第九章過程控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用

西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院1第九章過程控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用

9.1典型傳熱設(shè)備的過程控制9.1.1概述鍋爐是國民經(jīng)濟各行業(yè)必不可少的重要傳熱設(shè)備驅(qū)動發(fā)電機動力機構(gòu)的動力源作為熱源提供給工業(yè)生產(chǎn)裝置民用取暖設(shè)施西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院2鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖鍋爐熱力系統(tǒng)流程西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院3鍋爐燃燒系統(tǒng)流程高溫?zé)煔饪諝忸A(yù)熱器西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院4鍋爐設(shè)備的調(diào)節(jié)任務(wù)鍋爐供應(yīng)的蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化的需要或保持給定的負(fù)荷；鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)；過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)；汽包中的水位保持在一定范圍內(nèi)；保持鍋護燃燒的經(jīng)濟性和安全運行；爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院5鍋爐設(shè)備控制的若干個控制系統(tǒng)給水自動控制系統(tǒng)鍋爐燃燒的自動控制過熱蒸汽系統(tǒng)的自動控制熱力除氧鍋爐水處理過程控制西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院6給水自動控制系統(tǒng)(鍋爐汽包水位的控制)鍋爐汽包內(nèi)部保持一定的蒸發(fā)空間?？刂谱兞渴墙o水流量。（汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)蒸發(fā)量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內(nèi)）維持汽包中水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐、汽輪機安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標(biāo)志之一。汽包西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院7鍋爐燃燒的自動控制主要目的：使燃料和空氣達到合理比例燃料的安全燃燒被控變量：蒸汽壓力(負(fù)荷)、煙氣成分和爐膛負(fù)壓控制變量：燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量爐膛負(fù)壓保持在一定的范圍內(nèi)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院8過熱蒸汽系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)設(shè)置目的：對于蒸汽的溫度、壓力以及含水量等有要求被控變量：過熱蒸汽溫度控制變量：噴水量西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院99.1.2鍋爐汽包水位的控制

1、控制通道的特性

曲線H2：給水溫度<汽包內(nèi)飽和水溫度——給水流量的增加的初始階段，從原來飽和水中吸取部分熱量，導(dǎo)致水位下降直線H1:水位隨著給水量的增加而直線上升水位變化的曲線H——H1、H2的疊加給水流量作用下的鍋爐水位響應(yīng)曲線西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院10數(shù)學(xué)描述近似積分環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)傳遞函數(shù)表示

K0響應(yīng)速度——給水流量變化單位流量時，水位的變化速度

西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院11“單沖量”控制系統(tǒng)

單沖量——汽包的水位阻止水位達到給定值用戶蒸汽用量

西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院122、干擾通道的特性

曲線H1：蒸汽流量D增加時，蒸汽量D大于給水量，水位下降曲線H2：蒸汽流量增加，瞬時間導(dǎo)致汽包壓力的下降，汽包內(nèi)的水沸騰突然加劇，水位上升曲線H：H1和H2的疊加?！疤摷偎弧闭羝髁繑_動作用下的水位階躍響應(yīng)曲線西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院13H包含兩個方面一方面：蒸汽流量增加時，在燃料量不變的情況下，汽包水位直線下降——H1，數(shù)學(xué)模型：一方面：蒸汽流量增加，汽包內(nèi)部壓力降低，造成虛假水位，水位上升——H2。數(shù)學(xué)模型：蒸汽流量擾動時，水位變化動態(tài)特性傳遞函數(shù)

西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院14單沖量存在的問題1、負(fù)荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作。如：負(fù)荷增大→虛假水位上升→調(diào)節(jié)器接受到虛假的信號→調(diào)節(jié)閥反向關(guān)小給水→不能增加水位2、負(fù)荷變化時，控制作用緩慢。3、給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，動作作用緩慢。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院15雙沖量控制系統(tǒng)（蒸汽流量和鍋爐水位）前饋－反饋控制系統(tǒng)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院16三沖量控制系統(tǒng)前饋－串級控制系統(tǒng)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院17控制方式選擇如：蒸發(fā)量小的鍋爐——單沖量簡單控制系統(tǒng)如：大型鍋爐系統(tǒng)——串級控制系統(tǒng)如：多用戶蒸汽系統(tǒng)——前饋控制西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院189.1.3蒸汽過熱系統(tǒng)的控制組成：一級過熱器、減溫器、二級過熱器任務(wù)：使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并且保護過熱器使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱氣溫：鍋爐汽水通道中溫度最高的地方減溫器過熱器西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院19影響過熱氣溫的擾動因素蒸汽流量燃燒工況減溫水量流經(jīng)過熱器的煙氣溫度、流速西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院20過熱氣溫控制方法廣泛采用方法：減溫水流量（時滯和時間常數(shù)大）串級控制系統(tǒng)——減溫器出口溫度為副被控變量（減少過熱氣溫的動態(tài)偏差）西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院21雙沖量控制系統(tǒng)——減溫器出口溫度經(jīng)微分器作為一個沖量

西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院228.1.4鍋爐燃燒過程的控制

燃料種類燃燒設(shè)備鍋爐形式西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院231．燃燒過程自動控制任務(wù)1、使鍋爐出口蒸汽壓力穩(wěn)定2、保證燃燒過程的經(jīng)濟性3、保持爐膛負(fù)壓恒定可供調(diào)節(jié)的手段：燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量控制系統(tǒng)設(shè)計的總原則應(yīng)當(dāng)是：生產(chǎn)負(fù)荷變化時，燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量應(yīng)同時協(xié)調(diào)動作西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院242．蒸汽壓力控制和燃料與空氣比值控制系統(tǒng)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)——燃料與空氣保持一定比例主流量K燃料調(diào)節(jié)器送風(fēng)調(diào)節(jié)器西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院25蒸汽壓力－燃料流量串級控制（送風(fēng)量隨燃料量變化而變化的比值控制）缺點：負(fù)荷發(fā)生變化時，送風(fēng)量變化落后于燃料變化。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院26燃燒過程改進方案負(fù)荷減少時，先減燃料量后減空氣量；負(fù)荷增加時，先加大空氣量，以使燃燒完全。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院273．燃燒過程的煙氣氧含量閉環(huán)控制鍋爐的熱效率(經(jīng)濟燃燒)主要反映在煙氣成分(特別是氧含量)和煙氣溫度兩個方面。煙氣中成分：氧氣、二氧化碳、一氧化碳和未燃燒烴——反映燃料燃燒的情況最簡便的方法：煙氣中氧含量。實際上完全燃燒所需的空氣量要超過理論計算的量——要有一定過?？諝饬?。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院28西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院29過剩空氣系數(shù)α表示——實際空氣量Qp與理論空氣量QT之比α與煙氣氧含量有直接關(guān)系，A0——煙氣含氧量過?？諝饬窟^?？諝饬浚ǎィ┪髂厦褡宕髮W(xué)電氣信息學(xué)院30煙氣氧含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院31蒸汽負(fù)荷經(jīng)常變動——增加折線函數(shù)發(fā)生器折線函數(shù)發(fā)生器蒸汽量西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院324．多種燃料時過?？諝饧叭剂吓浔鹊目刂葡到y(tǒng)

（1）低過剩空氣的控制系統(tǒng)控制方法：以總理論空氣量為基準(zhǔn)，即根據(jù)各燃料的流量，分別計算出理論空氣量，相加后作為確定燃料空氣量的基準(zhǔn)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院33（2）燃料任意配比的控制系統(tǒng)增設(shè)運算符，組成燃料任意配比的控制系統(tǒng)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院345.爐膛負(fù)壓控制與有關(guān)安全保護系統(tǒng)爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)防脫火系統(tǒng)防回火系統(tǒng)西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院35蒸汽過熱系統(tǒng)汽包水位控制西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院369.2典型傳質(zhì)設(shè)備的過程控制傳質(zhì)過程的控制是工業(yè)過程控制的重要環(huán)節(jié)。本節(jié)以精餾塔為例精餾在化工、石油、煉油生產(chǎn)中極為重要。西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院37西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院38西南民族大學(xué)電氣信息學(xué)院39精餾塔溫度控制方案1物料平衡控制方法按精餾段的質(zhì)量指標(biāo)來控制餾出液量D，并保持Q不變。優(yōu)點：物料與能量平衡之間的關(guān)聯(lián)最??；一旦塔頂產(chǎn)品質(zhì)量不合格，溫度控制器關(guān)閉出料閥。缺點：質(zhì)量反饋的控制回路滯后大。本方案適于餾