樓宇自動化課程設計--關于鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計

1、<p>　　關于鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計 </p><p>　　【摘要】本文主要介紹了鍋爐出口蒸汽溫度是怎樣一步一步進行系統(tǒng)控制的？然后再對整個系統(tǒng)進行分析與設計，在整個溫度控制系統(tǒng)的設計與分析中，分別對串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)進行了分析與闡述，通過分析比較發(fā)現(xiàn)，采用串級控制系統(tǒng)控制效果更好，它可以提高系統(tǒng)的控制性能，從而達到更好的控制效果。通過使用該控制系統(tǒng)，可以使鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的

2、范圍內(nèi)變化，并保證過熱器壁溫度不超過工作允許的溫度，使其能夠正常工作。</p><p>　　【關鍵字】過熱蒸汽溫度控制；串級控制系統(tǒng)；自動控制；</p><p>　　Design of boiler steam temperature control system</p><p>　　【Abstract】This paper mainly introduced th

3、e boiler does export the vapor temperature is carries on the systems control how gradually? Then carries on the analysis and the design to the overall system, in the entire temperature control system design and the analy

4、sis, separately has carried on the analysis and the elaboration to the cascade control system and the single return route control system, through the analysis comparison discovery, uses the cascade control systems contro

5、l effect to be bett</p><p>　　【Key words】Superheat vapor temperature control; Cascade control system; Automatic control;</p><p><b>　　引言</b></p><p><b>　　一、緒論：</b&

6、gt;</p><p>　　鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅動透平的動力源，又可作為精餾、干燥、反應、加熱等過程的熱源。其分布面廣，數(shù)量多，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。</p><p>　　隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的過濾，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。為了適應生產(chǎn)發(fā)展的需要，且基于控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制

7、技術，如自適應控制、模型預測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。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要原因。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。因此，本設計基于解決減溫水擾動下保證過熱器出口蒸汽溫度的穩(wěn)定的問題。</p><p

8、>　　二、鍋爐設備的介紹及設計任務的分析：</p><p>　　1、關于鍋爐設備的介紹</p><p>　　鍋爐是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程必不可少的重要動力設備，它所產(chǎn)生的高壓蒸汽既可作為驅動透平的動力源，又可作為精餾、干燥、反應、加熱等過程的熱源。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，作為動力和熱源的過濾，也向著大容量、高參數(shù)、高效率的方向發(fā)展。</p><p>　　

9、鍋爐設備根據(jù)用途、燃料性質、壓力高低等有多種類型和名稱，工藝流程多種多樣，常用的鍋爐設備的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是由給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管等組成。</p><p>　　燃料與空氣按照一定比例送入鍋爐燃燒室燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽，形成一點觀其文的過熱蒸汽，在匯集到蒸汽母管。過熱蒸汽經(jīng)負荷設備控制，供給負荷設備用，于此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還經(jīng)省煤器

10、預熱鍋爐給水和空氣預熱器預熱空氣，最后經(jīng)引風送往煙囪，排入大氣。</p><p>　　鍋爐設備主要工藝流程圖</p><p>　　鍋爐設備的控制任務是根據(jù)生產(chǎn)負荷的需要，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。為達到這些控制要求，鍋爐設備將有多個不同的控制系統(tǒng)，如下：</p><p>　　鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，要求保證汽包水位平穩(wěn)；</

11、p><p>　　鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，要求保證過熱蒸汽溫度穩(wěn)定；</p><p>　　鍋爐蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)，要求保證蒸汽出口壓力保持在一定范圍內(nèi)，同時實現(xiàn)邏輯提量和邏輯減量；</p><p>　　鍋爐蒸汽出口壓力控制系統(tǒng)，要求保證蒸汽出口壓力保持在一定范圍內(nèi)，同時實現(xiàn)燃燒過程的經(jīng)濟運行；</p><p>　　鍋爐爐膛負壓控制系統(tǒng)，要求保證

12、爐膛負壓在一定范圍內(nèi)，以保證鍋爐的安全運行。</p><p>　　鍋爐安全連鎖控制系統(tǒng)，以防止回火和脫火。</p><p>　　本設計根據(jù)任務要求主要對鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行設計與分析。</p><p>　　2、任務分析與設計思路</p><p>　　鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)則是鍋爐系統(tǒng)安全正常運行，確保蒸汽質量的重要部分。這個設計我們

13、的任務是鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計與分析。</p><p>　　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范圍內(nèi)，并保護過熱器時管壁溫度不超過允許的工作溫度。</p><p>　　我們知道，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，所以必須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。</p><p>　　在

14、鍋爐生產(chǎn)過程中，過熱蒸汽溫度是整個汽水通道中最高的溫度。過熱器溫度過高將導至過熱器損壞，同時還會危及汽輪機的安全運行。影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：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。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：</p><p>　　(1) 克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫

15、度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸氣質量合格：</p><p>　　(2) 保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。</p><p>　　本設計主要以控制減溫水流量的變化來設計對過熱蒸汽溫度的自動調節(jié)。</p><p>　　三、控制原理簡介及設計方案的確定：</p><p>　　隨著生產(chǎn)的發(fā)展以及工藝的進一步改進，于是對操作條件要求會更加嚴

16、格，變量間的相互關系也更加復雜了。為了適應生產(chǎn)發(fā)展的需要，且基于控制理論的發(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(jīng)網(wǎng)絡等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。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要原因。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。因此

17、，本設計基于解決減溫水擾動下保證過熱器出口蒸汽溫度的穩(wěn)定的問題。</p><p><b>　　1、控制方案選擇:</b></p><p>　?。?）單回路控制方案</p><p>　　在系統(tǒng)運行過程中，改變減溫水流量，實際上是改變過熱器出口蒸汽的熱焙，亦改變進口蒸汽溫度，如下圖所示：</p><p>　　鍋爐過熱蒸汽單回

18、路控制系統(tǒng)</p><p>　　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。</p><p>　　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口處，但一定要考慮過熱器材科的安全問題，這樣能夠獲得較好的動態(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，使之有較大的熱慣性。加上管道較長有一定的傳遞滯后，如果用上圖所示的控制系統(tǒng)，調節(jié)器

19、接受過熱器出口蒸汽溫度t變化后，調節(jié)器才開始動作，去控制減溫水流量F的變化又要經(jīng)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果，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(chǎn)的安全和經(jīng)濟運行。</p><p>　　實際中過熱蒸汽控制系統(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(chǎn)的要求。因此常采用串級控制系統(tǒng)，減溫器

20、出口溫度為副參數(shù)，以提高對過熱蒸汽溫度的控制質量。</p><p><b>　?。?）串級控制方案</b></p><p>　　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，各有其特殊任務，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，形成了特有的雙閉環(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

21、環(huán)。由主調節(jié)器和主信號—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)之中。</p><p>　　鍋爐過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)</p><p>　　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，起著最后校正作用。</p><p>　　串級系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)，實質上是把兩個調節(jié)器

22、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回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(nèi)的擾動外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。</p><p>　　串級控制由于副

23、環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(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)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)的控制質量要比單回路控制系統(tǒng)高。</p><p>　　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。</p><p>　　2、串級控制方案論證</

24、p><p>　　串級控制是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強化，對產(chǎn)品質量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。</p><p><b>　　串級控制系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　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，

25、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，副環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)。</p><p>　　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。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先進行“粗調”，主控制器再進一步進行“細調”。因此控制質量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)中

26、，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。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先進行“粗調”，主控制器再進一步進行“細調”。因此控制質量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。</p><p>　　串級控制有以下優(yōu)點：</p><p>　　① 迅速克服進入副回路擾動的影響，使進入串級副環(huán)的擾動減少到相當于單回路進入副環(huán)的1/(1+Gc2*Gv*Gp2*Gm2)倍，同時使余

27、差減小到相當于單回路的Kc2/(1+Kc2*Kv*Kp2Km2)倍；</p><p>　　② 改善了對象特性提高了工作頻率，使Tp2縮小為：1/(1+Kc2*Kv*Kp2*Km2)，等效對象時間常熟縮小，使控制過程時間加快。</p><p>　?、?對負荷變化和操作條件的改變有一定的自適應能力，副回路等效放大倍數(shù)Ko2'=(kc2*Kv*Ko2)/(1+Kc2*Kv*Ko2*Km2

28、)，由于Kc2*Kv*Ko2*Km2>1,因此，Ko2的變化對等效對象放大倍數(shù)Ko2'來說是很小的。</p><p>　　一般來說，一個設計合理的串級控制系統(tǒng)，當干擾從副回路進入時，其最大偏差將會較小到控制系統(tǒng)的，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系統(tǒng)的。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)。因此，串級控制系統(tǒng)的設計合理性十分重要。</p>&

29、lt;p>　　四、系統(tǒng)控制流程圖及控制過程的實現(xiàn):</p><p>　　1、系統(tǒng)整體控制流程圖如下</p><p><b>　　串級控制系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　控制過程的實現(xiàn)及分析</p><p>　　當減溫器入口蒸汽溫度或減溫器進水流量波動時，假設這些波動使減溫器輸出蒸汽溫度升高。這時過熱器出口蒸

30、汽溫度還沒有發(fā)生變化，因此主控制器輸出不變，因副控制器（減溫器后端蒸汽溫度控制器）為正作用控制器，所以副控制器輸出測量值變大，由于控制閥為氣開型，故使減溫水流量控制閥開度增大，從而增加減溫水，以降低減溫器輸出蒸汽溫度。與此同時，由于減溫器輸出蒸汽溫度的升高，也使過熱器出口蒸汽溫度升高，由于主控制器（過熱器出口蒸汽溫度控制器）是反作用控制器，所以主控制器輸出減小，即使副控制器設定減小，副控制器設定減小而測量值增大，輸入控制器的偏差值雙重增

31、加，進一步加大了副控制器的輸出，從而迅速的使控制閥閥度增大，快速增加減溫水流量，使減溫器輸出蒸汽溫度迅速降低，從而使過熱器輸出蒸汽溫度快速恢復到設定值。</p><p>　　若擾動使減溫器輸出蒸汽溫度減低，實現(xiàn)控制的分析過程跟上述相同，只是方向相反。</p><p><b>　　五、總結：</b></p><p>　　首先，通過對樓宇自動化這門

32、課的學習，以及本設計中關于鍋爐設備的簡介及任務的介紹，使我對鍋爐在整個過程控制系統(tǒng)的有了初步了解，然后，再對鍋爐在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的分析與設計中，尤其是對手工繪制鍋爐設備控制流程圖，使我對鍋爐設備各個部分有了更清晰的認識。鍋爐設備需要根據(jù)不同的生產(chǎn)工藝要求，它有多重不同的控制系統(tǒng)，在設計過程中，本文采用了兩種控制方案進行論證:① 單回路控制方案；②串級控制方案；從而得知：串級控制方案具有良好的控制特性，它可以獲得更好的控制精度。串級

33、系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)，它是把兩個調節(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。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。也得知它的優(yōu)點：1.迅速克服進入副回路擾動的影響。2.改善了對象特性提高了工作頻率。3.對負荷變化和操作條件的改變有一定的自適應能力。因此，串級控制系統(tǒng)設計合理性是十分重要的。</p><p>　　在整個控制系統(tǒng)的設計過程中：從方案到各種變量的選擇、再