第10章_典型过程控制系统设计

第10章典型生产过程控制与工程设计本章要点1）了解电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的控制方案；2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；3）了解精馏塔的控制任务,熟悉各变量之间的关系；4）掌握精馏过程控制系统的设计方法；5）了解工程设计的基本要求与基本内容；6）了解项目报告、施工图的设计方法以及抗干扰问题的解决方案。10.1典型生产过程控制10.1.1电厂锅炉的过程控制一、火力发电厂的生产流程火力发电厂外观在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。汽轮发电机组锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。二、单元机组生产流程示意图（各单元说明。。。）重点以锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制为例讨论它们的控制方案。1－汽轮机高压缸；2－汽轮机中、低压缸；3－汽包；4－炉膛；5－烟道；6－发电机；7－冷凝器；8－补充水；9－凝结水泵；10－循环水泵；11－低压加热器；12－除氧器；13－给水泵；14－高压加热器；15－给水调节机构；16－省媒器；17－过热器；18－减温器；19－汽机高压调汽门；20－再热器；21－再热器减温器；22－汽机中压调汽门；23－媒粉仓；24－燃料量控制机构；25－喷燃器；26－送风机；27－空气预热器；28－调风门；29－水冷壁管；30－引风机；31－烟道挡板。10.1.1.1汽包水位控制1.汽包水位控制的重要性将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。2.汽包水位的控制方案一种可行的控制方案是以汽包水位为主被控参数、给水流量为副被控参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈－反馈串级控制系统。采用这种控制方案的理由分析如下：（1）单冲量水位控制方案以汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差（虚假水位问题。。。）。（2）双冲量水位控制方案如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。图10－1双冲量控制系统流程图及方框图显而易见，该控制方案与单冲量水位控制相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水系统的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水流量信号构成三冲量串级控制系统。（3）三冲量串级控制方案该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流量、给水流量）构成。其中，主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。图10－2汽包水位三冲量串级控制系统流程图三冲量前馈－反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。10.1.1.2过热蒸汽温度控制1．控制要求与过程特性过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在±5℃的范围内。过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内。影响过热蒸汽温度的外界因素很多，例如蒸汽流量、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的温度。各种阶跃干扰对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线如左图所示。图10－3不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线由左图可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有时延和惯性，只是时延和惯性的大小不同而已。2．控制变量的选择与控制方案的确定由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量；若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不宜作为控制变量；若采用减温水流量作为控制变量则既简单又易行。但存在的问题是：①减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；②在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。针对上述存在的问题，如果设计简单控制系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。图10－4过热蒸汽温度串级控制该控制系统是将减温器后的汽温信号烟道气）而偏离给定值时，主汽温信经测量、变送反馈至主调节器，器随之动作，控制调节阀,从而使主汽2T1T1T2T作为副被控参数构成副回路，当减温水自身出现波动时，比主汽温能提前感受到它的影响，并使副调节器及时动作，使减温水的干扰能够及时动作，使减温水的干扰能够及时得到克服。当主汽温因受其它干扰(如号使主调节器发出控制指令改变副调节温控制在允许的范围之内，使控制质量得到保证。为进一步提高控制质量，还可以考虑将负荷干扰作为前馈信号，构成前馈－反馈串级控制系统。10.1.1.3锅炉燃烧过程的控制1．锅炉燃烧过程的控制任务锅炉燃烧过程的控制任务是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：①使锅炉出口蒸汽压力保持稳定；②保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；③使炉膛负压保持恒定；④确保燃烧过程的安全性等。有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量。该控制系统的设计原则是：当生产负荷产生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料量和送风量成一定比例、还要使炉膛负压保持一定的效果；当生产负荷相对稳定时，应保持燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅速消除外界干扰对它们各自的影响。此外，为确保设备与人身安全，对因燃料的流速过快而导致烧嘴背压过高产生的“脱火”现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火”现象，都应设计相应的安全保护系统，防止上述现象的产生。2．蒸汽压力控制方案影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的经济性要求不高时，可以采用调节燃料量以控制蒸汽压力的简单控制方案；而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用燃料量/空气量对蒸汽压力的串级/比值控制方案。图10－5所示为燃烧过程的两种基本控制方案。在串级/比值控制方案中，由于燃料量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主动量，它与空气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使燃料量与空气量保持一定比例，以确保燃烧的充分性。图10－5燃烧过程基本控制方案图10－5a）所示的基本控制方案是将蒸汽压力调节器PC作为串级控制的主调节器，其输出同时作为燃料流量调节器和空气流量调节器FC的设定值，燃料流量调节器和空气流量调节器则构成各自的副回路用以迅速克服它们自身的干扰。图10－5b）所示的基本控制方案是将蒸汽压力与燃料流量构成串级控制，而送风量则随燃料量变化而变化，从而构成比值控制，这样可以确保燃料量与送风量的比例，但该控制方案的缺点是，当负荷发生变化时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化，导致燃烧不充分。图10－6所示的燃烧过程的改进型控制方案。该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器LS先减少燃料量，后减少空气量；而当蒸汽负荷增加、压力减小时，可通过高值选择器HS先加大空气量，再加大燃料量，从而可使两种情况下的燃烧均较为充分。图10－6燃烧过程的改进型控制方案3．燃烧过程的最优化控制方案假如理论上所需的空气量用TqTq表示，但实际上在完全燃烧时所需的实际空气Pq往往要大于,存在一定的过剩空气量。而过剩空气量对不同的燃料都有一个最优值，对于液体燃料，最优过剩空气量约为10％左右。液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图如图10－7所示。量图10－7液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图过剩空气量常用过剩空气率TPqq1来表示，为实际空气量和理论空气量之比，一般情况下，。由此可知，是衡量经济燃烧的一种直接指标。但由于很难直接测量，因而可用与烟气中含氧量a存在的近似关系，计算出a的最优值，即aaa22.0122.022.0例如，当的最优值为1.08～1.15时，可得a的最优值为1.6%～2.9%。因此，烟气中的含氧量a可作为一种衡量经济燃烧的间接指标。在该控制系统中，只要把含氧量成分控制器的给定值按正常负荷下烟气含氧量的最优值设定，即可使过剩空气量稳定在最优值，从而保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。根据以上分析可知，只要在图10－6的控制方案上对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成如图10－8所示的烟气含氧量的闭环控制系统。图10－8烟气含氧量的闭环控制系统要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值还需随之变化，这就需要对图10－8的闭环控制系统进一步加以改进。蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性曲线关系，在实际使用时可用图10－9所示的折线来近似。由图10－9可知，当负荷下降时，烟气中最优含氧量增大，也即意味着过剩空气量增大，反之亦然。图10－9蒸汽流量与最优含氧量近似关系在图10－8所示的闭环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气过剩量进行修正，构成如图10－10所示的最佳烟气含氧量锅炉燃烧控制系统。图10－10最佳烟气含氧量的锅炉燃烧控制系统在该系统中，当蒸汽流量变化时，其变化的信号经函数发生器改变含氧量成分调节器的设定值，然后再由含氧量成分调节器校正过剩空气量，使锅炉燃烧过程在不同负荷下，始终处于最佳过剩空气量的状态。4．炉膛负压控制与安全保护控制方案图10－11所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安全保护控制系统。由图可知，该控制系统又由三个子系统构成。（1）炉膛负压控制：一般可通过控制引风量来实现。（2）防“脱火”控制：通常可以采用自动选择性控制方案。（3）防“回火”控制：是一个连锁保护控制系统。图10－11炉膛负压控制与安全保护控制系统10.1.2精馏塔的过程控制精馏过程的目的是利用混合液中各组分挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规定的纯度。10.1.2.1精馏塔的控制目标及变量分析1．控制目标精馏塔的控制目标通常表现在产品质量、产品产量及能量消耗三个方面。（1）产品质量精馏操作的目的是将混合液中各组分分离为产品，产品质量必须符合规定的要求。（2）产品产量与经济效益任何产品都要求在确保质量的前提下，尽可能提高产品的产量和降低成本、最大限度地提高经济效益。2．变量分析图10－12精馏塔的进、出料流程图（1）不可控干扰：进料流量及进料成分的变化是精馏过程中的主要干扰量。其它干扰如进料温度、进料热焓等，可以通过各自的控制系统使它们保持相对稳定。（2）被控量与控制量：在精馏塔控制中，控制变量与被控变量之间的配对关系共有24种选择。（3）变量配对原则：在变量配对时首先要解决产品成分的变量配对问题。10.1.2.2精馏塔的控制方案1．一端产品质量控制所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或塔底产品要达到规定的纯度，而对另一端的产品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔顶产品成分控制和塔底产品成分控制两种（1）塔顶产品成分控制例如，在对甲醇进行分离的精馏塔中，其进料为甲醇、甲醛和水的混合液，工艺要求把甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参数表如表10－1所示。y1y2y水的成分甲醛成分=0.0032=0.986=0.046甲醇成分387.517.5400流量/kg/s塔底馏出物塔顶馏出物进料y1785.0196.021792.0205.0y11008.0006.0y参数工况成分根据变量配对的要求，通常采用的控制方案是：用塔顶产品流量控制塔顶产品成分；用回流量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液位；蒸汽的热釜（再沸器）进行自身流量的控制，如图10－13所示选用塔顶产品流量作为控制量。在图10－13中，调节器的输出均通过电－气转换后变成气压信号，经气动阀门定位器进行功率放大，进而推动气动薄膜调节阀。图10－13塔顶产品成分控制方案（2）塔底产品成分控制由图可知，用塔底产品流量控制塔底产品成分