鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)課程設計

鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)課程設計過程控制課程設計說明書——鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)院系：化工學院化工機械系班級：10自動化（1）姓名：李正智學號：1020301016日期：2013/12/2-2013/12/15指導老師：王淑欽老師引言蒸汽溫度是鍋爐安全、高效、經(jīng)濟運行的主要參數(shù)，因此對蒸汽溫度控制要求嚴格。過高的蒸汽溫度會造成過熱器、蒸汽管道及汽輪機因過大的熱應力變形而毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低，影響經(jīng)濟運行。鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機，不僅結(jié)構(gòu)比較復雜，效率比較低，并且可靠性也不高。本次課程設計的主要目的是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機組的安全經(jīng)濟運行是非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，過熱蒸汽溫度過高或過低，對鍋爐運行及蒸汽設備是不利的。蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。一般規(guī)定過熱器的溫度與規(guī)定值的暫時偏差不超過±10℃，長期偏差不超過±5℃【1】。如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損。據(jù)估計，溫度每降低5℃，熱經(jīng)濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱汽溫下限不低于其額定值10℃。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在540℃的范圍內(nèi)。由于汽溫對象的復雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現(xiàn)在以下三個方面：（1）影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負荷、減溫水量、煙氣側(cè)的過?？諝庀禂?shù)和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽溫變化。（2）汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，尤其隨著機組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進一步加大了汽溫控制的難度。（3）汽溫對象在各種擾動作用下（如負荷、工況變化等）反映出非線性、時變等特性，使其控制的難度加大。一．生產(chǎn)工藝概述1.1.鍋爐生產(chǎn)工藝介紹鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動力設備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可供生產(chǎn)過程作為熱源，而且還可作為蒸汽透平的動力源。在熱電廠中按鍋爐設備所使用燃料的種類、燃燒設備、爐體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有各種不同的流程。常見鍋爐設備的工業(yè)流程如圖1.1所示[2]：圖1.1鍋爐設備主要工藝流程蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽Ds，然后經(jīng)過熱器成一定汽溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。壓力為Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設備調(diào)節(jié)閥供給生產(chǎn)負荷使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，將飽和蒸汽變成過熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預熱鍋爐預熱空氣，最后經(jīng)引風機送往煙筒排入大氣。

鍋爐設備的控制任務：根據(jù)生產(chǎn)負荷的要求，供應一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng)濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設備將有如下主要的控制系統(tǒng)：⑴鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的水位平衡，使積水量適應鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)；⑵鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應蒸汽負荷的需要，使燃料與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐的安全運行，使引風量與送風量相適應，保持爐膛負壓在一定范圍內(nèi)；⑶過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過工藝允許范圍；⑷鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的水性能指標達到工藝要求。1.2過熱器的介紹過熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度的部件。過熱器概述：過熱蒸汽溫度的高低取決于鍋爐的壓力、蒸發(fā)量、鋼材的耐高溫性能以及燃料與鋼材的比價等因素，對電站鍋爐來說,低壓鍋爐的溫度一般為350~375℃，過熱器前布置有大量對蒸汽管束，進入過熱器的煙溫約在700℃上下。中壓鍋爐多為燒煤粉或重油的室燃爐，其過熱氣溫為450℃，這時的爐膛輻射傳熱的煙溫可達1000℃左右[3]。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量和過熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當有中間再過熱時，情況更為突出，這時必須把一部分過熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部分輻射熱。為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應的提高過熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機膨脹終了的濕度就會過高，影響汽輪機的安全。但蒸汽溫度的增高要受到過熱器鋼材高濕強度性能的限制，因而采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹至某一中間壓力后，引到布置在鍋爐煙道內(nèi)的再熱器，再一次加熱升溫，然后又回到汽輪機的中、低壓缸，繼續(xù)膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許范圍內(nèi)。超高壓機組采用中間再熱時，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟性相對提高6%~8%，在實際設備中，由于有壓降損失，熱經(jīng)濟性的提高比理論值稍低。過熱器可以根據(jù)它所采用的傳熱方式分為對流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種?，F(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成。由于過熱器管壁金屬在鍋爐受壓部件中承受的溫度最高，因此必須采用耐高溫的優(yōu)質(zhì)低碳鋼和各種鉻鉬合金鋼等，在最高的溫度部分有時還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運行中如果管子承受的溫度超過材料的持久強度、疲勞強度或表面氧化所容許的溫度限值，則會發(fā)生管子爆裂等事故。二．蒸汽溫度控制系統(tǒng)的組成與對象靜動態(tài)特性2.1.過熱蒸汽溫度控制的意義與任務鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)。現(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過熱器正常運行的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹而毀壞，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，一般蒸汽溫度降低5-10℃，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱汽溫的降低還會導致汽輪機高壓級部分蒸汽的焓值減小，引起反動度增大，軸向推力增大，也對汽輪機安全運行帶來不利的影響。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。2.2過熱蒸汽溫度控制對象的靜動態(tài)特性2.2.1靜態(tài)特性2.2.1.1鍋爐負荷與過熱汽溫的關(guān)系[4]鍋爐負荷增加時，爐膛燃燒的燃料增加，但是，爐膛中的最高的溫度沒有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說負荷增加時每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對流熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率將增大。因此，對于對流式過熱器來說，當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性，但一般在采用這兩種過熱器串聯(lián)的鍋爐中，過熱器出口蒸汽溫度在某個負荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負荷的增加有所升高。2.2.1.2過剩空氣系數(shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系過?？諝饬扛淖儠r，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。因此，當增大過剩空氣量時將使過熱汽溫上升。2.2.1.3給水溫度與汽溫關(guān)系提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認為：提高給水溫度后，在相同燃料下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對過熱汽溫有顯著的影響。2.2.1.4燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。2.2.2動態(tài)特性目前，火電機組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動下，汽溫控制對象是有煙池、慣性和自平衡能力的。2.2.2.1蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態(tài)特性大型鍋爐都采用復合式過熱器，當鍋爐負荷增加時，鍋爐燃燒率增加，通過對流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負荷的增大而升高。這兩個因素都使對流式過熱器的氣溫升高。然而，當負荷增加時，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蒸汽量增加所需熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降?？梢?，這兩種型式的過熱器對蒸汽流量的擾動的反映恰好相反，只要設計上配合得當，就能使過熱其出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在生產(chǎn)實踐中，通常把對流式過熱器與輻射式過熱器結(jié)合使用，還增設屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量多，綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動態(tài)特性曲線如圖2-1（a）所示。蒸汽流量擾動時，沿過熱器長度上各點的溫度幾乎是同時變化的，延遲時間較小，約為15s左右。圖2-1在擾動下溫度的變化曲線2.2.2.2煙氣側(cè)熱量擾動下蒸汽溫度對象的動態(tài)特性當燃料量、送風量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應曲線如圖2-1（a）所示。它與蒸汽量擾動下的情況類似。2.2.2.3蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動地點（過熱器入口）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。.動態(tài)曲線圖如圖2-1（b）所示。當擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間比較大，滯后時間約為30-60s。綜上所述，可歸納出以下幾點：（1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù)（擾動），其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復雜。（2）在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。三．過熱蒸汽溫度控制原理簡介過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來調(diào)節(jié)因負荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化，為粗調(diào)。另外它還有保護屏式過熱器和對流過熱器受熱面的作用。第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器（末級過熱器）之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。減溫器共有四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。減溫水源為自制冷凝水。目前，過熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：單回路控制系統(tǒng)和串級汽溫控制系統(tǒng)[5]。3.1單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)是各種復雜控制系統(tǒng)的基礎，由于其控制簡單而得到廣泛應用。由圖3.1可知，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的。圖3.1單回路控制系統(tǒng)原理圖理論上減溫器應盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但需在過熱器材料安全的基礎上，這樣會得到較好的動態(tài)特性。但作為控制對象的過熱器由于管壁金屬的熱容量比較大，使其有較大的熱慣性，加上管道有一定較長時間的傳遞滯后，同時在單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器在接受過熱器出口蒸汽溫度的變化后，調(diào)節(jié)器才會開始動作，去控制減溫水的水流量變化又要經(jīng)過一段時間才能影響到蒸汽溫度的變化，這樣既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動，又不能及時反映控制的效果，將使蒸汽溫度發(fā)生不能允許的動態(tài)偏差，即使整個系統(tǒng)采用PID算法。這樣的控制方案會影響到鍋爐生產(chǎn)的安全，而且還不夠經(jīng)濟。3.2串級控制系統(tǒng)由圖3.2可以看出，鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)采用兩級調(diào)節(jié)器串在一起的；兩級調(diào)節(jié)器各有其特殊的任務，調(diào)節(jié)器1直接控制調(diào)節(jié)閥的動作，同時調(diào)節(jié)器2控制著調(diào)節(jié)器1的設定值，從而形成了特殊的雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中副環(huán)由調(diào)節(jié)器1和減溫水出口溫度組成，調(diào)節(jié)器2和出口蒸汽溫度形成的閉環(huán)為主環(huán)。主環(huán)和副環(huán)一起構(gòu)成了一個完整的串級控制系統(tǒng)。其中調(diào)節(jié)器1為副調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器是調(diào)節(jié)器2。圖3.2過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)原理圖串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖3.3所示，具有內(nèi)外兩個回路。內(nèi)回路由導前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個內(nèi)回路組成。由圖可知，主調(diào)節(jié)器的輸出即副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出直接送往調(diào)節(jié)閥。其中主調(diào)節(jié)器的的給定值使是一個定值，所以主回路是一個定值控制系統(tǒng)。而副回路的給定值是由主調(diào)節(jié)器的輸出給定的，所以它隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化，為一個隨動控制系統(tǒng)。圖3.3串級控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，通過減溫水的控制達到控制蒸汽溫度的效果。由于汽溫對象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用PID控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律。在主、副調(diào)節(jié)器均具有PI控制規(guī)律的情況下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零。從而提高了整個系統(tǒng)的準確度和實用性。再者，在串級控制系統(tǒng)中，兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作，但是以主調(diào)節(jié)器為主導，保證主變量為目的，在整個控制過程兩個調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)一致，互相配合，若干擾來自副回路，副調(diào)節(jié)器首先進行粗調(diào)，主調(diào)節(jié)器再進一步進行細調(diào)。相對于過于簡單的單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)越。具體體現(xiàn)在：⑴由于副回路的存在，減少了控制對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加明顯；⑵在一定程度上提高了系統(tǒng)的工作頻率，使震蕩周期明顯縮短，調(diào)節(jié)時間也有一定程度上的縮短，系統(tǒng)的快速性相對增強了；⑶整個控制系統(tǒng)對二次干擾即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動具有很強的克服能力，這是單回路控制系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的；⑷對負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)更適應鍋爐蒸汽溫度的控制。四．過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計4.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定4.1.1主變量的選擇根據(jù)串級控制系統(tǒng)選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應盡量選擇能直接反映控制目的的參數(shù)為主變量；其次，要選擇與控制目的有某些單值對應關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；最后，所選的主變量必須要足夠的變化靈敏度。所以，在本系統(tǒng)中需選擇送入負荷設備的出口溫度作為主變量。該參數(shù)可以直接反映本系統(tǒng)的控制目的。4.1.2副變量的選擇副回路應該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設計時，副參數(shù)的選擇應使得副回路盡可能多的包括一些擾動。同時要求主、副對象的時間常數(shù)應適當匹配。并且應保證副變量的選擇能實現(xiàn)生產(chǎn)工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟性。綜上所述，應選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。4.1.3操縱變量的選擇控制變量和擾動變量是工業(yè)過程的兩大輸入變量。其中，干擾時刻存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服干擾的影響，是系統(tǒng)能重新穩(wěn)定運行的因素。選擇操縱變量的基本原則為：⑴選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入量作為操縱變量；⑵在⑴的前提下，選擇變化范圍較大的輸入量作為控制變量，以便于控制；⑶在⑴的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應較快；綜上所述，應選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。4.2執(zhí)行器的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大小和方向，改變閥門的開度，來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要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。在正常工況下一般要求調(diào)節(jié)閥開度應處于15%—85%之間，具體應根據(jù)實際需要的流通能力的大小進行選擇。調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動方式可分為：氣動調(diào)節(jié)閥、電動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥，即以壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié)閥，以電為動力源的電動調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動力的電液動調(diào)節(jié)閥；由于生產(chǎn)現(xiàn)場有防爆要求，所以應選擇氣動執(zhí)行器。此設計中的串級控制系統(tǒng)主要是通過換熱來達到控制的目的，過熱蒸汽在過熱器內(nèi)與減溫水進行熱交換被冷卻，調(diào)節(jié)閥安裝在減溫水的管道上，用換熱后的蒸汽溫度來控制減溫水的水量，在氣源中斷時，調(diào)節(jié)閥應處于開啟位置更安全些，宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥。4.3控制儀表的選擇4.3.1溫度變送器的選擇溫度變送器可分為電動和氣動，常用的控制儀表有電動Ⅱ型、Ⅲ型。再串級系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動Ⅱ型和電動Ⅲ型儀表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信號而言是存在差異的。具體表現(xiàn)在：電動Ⅱ型的典型控制信號為0~10mADC,電動Ⅲ型的典型控制信號時4~20mADC。另外，與Ⅱ型儀表相比Ⅲ型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時Ⅲ型儀表還有較完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換更為方便，隨時都可以進行轉(zhuǎn)換，而且保證無干擾。綜上所述，在本設計中需選用電動Ⅲ型儀表。4.3.2溫度傳感器的選擇溫度傳感器有熱電偶和熱電阻兩種。在本設計中，最好選用熱電偶溫度傳感器。原因在于熱電偶的測溫范圍廣（－200℃～1300℃,特殊情況下－270℃～2800℃），耐高溫，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，更換方便，壓簧式感溫元件，抗震性能好，可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度[6]。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動的影響，且距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩(wěn)定的地方。補償導線的作用如圖4.1所示。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點調(diào)整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結(jié)補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓，當熱電阻的鏈接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。為了消除導線電阻帶來的測量誤差，不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值符合規(guī)定的數(shù)值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法，如圖4.2所示，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響電橋平衡，另外兩根被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵消。圖4.1補償導線的作用圖4.2熱電阻三線制接法具有采用K型熱電偶。原因在于：⑴K型熱電偶可以直接測量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。⑵K型熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強，價格便宜等優(yōu)點，能用于氧化性惰性氣氛中。4.4主、副控制器控制規(guī)律的選擇由于在控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的任務不同，對它們各自的選擇也應有不同的考慮。主調(diào)節(jié)器的任務是準確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時又有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的任務是要快速動作以迅速消除進入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復雜性，在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。4.5控制器正、反作用的選擇對于一個完整的串級控制系統(tǒng)，主、副控制器的正、反作用的判斷應該是先副后主。副回路的正、反作用的選擇：副回路的具體情況決定了副控制器的正、反作用，而與主回路無關(guān)。為了使副回路能構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以副回路的開環(huán)放大系數(shù)符號必須是“正”。即副回路中所有環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)符號的乘積為“正”。在本串級控制系統(tǒng)中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，減溫水的流量會隨之增加，副對象即減溫器后端蒸汽會有一定幅度的降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用為負；而調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)閥，其控制作用為負；變送器的控制作用均為正，為了保證開環(huán)放大系數(shù)乘積的符號為“負”，所以副調(diào)節(jié)器的控制作用符號需為“正”，即副調(diào)節(jié)器的控制作用為反作用。主回路的正、反作用的選擇：與副回路相同，主回路中主控制器的正、反作用要根據(jù)主回路所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，同時由于副回路是一隨動系統(tǒng)，所以可將整個副回路視為一放大系數(shù)為負的環(huán)節(jié)來對待。在本系統(tǒng)中，隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，主對象即過熱器出口的蒸汽溫度會降低，所以主對象的放大倍數(shù)的符號為負，為了保證開環(huán)放大系數(shù)乘積的符號為“正”，所以主控制器的控制作用符號“正”，即控制器的控制作用為反作用。4.6過熱器溫度聲光報警溫度是熱水鍋爐運行過程中的重要參數(shù)，對它的測量和控制是保證熱水鍋爐安全運行的重要手段。一般采用溫度控制器和聲光信號組成超溫報警裝置。五．MATLABsimulink仿真以某300MW機組過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為例，由資料【7】可得出過熱蒸汽溫度控制對象的的傳遞函數(shù)為：其中減溫器與過熱器之間的控制對象的傳遞函數(shù)為：過熱蒸汽出口控制對象的傳遞函數(shù)為：5.1則采用串級控制時的系統(tǒng)框圖建立與仿真結(jié)果當階躍輸入為1時，過熱器與減溫器之間的溫度輸出曲線為：當階躍輸入為1時，過熱蒸汽出口溫度輸出曲線為：由兩曲線課看出，輸出的穩(wěn)態(tài)誤差較大，并且調(diào)節(jié)時間較長，不能達到理想的控制效果。5.2采用PID串級控制時的系統(tǒng)框圖建立與仿真結(jié)果內(nèi)環(huán)Kp=10Ki=0.1Kd=0外環(huán)Kp=0.5Ki=0.01Kd=0 當階躍輸入為1時，過熱器與減溫器之間的溫度輸出曲線為：當階躍輸入為1時，過熱蒸汽出口溫度輸出曲線為：當采用PID串級控制時，系統(tǒng)響應時間及調(diào)節(jié)時間變小，但在個人嘗試多次后在控制效果上還是未能達到理想的效果。六．設計心得 通過這次課程設計，鍋爐設備有了更全面的了解和認識，尤其是用AUTOCAD軟件繪制鍋爐設備控制系統(tǒng)的過程，使我對鍋爐設備各個部分有了更清楚的認識，對工程畫圖有了熟練的掌握。鍋爐設備根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求，可以有多重不同的控制系統(tǒng)，而我們組的任務是設計鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，在設計中，通過對方案的分析與論證，我們選用串級控制系統(tǒng)，這使我對串級控制系統(tǒng)有了更詳細更深如的了解和認識。我個人設計沒有太多的改變書中控制系統(tǒng)的設計過程，幾乎按照課本《過程控制系統(tǒng)》提供的步驟進行，這使我，對控制系統(tǒng)設計從方案到各種變量的選擇、再到各個環(huán)節(jié)的選擇及參數(shù)確定、最后到參數(shù)整定，整個過程有了更清晰的把握，對控制系統(tǒng)設計有了一個比較清晰的輪廓，這對于我以后的工作將有很大的影響。當然