都可以进行转换,而且保证 无干扰。综上所述,在本设计中需选用电动Ⅲ型仪表。

4.3.2 温度传感器的选择
温度传感器有热电偶和热电阻两种。在本设计中,最好选用热电偶温度传感器。原 因在于热电偶的测温范围广(-200℃~1300℃,特殊情况下-270℃~2800℃),耐高温, 精度高,结构简单,更换方便,压簧式感温元件,抗震性能好,可以将热能转换为电能, 用所产生的热电势测量温度 。 热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化,如果某材料 具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条 件,就可以作为温度传感元件用来测温,称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热 敏电阻两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加,而大多数半导体热敏电阻的 阻值随温度升高而减少。 在使用热电偶时,由于冷端暴露在空气中,受周围环境温度波动的影响,且距热源较 近,其温度波动也较大,给测量带来误差,为了降低这一影响,通常用补偿导线作为热电 偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的 地方。补偿导线的作用如图 4.1 所示。 用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后,并没有完全解决冷端温度 补偿问题,为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有:查表法、仪表零点调整法、
[6]

冰浴法、补偿电桥法以及半导体 PN 结补偿法。 采用热电阻法测量温度时,一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压,当热电阻的链 接导线很长时,导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带来的测量误差,不 管热电阻和测量一边之间的距离远近,必须使导线电阻的阻值符合规定的数值,如果不 足,用锰铜电阻丝凑足。同时,热电阻必须用三线接法,如图 4.2 所示,热电阻用三根导 线引出,一根连接电源,不影响电桥平衡,另外两根被分别置于电桥的两臂内,使引线电 阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。

图 4.1 补偿导线的作用

图 4.2 热电阻三线制接法 具有采用 K 型热电偶。原因在于: ⑴K 型热电偶可以直接测量各种生产中从 0℃到 1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及 固体的表面温度。

⑵K 型热电偶具有线性度好,热电动势较大,灵敏度高,稳定性和均匀性较好,抗氧 化性能强,价格便宜等优点,能用于氧化性惰性气氛中。

4.4 主、副控制器控制规律的选择
由于在控制系统中,主、副调节器的任务不同,对它们各自的选择也应有不同的考 虑。 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程, 对控制的品质都是很高的,不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用,一 般都采用 PI 调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多,同时又有主要扰动落在副回路 以外的话,就可以考虑采用 PID 调节器。 副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动,而且副参数并不要求 无差,所以一般都选 P 调节器,也可采用 PD 调节器,但这增加了系统的复杂性,在一般情 况下,采用 P 调节器就足够了,如果主、副回路频率相差很大,也可以考虑采用 PI 调节 器。

4.5 控制器正、反作用的选择
对于一个完整的串级控制系统,主、副控制器的正、反作用的判断应该是先副后主。 副回路的正、反作用的选择:副回路的具体情况决定了副控制器的正、反作用,而与 主回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统,所以副回路的开环放大系数符号必须 是“正”。即副回路中所有环节的放大倍数符号的乘积为“正”。在本串级控制系统中随 着调节阀的开度增加,减温水的流量会随之增加,副对象即减温器后端蒸汽会有一定幅度 的降低,所以调节阀对副对象的作用为负;而调节阀是气关阀,其控制作用为负;变送器 的控制作用均为正,为了保证开环放大系数乘积的符号为“负”,所以副调节器的控制作 用符号需为“正”,即副调节器的控制作用为反作用。 主回路的正、反作用的选择:与副回路相同,主回路中主控制器的正、反作用要根据 主回路所包括的各个环节的情况来确定,同时由于副回路是一随动系统,所以可将整个副 回路视为一放大系数为负的环节来对待。在本系统中,随着调节阀的开度增加,主对象即 过热器出口的蒸汽温度会降低,所以主对象的放大倍数的符号为负,为了保证开环放大系 数乘积的符号为“正”,所以主控制器的控制作用符号“正”,即控制器的控制作用为反 作用。

4.6 过热器温度声光报警
温度是热水锅炉运行过程中的重要参数,对它的测量和控制是保证热水锅炉安全运行 的重要手段。一般采用温度控制器和声光信号组成超温报警装置。

五.MATLAB simulink 仿真
以某 300MW 机组过热蒸汽温度控制系统为例, 由资料 的的传递函数为:
【7】

可得出过热蒸汽温度控制对象

其中减温器与过热器之间的控制对象的传递函数为:

过热蒸汽出口控制对象的传递函数为:

5.1 则采用串级控制时的系统框图建立与仿真结果

当阶跃输入为 1 时,过热器与减温器之间的温度输出曲线为:

当阶跃输入为 1 时,过热蒸汽出口温度输出曲线为:

由两曲线课看出,输出的稳态误差较大,并且调节时间较长,不能达到理想的控制效果。

5.2 采用 PID 串级控制时的系统框图建立与仿真结果

内环 Kp=10 外环 Kp=0.5

Ki=0.1 Ki=0.01

Kd=0 Kd=0

当阶跃输入为 1 时,过热器与减温器之间的温度输出曲线为:

当阶跃输入为 1 时,过热蒸汽出口温度输出曲线为:

当采用 PID 串级控制时,系统响应时间及调节时间变小,但在个人尝试多次后在控制 效果上还是未能达到理想的效果。

六.设计心得
通过这次课程设计,锅炉设备有了更全面的了解和认识,尤其是用 AUTO CAD 软件绘制 锅炉设备控制系统的过程,使我对锅炉设备各个部分有了更清楚的认识,对工程画图有了 熟练的掌握。锅炉设备根据不同的生产工艺要求,可以有多重不同的控制系统,而我们组 的任务是设计锅炉过热蒸汽温度控制系统,在设计中,通过对方案的分析与论证,我们选 用串级控制系统,这使我对串级控制系统有了更详细更深如的了解和认识。我个人设计没 有太多的改变书中控制系统的设计过程,几乎按照课本《过程控制系统》提供的步骤进行, 这使我,对控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 后到参数整定,整个过程有了更清晰的把握,对控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,尤其是知识的欠缺。很多东西,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,学习更应该掌握真正的知识, 应做到胸有成竹,而不能等应用时每一步都依靠书本。以后的学习工作中,应更注重知识 的掌握和应用。并且在自己建立仿真图时,平时用 PID 控制器调节时,基本每次都能调节 到自己预期的理想效果,但在本次锅炉过热蒸汽的控制系统设计时,尽管尝试好多次来调

节 pid 参数,但由于系统复杂还是未能调节到自己预期的理想效果。 本次课程设计,使我对书本上的理论知识得到进一步的巩固,并提高了我的实践动手 能力,能用 CAD 工程制图软件绘制一般的工艺流程图,并且学会了 visol 绘图软件的用法, 使我收获不少。

参考文献: (1)方康玲, 《过程控制系统》 ,武汉理工大学出版社,2002 (2)蒋慰孙,俞金寿.过程控制工程.上海:中国石化出版社,1999.9 (3)王树青, 《工业过程控制工程》 ,化学工业出版社,1995 (4)刘巨良.过程控制仪表.北京:化学工业出版社,1998 (5)何衍庆, 《工业生产过程控制》 ,化学工业出版社,2004 (6)陈广栋.锅炉主蒸汽温度的控制、调节[J].中国科技博览,2012 年 1 月 (7)马玲,王爽心,谷毅.FUZZY-PI 串级系统在火电厂汽温控制中的应用[J].华北 电力技术,2004 年 4 月

附录 1

过热蒸汽温度控制系统带控制点的工艺流程图

附录 2

过热蒸汽温度串级控制系统框图

附录 3
工程 锅炉控制 青 海 设计 大 项目 学 设计 施工设计 阶段 仪表名 序 号 仪表 检测点名称 位号 格 过热器与减 TT-10 1 1 温度检测 出口蒸汽温
2 TT-102

仪器仪表清单
编制 李正智 图 号

名称 过热蒸汽温 度控制系统 设计 审核

自控设备表

校核 第1张 共1张

称及规

型号

数量

安装地点

操作条件

备注

用补偿导线作 WRN分度号 K, 允差 1 130 接导线 WRN热电偶
1

温器之间的

热电偶

现场

为热电偶的连 等级为 A

现场

同上

同上 热电偶温度变 送 器精度:

度的检测

130

过热器与减
3 TC-101

SBW变送器
1 控制室

0.5%FS 回路保护: 防止 电源正负极

温器之间处

R-70

SBW4 TC-102

蒸汽出口处

变送器 R-70

1

控制室

同上 气动薄膜反作

ZMBS
5

执行器 -320B

1

现场

用气关式 320: PN320MPa

EPC11 电气转
6

气源压力范围: 线性度: ≤跨度
1 控制室

0-OG换器 I

最小值: 高于输 出压力上限值

的±1%。 重复性: ≤跨度

20kPa; 最大值: 700kPa

的±0.5%。 回差: ≤跨度的 ±1.0%。

抗震性强、 可靠 性好、安装方 XMT 便、读数清晰、
7

仪表内置 PID
2 控制室

主副回路处

调节器

G-803 8C2

功能与位式控 无视差、 可远距 制功能 离观察等独特 优点


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