蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計

1、控制系統(tǒng)課程設計題目：蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計系 另歸電氣工程系專 業(yè)：自動化姓 名：學 號：指導教師：河南城建學院2013年01月11日摘要木文是針對鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行的分析和設計?？刂葡到y(tǒng)采用吊級控制以 提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控吊級控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同 的工作環(huán)境。通過使用該系統(tǒng)，可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內變化， 并保護過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。關鍵字：過熱蒸汽控制 吊級控制系統(tǒng) 口動控制 主控吊級切換目錄1生產工藝介紹11蒸汽過熱系統(tǒng)的控制12控制原理簡介12控制方案選擇22.1.1單回路控制方案22.1.2串級控制方案22

2、.2串級控制方案論證33控制系統(tǒng)設計43系統(tǒng)控制參數(shù)確定43.1.1主變量的選擇43.1.2副變量的選擇53.3操縱變量的選擇53.2調節(jié)閥的選擇53.3控制器設計63.3.1控制器控制規(guī)律的選擇63.3.2控制器正、反作用選擇63.3.3控制器的電路實現(xiàn)74控制儀表的選擇75系統(tǒng)控制流程圖86總結體會86設計總結86.2心得體會8參考文獻10蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計1生產工藝介紹1.1蒸汽過熱系統(tǒng)的控制蒸汽過熱系統(tǒng)則是鍋爐系統(tǒng)安壘正常運行，確保蒸汽品質的重要部分。木設計主要考 慮的部分是鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器?？刂迫蝿帐鞘惯^熱器出口溫度 維持在允許

3、范圍內，并保護過熱器吋管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽用戶設備都是不利的，過熱蒸汽溫度過 高，過熱器容易損壞，汽輪機也因內部過度的熱膨脹而嚴重影響安全運行；過熱溫度過低, 一方面使設備的效率降低，同吋使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必 須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規(guī)定范圍內。鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)主要由一級過熱器、減溫器和二級過熱器組成，在鍋爐生產過程屮, 過熱蒸汽溫度是整個汽水通道屮最高的溫度。過熱器溫度過高將導至過熱器損壞，同吋還 會危及汽輪機的安全運行。過熱器溫度過低則將使設備效率降低，影響經濟指標。影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其屮主要的

4、有：過熱器是一個多容且延遲較大的慣性 環(huán)節(jié)，設備結構設計與控制要求存在若矛盾，各種擾動因素之聞相互影響，如蒸汽量、燃 燒工況、鍋爐給水溫度、進入過熱蒸汽的熱焙，流經過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。 而對各種不同的擾動，過熱蒸汽溫度的動態(tài)特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的 主要任務就是：(1) 克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內，從而保持蒸氣品質合格：(2) 保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。木設計主要以控制減溫水流量的變化來闡述對過熱蒸汽溫度的自動調節(jié)。2控制原理簡介隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制技術，如自適應控制、模型預測控制、模 糊控制、神經網

5、絡等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制屮。但這些控制技術主要是為了改 善和提高控制系統(tǒng)的控制品質，并沒有從引起過熱蒸汽溫度波動的源頭入手。通常，煙氣 溫度過高是引起過熱蒸汽溫度過高的主耍原因。一般，過熱蒸汽溫度在煙氣擾動下延遲較 小，而在減溫水量擾動下延遲較大，這種特性將使過熱蒸汽溫度的控制滯后。2.1控制方案選擇2.1.1單回路控制方案在運行過程中。改變減溫水流量，實際上是改變過熱器出i蒸汽的熱焙，亦改變進口 蒸汽溫度，如下圖所示。從動態(tài)特性上看，這種調節(jié)方法是最不理想的，但由于設備簡單, 因此，應用得最多。減溫器有表面式和噴水式兩種。減溫器應盡可能地安裝在靠近蒸汽出i處，但一定要 考慮過熱器材

6、科的安全問題，這樣能夠獲得較好的動態(tài)特蛀。但作為控制對象的過熱器， 由于管壁金屬的熱容量比較大，使z有較大的熱慣性。加上管道較長有一定的傳遞滯后， 如果用下圖所示的控制系統(tǒng)，調節(jié)器接受過熱器出i蒸汽溫度t變化后，調節(jié)器才開始動 作，去控制減溫水流量w.w的變化又要經過一段時向才能影響到蒸汽溫度t這樣，既不能 及早發(fā)現(xiàn)擾動，又不能及時反映控制的效杲，將使蒸汽溫度t發(fā)生不能允許的動態(tài)偏差。 影響鍋爐生產的安全和經濟運行。圖21改變減溫水量控制蒸汽溫度系統(tǒng)實際屮過熱蒸汽控制系統(tǒng)常采用減溫水流量作為操縱變量，但由于控制通道的時間常 數(shù)及純滯后均較大，組成單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產的要求。因此常采用

7、串級控制 系統(tǒng)，減溫器出口溫度為副參數(shù)，以捉高對過熱蒸汽溫度的控制質量。2.1.2串級控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示。采用兩級調節(jié)器，這兩級調 節(jié)器串在一起，各冇其特殊任務，調節(jié)閥直接受調節(jié)器1的控制，而調節(jié)器1的給定值受 到調節(jié)器2的控制，形成了特冇的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調節(jié)器調節(jié)器和減溫器出口溫度形成 的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調節(jié)器和主信號一出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán) 是串在主環(huán)z中。圖2-2過熱蒸汽溫度串級調節(jié)系統(tǒng)原理圖調節(jié)器2稱主調節(jié)器，調節(jié)器1稱為副調節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調節(jié)器的輸出 信號，不是用來控制調節(jié)閥而是用來改變調節(jié)器2的給定值，起著最

8、后校正作用。串級系統(tǒng)是一個雙冋路系統(tǒng)，實質上是把兩個調節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調工作, 使一個被控量準確地保持為給定值。通常串級系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主 環(huán)慣性大，工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能，希望主副環(huán)的工作頻率相差三倍以上, 以免頻率相近時發(fā)生共振現(xiàn)象面破壞正常工作。串級控制系統(tǒng)可以看作一個閉合的副冋路 代替了原來的一部分對象，起了改善對象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內的擾動外，還 提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。串級控制由于副環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對彖的時間常數(shù)減小，系統(tǒng) 的工作頻率提高。同時，由于串級系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)

9、增 大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強，因此，一般來說串級控制系統(tǒng)的控制質量要比單冋路控制系 統(tǒng)高。在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，為了獲得更好的控制精度，所以采用串級控制系統(tǒng) 以得到良好的控制特性。2.2串級控制方案論證串級控制是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產過程日趨強化，對產品質量要求 越來越高，簡單控制系統(tǒng)己不能滿足工藝要求的情況下產生的。圖23串級控制系統(tǒng)方框圖由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。 主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，是一個定制，因此，主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)；而副 控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副

10、環(huán) 是一個隨動控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)中，兩個控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導，保證主變量穩(wěn)定為目的, 兩個控制器協(xié)調一致，互相配合。若干擾來門副環(huán)，副控制器首先進行“粗調"，主控制器 再進一步進行“細調j因此控制質量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。串級控制有以卜優(yōu)點 由于副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及 時； 提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小，調節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強了； 對二次干擾具有很強的克服能力，對客服一次干擾的能力也有一定的提高； 對負荷或操作條件的變化有一定的門適應能力。一般來說，一個設計合理的串級控制系統(tǒng)，當干擾從副冋路進入?yún)迹渥畲笃顚?/p>

11、會 較小到控制系統(tǒng)的丄丄，即便是干擾從主回路進入，最大偏差也會縮小到單回路控制10 100系統(tǒng)的丄丄。但是，如果串級控制系統(tǒng)設計得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充分體現(xiàn)。因35此，串級控制系統(tǒng)的設計合理性十分重要。3控制系統(tǒng)設計3.1系統(tǒng)控制參數(shù)確定3.1.1主變量的選擇串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇 能直接反應控制r的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制a的有某種單值對應關系的間接 單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇送入負荷設備的出i蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可 直接反應控制冃的。3.1.2副變量的選擇副回路的設

12、計質量是保證發(fā)揮吊級系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵。副變量的選擇應遵循以卜原則： 應使主耍干擾和更多的干擾落入副回路； 應使主、副對象的時間常數(shù)匹配； 應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟型綜合以上原則，選擇減溫器和過熱器z間的蒸汽溫度作為副變量。3.1.3操縱變量的選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是 影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因 素。操縱變量的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量； 在以上而提廠 選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎上選擇對被控變量作用效應較快

13、的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng) 響應較快；綜合以上原則，選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。3.2調節(jié)閥的選擇在木系統(tǒng)中，調節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改 變閥的開度，以實現(xiàn)調節(jié)流體流量的裝置。調節(jié)閥的i徑的大小，直接決定著控制介質流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流 通能力，需耍使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。調節(jié)閥的開、關形式需?？紤]到以卜幾種因素： 生產安全角度：當氣源供氣中斷，或調節(jié)閥出故障而無輸出等情況卞，應該確保生 產工藝設備的安全，不至發(fā)生事故； 保證產品質量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復到初始位置時，產品的質量不應 降低;

14、盡可能的降低原料、產品、動力損耗； 從介質的特點考慮。綜合以上齊種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥選擇氣開閥。調節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產中常用的調節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開 特性三種，在木系統(tǒng)中調節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用，閥門定位器是調節(jié)閥的一種輔助裝置，與調節(jié)閥配套使用，它接 受控制器來的信號作為輸入信號，并以其輸出信號去控制調節(jié)閥，同時將調節(jié)閥的閥桿位 移反饋到閥門定位器的輸入端而構成一個閉環(huán)隨動系統(tǒng)，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈 簧的不穩(wěn)定以及齊運動部件的干摩擦，從而提高調節(jié)閥的精度和可靠性，實現(xiàn)準確定位； 閥門定位器增大了執(zhí)行機構的輸出功率，減少了

15、系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度； 閥門定位器還可以改變調節(jié)閥的流量特性。3.3控制器設計由上文論述可知，系統(tǒng)的控制結構選擇串級控制。3.3.1控制器控制規(guī)律的選擇在串級控制中，主變量直接關系到產品的質量或生產的安全，所以主變量一般耍求不 得有余差，而對副變量的要求一般都不很嚴格，允許有一定的波動和余差。從串級控制的 結構上看，主環(huán)是一個定制系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用，為使其穩(wěn)定，主控制器通 常選用比例積分控制器，對于木系統(tǒng)由于控制通道容量z后較大，為克服容量滯后，選用 比例積分微分控制器作為主控制器。副環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了加快跟蹤，副 控制器一般

16、不帶積分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五輸出稍有變化，控 制閥就將大幅度變化，這對控制系統(tǒng)很不利，故副控制器只選用比例控制器。3.3.2控制器正、反作用選擇對于串級控制系統(tǒng)，主、副控制器正、反作用的選擇順序應該是先副后主。副控制器的正、反作用耍根據(jù)副環(huán)的貝體情況決定，而與主環(huán)無關。為了使副環(huán)回路 構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號必須為“負”，即副環(huán)內所有各環(huán)節(jié)放大 倍數(shù)符號的乘積應為“負覽在本設計中隨著調節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即 減溫器后端蒸汽溫度會降低，所以調節(jié)閥對副對象的作用為“負=而調節(jié)閥為氣開閥，即 其控制作用為“止二所以負調節(jié)器的控制作用應為負作

17、用。主控制器的正、反作用耍根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，同時可將副回路 視為一放大倍數(shù)為“止”的環(huán)節(jié)來看待，因為副回路是以隨動系統(tǒng)。這樣只要根據(jù)主對象與 主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負叩勺耍求，就可以確定主控 制器的正、反作用o在木系統(tǒng)中，主對象的放大倍數(shù)為的符號為“止j所以主控制器應選“負” 作用。3.3.3控制器的電路實現(xiàn)主控制器采用pid調節(jié)器，副控制器采用p調節(jié)器，可以使用單片機編程實現(xiàn)p、i、 d的調節(jié)作用，也可以直接使用模擬電路搭建pid調節(jié)模塊，在實際生產中，大多采用制 作成型的pid模塊以保證系統(tǒng)的止常運行。4控制儀表的選擇控制儀表的主耍類型大

18、致分為電動或氣動，電動i型、ii型、iii型，單元組合儀表或 是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動ii型、iii型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不 同，具體的實施方案也不同。電動iii型和電動ii型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制ii 型典型信號為010加1dc,而電動iii型儀表的典型信號為4 iqmadc ,此外。iii型儀 表較ii型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時iii型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路, 使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在木設計中選用電動 iii型儀表。由電動iii型儀表構成的吊級控制系統(tǒng)的基木方案有如卜兩種:圖4-1用

19、電動iii型儀表組成的串級控制系統(tǒng)方塊圖該方案屮采用了兩臺控制器，主、副變量通過一臺雙筆記錄儀進行記錄。由于副控制 器輸出的是，而控制閥只能接受0.02-0 am pa氣壓信號，所以在副控制器與控制閥之間設 置了一個電氣轉換器。圖4-2用電動111空儀表組成的主控串級控制系統(tǒng)方塊圖該方案較于上一方案多設置了一個主控串級控制切換開關，可以根據(jù)不同情況使控制 系統(tǒng)工作于主控方式和串級控制方式下。在木設計屮采用第二種方式可以是控制系統(tǒng)更好的工作，得到更穩(wěn)定的控制輸出。5系統(tǒng)控制流程圖系統(tǒng)整體控制流程圖如下圖:圖5-1系統(tǒng)控制流程圖6總結體會6.1設計總結本設計是基于串級控制系統(tǒng)的鍋爐過熱蒸汽溫度控制

20、系統(tǒng)的設計，對爐溫過熱蒸汽的 良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。采用串級控制系統(tǒng)，可以極大地消除控制 系統(tǒng)工作過程中的各種擾動，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，在系統(tǒng)中控制儀表可進行主控、 串級控制的切換，可滿足系統(tǒng)在不同情況下的控制要求。6.2心得體會本設計綜合運用了模擬電子技術、自動控制理論以及過程控制理論。為了更好的完成 設計，我將已經被束之高閣的一些書籍重新找出，認真閱讀，從中不僅查找到了設計中需 要的知識點，還發(fā)現(xiàn)了一些以前學習中忽略了的知識，在完成設計的同時得到了額外的收 獲。在做這個課程設計z而，我一直以為門己的理論知識學的很好了。但當我拿到設計任 務書的時候，有一種的懵的感覺，不知道如何下手。開始了我又總是被一