第15章 典型工业过程控制系统

刘玉长第十五章典型工业过程控制系统第一节锅炉设备的控制第二节传热设备的控制第三节加热炉燃烧过程控制第四节流体输送设备的控制刘玉长第一节锅炉设备的控制锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。刘玉长锅炉设备的工艺流程热空气燃料燃料嘴炉膛汽包过热器减温器PMD负荷设备调节阀过热蒸汽送负荷设备炉墙省煤器热空气送往炉膛给水空气预热器冷空气烟气(经引风机送往烟囱)刘玉长锅炉由两大部分组成：第一部分为燃烧系统，由送风机、空气预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统，由给水系统、省煤器、汽包和过热器等组成。工作时，燃料和空气按一定比例进入炉膛燃烧，燃烧释放的热量通过蒸汽发生系统产生饱和蒸汽，再经过过热器将饱和蒸汽加热成满足一定质量(温度、压力)指标的过热蒸汽输出，供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的高温烟气经过过热器，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水，再经过空气预热器预热锅炉送风，最后经引风机送往烟囱排入大气，每经过一个环节，烟气的温度都会有所降低，使燃料燃烧热量得到充分利用。刘玉长锅炉设备的控制问题给水量减温水燃料量送风量引风量水位蒸汽温度蒸汽压力过剩空气炉膛负压负荷锅炉设备工程上一般将锅炉的控制系统划分为：汽包水位控制系统、燃烧控制系统和过热蒸汽控制系统，下面分别对这三个控制系统的典型方案进行讨论。刘玉长一、锅炉汽包水位的控制被控变量：汽包水位，用H(s)表示；控制变量：汽包给水量流量，用G(s)表示；主要干扰：蒸汽负荷(蒸汽流量)，用D(s)表示；其它扰动：给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变化；通道对象：非自衡、反向特性、非线性等特性。刘玉长(一)汽包水位的对象特性1、控制通道特性当突然加大给水量G后，汽包水位H一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。其传递函数等效于一个积分环节和纯滞后环节的串联：式中e为给水流量作用下，阶跃反应曲线的飞升速度；t为纯滞后时间，给水温度越低，t越大，一般约在15～100s之间，采用省煤器时在100～200s之间。0()()sHseGsstettGH刘玉长2、干扰通道特性(蒸汽流量变化)其他条件不变，蒸汽流量D突然增加时：(1)一方面，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减少(如下图)。其传递函数等效于一个非自衡单容对象(积分环节)：tΔDΔH1式中ef为为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的斜率。1()()fHsDsseH0刘玉长蒸汽流量突变时的“虚假水位”(2)另一方面，蒸汽流量突然增加导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅炉蒸发管(水冷壁)内的水沸腾突然加剧，水中汽泡数量迅速增加，汽泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加(水量实际上在减少)导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”现象，其响应曲线如下，传递函数等效于一个惯性环节：tΔDΔH2222()()1HsKDsTs式中K2、T2分别为只考虑水面下汽泡体积变化所引起的水位变化的放大倍数和时间常数。H0刘玉长(3)其他条件不变，总的蒸汽流量D突然增加时的响应曲线如下，为典型的“反向特性”。传递函数为：tΔDΔH2ΔH1ΔH蒸汽流量变化的反向特性H022()()1fKHsDssTse蒸汽流量阶跃干扰下的汽包水位响应曲线刘玉长(二)锅炉汽包水位的控制1、汽包水位的单冲量控制如图所示为单冲量水位控制系统仪表流程图。这里的冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。这种单冲量系统适用于小型锅炉。LC蒸汽汽包省煤器给水单冲量控制系统刘玉长单冲量汽包水位控制系统的特点结构简单，投资少。适用于虚假水位不严重，负荷较平稳的场合(小型锅炉)。为安全运行，可设置水位报警和联锁控制系统。但由于存在虚假水位的反向特性，当负荷变化比较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。此外，由于蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此，控制不及时。刘玉长2、汽包水位的双冲量控制双冲量水位控制系统利用蒸汽流量变化信号对给水量进行补偿控制，从而不仅可以消除或减小虚假水位现象对汽包水位的影响，而且使给水控制阀的调节更及时。双冲量：汽包水位与蒸汽流量。LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFC1PC+C2PF+C0双冲量控制系统刘玉长汽包水位的双冲量控制LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFC1PC+C2PF+C0实质上是一个前馈－反馈控制系统。前馈补偿原理：假设调节阀为气关阀，C1=1，则调节器为正作用，而C2应取负号，具体数值可现场调整或根据阀门特性计算其初始值。前馈-反馈控制系统刘玉长双冲量控制的特点双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位的影响，但对给水流量扰动的影响未加考虑，因此适用于给水流量波动较小的场合。刘玉长3、汽包水位的三冲量控制汽包水位是主被控参数，也称主冲量；给水流量为副被控参数，蒸汽流量是前馈补偿的主要扰动，给水流量与蒸汽流量也称为辅助冲量。它实际上是一个前馈-串级复合控制系统。LC蒸汽汽包省煤器给水∑PCPFFC∑LC水位蒸汽FC给水PCPFC1PC+C2PF+C0刘玉长三冲量控制系统的简化连接∑LC水位蒸汽给水C1C2C3∑LC水位蒸汽给水C3C1C2只采用一个控制器刘玉长二、锅炉燃烧系统的控制锅炉燃烧控制系统是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需求，同时保证锅炉的经济、安全运行。第一，为适应蒸汽负荷的变化，应及时调整燃料量；第二，为完全燃烧，应控制燃料量与空气量的比值，使过剩空气系数满足要求；第三，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛负压。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回火和防喷嘴背压过高的脱火措施。锅炉燃烧控制系统与燃料的种类、燃烧设备以及锅炉形式有关，以下以燃油锅炉燃烧控制系统为例。刘玉长(一)燃烧控制任务及被控量与操纵量选择控制任务：锅炉蒸汽出口压力稳定；燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压稳定。被控变量：蒸汽出口压力；燃料量与送风量比值；炉膛负压。操纵变量：燃料量；送风量；抽风量。刘玉长(二)燃烧过程的控制方案一：串级-比值控制系统该方案包括以蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统；以及燃料量为主动量、空气量为从动量的比值控制系统。该方案能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，空气量能够跟踪燃料量变化，但是送入的空气量滞后于燃料量的变化。刘玉长燃烧控制方案二：串级-串级控制系统包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统，及蒸汽压力为主被控变量、空气量为副被控变量的串级控制系统。系统中燃料量与空气量的比值关系是通过燃料控制器和空气控制器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。刘玉长方案三：逻辑提量/减量控制系统该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。既能保证蒸汽压力恒定，又可实现燃料的完全燃烧。两个并列的副环具有逻辑比值功能，使该控制系统在稳定工况下能够保证空气和燃料在最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近。提蒸汽负荷时，先提空气量，后提燃料量；减负荷时先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。刘玉长方案四：双交叉燃烧控制该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。其中，两个并列的副环具有逻辑比值功能，使该控制系统在稳定工况下能够保证空气和燃料在最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近，因此，具有良好的经济效益和社会效益。该方案可方便地在计算机控制装置或DCS中实现，图中，HLM和LLM分别是高限限幅器和低限限幅器；HSE和LSE分别是高选器和低选器。刘玉长双交叉燃烧控制系统框图刘玉长(三)烟气含氧量闭环控制系统燃烧过程控制保证了燃料和空气的比值关系，但并不保证燃料的完全燃烧，燃料的完全燃烧与燃料的质量、热值等因素有关。不同的锅炉负荷下，燃料量和空气量的最佳比值也会不同，因此，需要有一个检查燃料完全燃烧的指标，并根据户该指标控制送风量的大小，衡量燃烧过程是否完全燃烧的常用控制指标是烟气中的含氧量。刘玉长烟气含氧量的闭环控制系统FCFCPCACLSHS蒸汽压力燃料量空气量含氧量×燃料阀空气阀I1I2IpI4I3Q2Q1K烟气含氧量闭环控制系统是在原逻辑提量和减量控制系统的基础上，将原来的定比值改变为变比值。刘玉长(四)炉膛负压控制及安全控制系统为保证锅炉安全运行，必须保证炉膛一定的负压。当炉膛负压过小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气外冒，影响设备和工作人员的安全；当炉膛负压过大时，会使大量冷空气进入炉膛，增加热量损失，降低炉膛的热效率。刘玉长1、炉膛负压控制炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力，操纵变量是引风量。当锅炉负荷变化不大时，可采用单回路控制系统。当锅炉负荷变化比较大时，应引入扰动量的前馈信号，组成前馈-反馈控制系统。刘玉长2、防止回火控制系统当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，会发生回火事故，为此，采用压力开关PSA，当压力低于下限设定值时，使联锁控制系统动作，切断燃料控制阀的上游切断阀，防止回火，如图所示。也可采用选择性控制系统，将喷嘴背压的信号送背压控制器，与蒸汽压力和燃料量串级控制系统进行选择控制。刘玉长3、防止脱火的选择性控制系统当燃料压力过高时，由于燃料流速过快，易发生脱火事故，为此，设置燃料压力和蒸汽压力的选择性控制系统。正常时，燃料控制阀根据蒸汽负荷的大小调节，一旦燃料压力过高，燃料压力控制器PC2的输出减小，被低选器选中，由燃料压力控制器PC1取代蒸汽压力控制器PC2，防止脱火事故发生。刘玉长三、蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统一般包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务：是使过热器出口温度维持在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度。影响因素：如蒸汽流量、燃烧工况、引入过热器蒸汽的热焓(即减温水量)、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热蒸汽温度。控制特点：在各种扰动下，气温控制过程动态特性都有时滞性和惯性，且较大，这给控制带来一定困难，所以要选择好操纵变量和合理控制方案，以满足工艺要求。刘玉长蒸汽过热系统的控制方法常用减温水作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量，组成单回路控制系统，但控制通道的时滞和时间常数都比较大，因此也可引入减温器出口温度作为副被控变量，组成串级控制系统。有时，也可组成双冲量控制系统，即前馈-反馈控制系统，将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器的测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。刘玉长过热器温度控制系统图双冲量控制系统(前馈)串级控制系统刘玉长采用DCS进行控制的锅炉系统刘玉长第二节传热设备的控制一、概述实现冷热两流体换热的设备称为传热设备，或叫换热器。传热过程是工业生产过程中极其重要的组成部分，对传热设备的控制是过程控制的一个重要方面。刘玉长(一)换热器结构类型换热有直接与间接换热两种方式，其中直接换热是指冷热两流体直接混合以达到加热或冷却的目的；在间接换热中，冷热两流体用管子、板等间壁隔开，热量首先从温度较高的热流体传给间壁，间壁再将热量传给温度较低的冷流体。在工业过程中，间壁换热较为普遍。刘玉长常见的间壁换热器结构型式刘玉长(二)换热器中的热量传递方式热量的传递方向是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温度差是传热的推动力，温差越大，传热速率(单位时间内传递的热量)也就越大。热量传递有三种基本方式：导热(HeatConduction)、对流(Convection)和热辐射(ThermalRadiation)。在实际进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成的，这不仅表现在互相串联的几个换热环节中，而且同一环节也常是如此。需具体问题具体分析。刘玉长(三)换热器对象的动态特点传热设备的自动控制系统中被控变量