過控課程設計---燃燒過程控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　信息科學與工程學院</b></p><p><b>　　自動化系</b></p><p><b>　　課程設計報告書</b></p><p>　　姓 名： </p><p>　　學

2、號： </p><p>　　班 級： 自動化０８０６ </p><p>　　課程名稱： 過程控制與集散系統(tǒng)課程設計 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2011年 12月 5日</

3、p><p>　　設計題目： 燃燒過程控制系統(tǒng)</p><p>　　燃燒過程控制系統(tǒng)的基本理論</p><p>　　燃油鍋爐的燃燒控制主要有三個子系統(tǒng)構成：蒸汽壓力控制系統(tǒng)、燃料空氣比值控制系統(tǒng)和爐膛負壓控制系統(tǒng)。</p><p>　　1．蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制系統(tǒng)</p><p>　　燃油蒸汽鍋爐燃燒的目的是生產蒸

4、汽供應其他生產環(huán)節(jié)使用。一般生產過程中蒸汽的控制是通過壓力實現的，隨著后續(xù)環(huán)節(jié)的生產用量不同，反應在燃油蒸汽鍋爐環(huán)節(jié)就是蒸汽壓的波動。維持蒸汽壓力恒定是保證生產正常進行的首要條件。保證蒸汽壓力恒定的主要手段是隨著蒸汽壓力波動及時調節(jié)燃燒產生的熱量，而燃燒產生熱量的調節(jié)是通過控制所供應的燃料量以及適當比例的助燃空氣</p><p><b>　　實現的。</b></p><p

5、>　　2．爐膛負壓控制系統(tǒng)</p><p>　　鍋爐爐膛負壓力過小時，爐膛內的熱煙、熱氣會外溢，造成熱量損失、影響設備安全運行甚至會危及工作人員安全；當爐膛負壓太大時，會使外部大量冷空氣進入爐膛，改變燃料和空氣比值，增加燃料損失、熱量損失和降低熱效率。</p><p>　　保證爐膛負壓的措施是引風量和送風量的平衡。如果負壓波動不大，調節(jié)引風量即可實現負壓控制；當蒸汽壓力波動較大時，燃

6、料用量和送風量波動也會較大，此時，經常采用的控制方案如圖11.2所示。</p><p>　　二、、燃燒過程控制任務 </p><p>　　燃燒過程自動調節(jié)系統(tǒng)的選擇雖然與燃料的種類和供給系統(tǒng)、燃燒方式以及鍋爐與負荷的聯接方式都有關系，但是燃燒過程自動調節(jié)的任務都是一樣的。歸納起來，燃燒過程調節(jié)系統(tǒng)有三大任務。</p><p>　　第一個任務是維持汽壓恒定。汽壓的變化

7、表示鍋爐蒸汽量和負荷的耗汽量不相適應，必須相應地改變燃料量，以改變鍋爐的蒸汽量。</p><p>　　第二個任務是保證燃燒過程的經濟性。當燃料量改變時，必須相應地調節(jié)送風量，使它與燃料量相配合，保證燃燒過程有較高的經濟性。</p><p>　　第三個任務是調節(jié)引風量與送風量相配合，以保證爐膛壓力不變。</p><p>　　對于一臺鍋爐，燃燒過程的這三項調節(jié)任務是不可

8、分隔的，對調節(jié)系統(tǒng)設計時應加以注意。</p><p>　　三、燃燒系統(tǒng)調節(jié)對象的特性</p><p>　　鍋爐燃燒過程自動控制的基本任務是既要提供熱量適應蒸汽負荷的需要，又要保證燃燒的經濟性和鍋爐運行的安全性。為了達到上述目的，燃燒過程的控制系統(tǒng)應包括三個調節(jié)任務：即維持汽壓、保證最佳空燃比和保證爐膛負壓不變。與此相對應，應有三個控制回路分別調節(jié)燃料量、送風量和引風量，從而構成了多參數的燃

9、燒過程控制系統(tǒng)。為了能正確地設計控制系統(tǒng)，應先了解對象的動態(tài)特性。</p><p><b>　　氣壓調節(jié)對象的特性</b></p><p>　　鍋爐的燃燒過程是一個能量轉換、傳遞的過程，也就是利用燃料燃燒的熱量產生用汽設備所需蒸汽的過程。主汽壓力是衡量蒸汽量與外界負荷兩者是否相適應的一個標志。因此，要了解燃燒過程的動態(tài)特性主要是弄清汽壓對象的動態(tài)特性。</p&g

10、t;<p>　　氣壓被控對象的生產流程及環(huán)節(jié)劃分</p><p>　　鍋爐汽包壓力是燃燒過程控制的主要被控量，分析燃燒過程對象的動態(tài)特性，是確定燃燒系統(tǒng)自動控制方案的主要依據。汽壓被控對象的生產流程示意圖如圖2.1所示，整個系統(tǒng)由爐膛1，汽包、水冷壁組成的蒸發(fā)受熱面2，過熱器3，母管4和用汽設備5組成。工質(水)通過爐膛吸收了燃料燃燒發(fā)出的熱量，不斷升溫,直到產生飽和蒸汽匯集于汽包內，最后經過過熱器

11、成為過熱蒸汽，輸送到用汽設備作功。</p><p>　　在鍋爐運行中，當燃料量M發(fā)生變化時，送風量與引風量應同時協調變化，這時的燃料量M的變化，表示鍋爐燃燒率的變化，Qr的變化與燃燒率的變化（相當于M的變化）成正比。</p><p>　　燃料從煤斗下來落在爐排上，形成均勻的、有一定厚度的燃料層進行燃燒。所謂“火床”即是形象地表達了這種燃燒方式的特點。根據給煤量階躍擾動響應曲線求得床溫被控對

12、象的近似傳遞函數為： </p><p>　?。?—1） </p><p>　　燃燒和傳熱過程是一個復雜的化學物理過程，燃料量改變后，首先需要經過一定的吸熱、燃燒、放熱時間，而后將熱量傳給受熱面的金屬管壁（輻射傳熱和對流傳熱同時進行），然后將熱量傳給鍋爐的汽水容積。</p>

13、;<p>　　四、根據控制任務，主要調節(jié)以下三個物理量：</p><p><b>　　1．燃料量調節(jié)</b></p><p>　　調節(jié)燃料量使入爐燃料燃燒所產生的量能與鍋爐外部負荷需求的量能相適應。</p><p><b>　　2．送風量調節(jié)</b></p><p>　　燃料量改變時，

14、送風量也應改變，以保證燃料的完全燃燒和排煙熱損失最小。調節(jié)送風量的目的是保證鍋爐燃燒過程的經濟性。</p><p><b>　　3．引風量調節(jié)</b></p><p>　　調節(jié)引風量的目的是使引風量與送風量相適應，以保持爐膛壓力在要求范圍內，以保證燃燒過程穩(wěn)定性。 </p><p><b>　　燃燒過程控制特點</b>&l

15、t;/p><p>　　五、燃燒過程控制基本方案 </p><p>　　從燃燒過程控制任務來看，燃燒過程控制應具有如下功能：</p><p>　?。?）迅速改變爐膛燃燒率，適應外部負荷變化。</p><p>　　（2）控制系統(tǒng)能迅速發(fā)現并消除燃燒率擾動。燃燒率擾動通常指燃料量和燃料熱值的變化擾動。</p><p>　?。?）

16、確保燃料、送風和引風等參數協調變化。保證燃燒經濟性。</p><p>　?。?）確保燃燒過程的穩(wěn)定性，避免爐膛壓力大范圍波動。</p><p>　　鍋爐燃燒系統(tǒng)是一個復雜的多變量耦合系統(tǒng)。輸入量有：給煤量、鼓風量和引風量；輸出量有：蒸汽壓力、煙氣含氧量(燃燒的經濟性)、爐膛負壓。燃料是熱量的唯一來源，給煤量的變化直接影響鍋爐提供的蒸汽量，也影響汽包壓力的變化，是燃燒系統(tǒng)的主控量。鼓風量的變

17、化產生不同的風煤比和相應的燃燒狀況，表現出不同的爐膛溫度，并決定爐膛損失的大小，直接決定著鍋爐能否經濟運行。在送風量改變的同時也改變引風量，使爐膛負壓保持穩(wěn)定，保證鍋爐安全運行。這三個控制子回路組成了一個不可分割的整體，統(tǒng)稱為鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，共同保證鍋爐運行的機動性、經濟性和安全性。</p><p>　　可見，鍋爐的燃燒過程是個復雜的物理化學過程。各輸入，輸出的耦合關系十分復雜。鍋爐系統(tǒng)具有大的延時，并且參數是

18、時變的，對于這樣的對象，難以建立精確的數學模型。</p><p>　　經典的PID算法具有很強的適應能力，如果鍋爐的負荷是平穩(wěn)的，那么，PID可以達到控制要求。</p><p>　　六、 燃燒爐蒸汽壓力控制和燃料空氣比值控制</p><p>　　燃燒流量被控對象為：</p><p>　　燃料流量至蒸汽壓力關系為：</p><

19、;p>　　蒸汽壓力至燃料流量關系為:</p><p>　　蒸汽壓力至燃料流量關系為：</p><p>　　燃料流量檢測變換系統(tǒng)數學模型為：</p><p>　　燃料流量與控制流量比值為：</p><p>　　空氣流量被控對象為:</p><p><b>　　爐膛負壓控制</b></p&

20、gt;<p><b>　　引風量與負壓關系：</b></p><p>　　送風量對負壓的干擾為：</p><p><b>　　控制系統(tǒng)參數整定</b></p><p><b>　　(1)燃燒控制系統(tǒng)</b></p><p>　　為使系統(tǒng)無靜差，燃燒流量調節(jié)器采用P

21、I形式，即：</p><p>　　其中，參數Kp和Ki采用穩(wěn)定邊界法整定。先讓Ki=0，調整Kp使系統(tǒng)等幅振蕩，即系統(tǒng)臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖及其振蕩響應如圖4.1所示：</p><p>　　4.1(a)系統(tǒng)臨界振蕩仿真框圖</p><p>　　4.1(b)系統(tǒng)臨界振蕩響應</p><p>　　記錄此時的振蕩周期Tcr=11s和比例

22、參數Kcr=3.8,則Kp=Kcr/2.2=1.73，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.18</p><p>　　在Kp=1.73，Ki=0.18的基礎上，對PI參數進一步整定，燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖如下所示，其中PI模塊的結構如圖4.2(a)所示。調節(jié)Kp=1.1，Ki=0.1，系統(tǒng)響應如圖4.2(c)所示，可見系統(tǒng)有約10%的超調量。</p><p>　　4.2(

23、a)PI模塊結構</p><p>　　4.2(b)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真框圖</p><p>　　4.2(c)燃料流量閉環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍輸入的仿真響應</p><p>　　(2)蒸汽壓力控制系統(tǒng)</p><p>　　在燃料流量控制系統(tǒng)整定的基礎上，采用試誤法整定壓力控制系統(tǒng)參數。系統(tǒng)整定仿真框圖如圖所示。當Ki=0，Kp=1

24、時(此時相當于無調節(jié)器，因此系統(tǒng)最簡單)，仿真結果如圖4.3所示，上圖為系統(tǒng)仿真圖，下圖為階躍輸出。</p><p>　　4.3(a)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數整定仿真框圖</p><p>　　4.3(b)蒸汽壓力控制系統(tǒng)參數整定仿真結果</p><p>　　由仿真結果可以看出，系統(tǒng)響應超調量約為25%。此時系統(tǒng)調節(jié)器最簡單，工程上系統(tǒng)響應速度和穩(wěn)定程度都較好。</

25、p><p>　　(3)空氣流量控制系統(tǒng)</p><p>　　空氣流量控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數整定方法類似，當Ki=0.05和Kp=0.08時，系統(tǒng)階躍響應如圖4.4所示，其中上圖為階躍響應，下圖為階躍輸入。可見系統(tǒng)響應超調量約為25%。</p><p>　　4.4(a)整定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍響應</p><p>　　4.4(b)整

26、定后空氣流量控制系統(tǒng)階躍輸入</p><p><b>　　(4)負壓控制系統(tǒng)</b></p><p>　　負壓控制系統(tǒng)的整定方法和燃料流量控制參數整定方法類似。當Ki=0.05，Kp=0.03時，系統(tǒng)階躍響應如圖4.5所示，其中上圖為系統(tǒng)階躍響應，下圖為階躍輸入?？梢娤到y(tǒng)響應超調量為25%。</p><p>　　4.4.5(a)整定后負壓控制系

27、統(tǒng)階躍響應</p><p>　　4.5(b)整定后負壓控制系統(tǒng)階躍輸入</p><p>　　負壓控制系統(tǒng)前饋補償整定</p><p>　　采用動態(tài)前饋整定，其前饋補償函數為：</p><p>　　.3控制系統(tǒng)SIMULINK仿真</p><p><b>　　無干擾仿真</b></p>

28、<p>　　利用各整定參數對控制系統(tǒng)進行仿真，框圖如4.6所示。設定蒸汽壓力值為10，爐膛負壓值為5。仿真結果如圖4.7至4.10所示，由上至下依次為蒸汽壓力設定值波形，實際蒸汽壓力與空氣流量波形，負壓變化波形和負壓設定波形。</p><p>　　4.8實際蒸汽壓力與空氣流量波形(紅色為實際蒸汽壓力波形，黃色為空氣流量波形)</p><p><b>　　課程設計總結&

29、lt;/b></p><p>　　課程設計這幾天學到的東西還真不少，在一個多星期的日子里，不僅鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，這一點對于我們走上工作崗位很重要。</p&g

30、t;<p>　　在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但有以前一些相關課程的課程設計經驗，面對各種問題，最終還是成功解決了。在設計方案的過程中，發(fā)現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，最后不得不重新拿起課本自習閱讀相關的知識點。總而言之，在這次課程設計中，是自己的能力又有了進一步的提高。</p><p>　　同時，在課程設計的過程中也遇到了一些問題，在此，感謝所