第8章典型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制

1、,8.8.1.鍋爐設(shè)備的控制,DZL型鍋爐,我國(guó)生產(chǎn)的DZL型鍋爐,鍋爐設(shè)備控制思考題,1、了解鍋爐設(shè)備的控制問(wèn)題與系統(tǒng)分解；2、掌握汽包水位的對(duì)象特點(diǎn)與控制方案；3、掌握鍋爐設(shè)備燃料與空氣邏輯變比值控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)方法；4、了解鍋爐設(shè)備過(guò)熱蒸汽溫度的控制問(wèn)題與常用的控制方法。,8.8.1.鍋爐設(shè)備的控制,概述：在石油化工、石油化工、發(fā)電等工業(yè)過(guò)程中采用的重要?jiǎng)恿υO(shè)備鍋爐，鍋爐產(chǎn)生的高壓蒸汽即作為透平機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，又可作為精餾、干燥、反應(yīng)、加熱等過(guò)程的熱力源?，F(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模中，大容量、高參數(shù)、高效率的鍋爐設(shè)備肩負(fù)著提供動(dòng)力和熱源的關(guān)鍵作用。火力發(fā)電廠最基本的工藝過(guò)程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽

2、輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。鍋爐設(shè)備根據(jù)用途、燃料性質(zhì)、壓力高低等分為多種類型，工藝流程多種多樣，為了解對(duì)鍋爐的控制，下圖列出了常見(jiàn)的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程：,工作原理：,鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)由：給水泵、給水控制閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成,Ds,將上圖分解為：,鍋爐設(shè)備是一個(gè)多變量受控對(duì)象，它的輸入輸出變量可表示為：,對(duì)鍋爐的控制是確保鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行，并按照生產(chǎn)負(fù)荷的需要，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽。按照這些控制要求對(duì)鍋爐設(shè)備設(shè)計(jì)的主要控制系統(tǒng)有以下幾種：（1）鍋爐汽包水位的控制；（2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制；（3）過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制。,鍋爐設(shè)備是一個(gè)多變量受控對(duì)象，它的輸入輸出變量可表示為

3、：,鍋爐汽包水位的控制,鍋爐安全運(yùn)行的首要條件：保持汽包水位在一定范圍內(nèi)水位過(guò)高：直接影響鍋爐汽包內(nèi)的汽、水分離，飽水升起將會(huì)帶水過(guò)多，導(dǎo)致過(guò)熱器管壁結(jié)垢并損壞，是過(guò)熱蒸汽的溫度嚴(yán)重下降。特別是當(dāng)過(guò)熱蒸汽用于帶動(dòng)汽輪機(jī)時(shí)，會(huì)因蒸汽帶液損壞汽輪機(jī)的葉片，造成運(yùn)行的安全事故。水位過(guò)低：則因汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷有很大時(shí)將加快水的氣化速度，若不及時(shí)控制將油可能使汽包內(nèi)的水全部氣化，特別是對(duì)大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間極端，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。故必須對(duì)汽包水位加以嚴(yán)格控制汽包水位控制（也稱鍋爐給水控制）：水位控制的任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相適應(yīng)，維持汽包中水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。,

4、汽包水位控制系統(tǒng)流程如下圖所示：,q：Q給水，用G(s)表示f：主要干擾是Q蒸汽，用D(s)表示（鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等影響水位）討論：給水量和蒸汽流量作用下水位變化的動(dòng)態(tài)特性,y：汽包水位用H(s)表示,影響汽包水位變化的因素有：Q給水、Q蒸汽、Q燃料、P汽包等,汽包水位的對(duì)象特性,干擾通道特性,控制通道特性,飛升速度（蒸汽流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度t/hmm/s）,非最小相位特性,對(duì)象為非最小相位（存在位于復(fù)平面右半平面的零點(diǎn)）的條件為:,汽包水位的單沖量控制,特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：不能克服虛假水位負(fù)荷變化產(chǎn)生虛假水位時(shí)，將使LC誤動(dòng)作。分析：Q蒸汽變化時(shí)控制系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏

5、對(duì)給水量的擾動(dòng)不能及時(shí)克服適用于：負(fù)荷較穩(wěn)定（配“聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)”能保證安全操作）,Kc0即：正作用（）,汽包水位的雙沖量控制,引入蒸汽流量信號(hào)，用來(lái)糾正假水位引起的誤動(dòng)作，同時(shí)也能提前發(fā)現(xiàn)負(fù)荷的變化提高控制品質(zhì)實(shí)質(zhì)上該系統(tǒng)是：前饋+反饋,汽包水位的三沖量控制,雙沖量控制存在的問(wèn)題：1）給水干擾不能及時(shí)克服2）因控制閥的工作特性并非線性，靜態(tài)補(bǔ)償難以很好實(shí)現(xiàn)解決辦法：引入給水流量信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng),方案一：實(shí)質(zhì)上是前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng),在爐筒內(nèi)停留時(shí)間短，虛假水位嚴(yán)重時(shí)，需引入蒸汽流量信號(hào)的微分作用，如圖所示：,方案三：類似方案二僅加法器位置從控制器前移到控制器后相當(dāng)于屬前饋-串級(jí)復(fù)合控

6、制系統(tǒng),三沖量控制系統(tǒng)的其它連接形式,方案二：實(shí)質(zhì)上是前饋-反饋控制系統(tǒng)只需要一臺(tái)多通道控制器,蒸汽過(guò)熱系統(tǒng)的控制,控制任務(wù)：使過(guò)熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器使管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度溫度過(guò)高：過(guò)熱器易損壞，汽輪機(jī)也因內(nèi)部過(guò)度的熱膨脹而嚴(yán)重影響安全運(yùn)行溫度過(guò)高：使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損,y：過(guò)熱蒸氣出口溫度q：減溫箱流量,因過(guò)熱器存在使得控制通道的時(shí)間常數(shù)以及純滯后均較大，故單回路不能滿足要求，常用減溫箱出口溫度為副變量組成串級(jí)控制系統(tǒng)，如下圖所示：,鍋爐燃燒過(guò)程的控制,燃燒過(guò)程控制的基本要求：保證出口蒸汽壓力穩(wěn)定，能按負(fù)荷要求自動(dòng)增減

7、燃料量保證良好燃燒，供氣事宜，既要防止空氣不足煙筒冒黑煙，也要防止因空氣過(guò)剩而造成熱量損失保持鍋爐運(yùn)行安全，如：保持爐膛內(nèi)一定負(fù)壓負(fù)壓過(guò)大，又將使大量冷空氣漏進(jìn)爐內(nèi)，造成熱量損失增加負(fù)壓太小，甚至為正時(shí)，會(huì)造成爐膛內(nèi)熱煙氣往外冒，危機(jī)設(shè)備和人員安全；若采用氣相燃料需防止燃燒嘴背壓太高時(shí)的脫火，太低時(shí)的回火等危險(xiǎn)工況發(fā)生。,鍋爐燃燒過(guò)程控制三個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被控參數(shù)：鍋爐蒸汽壓力PM、過(guò)?？諝庀禂?shù)（含氧量）、爐膛負(fù)壓Pf分別對(duì)應(yīng)三個(gè)控制變量：燃料量M、送風(fēng)量F、排煙量Y燃燒控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出控制系統(tǒng),（1）鍋爐蒸汽壓力控制和燃料與空氣比值控制系統(tǒng),(a)燃燒過(guò)程的串級(jí)-比值負(fù)荷控制（兩個(gè)副環(huán)

8、）,當(dāng)蒸汽負(fù)荷及燃料量波動(dòng)較小時(shí)，y=P蒸汽q=Q燃料單回路控制；當(dāng)Q燃料波動(dòng)大時(shí)，采用蒸汽壓力對(duì)燃料流量的串級(jí)控制；保證燃燒過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性，采用Q燃料作主流量，q=Q空氣副流量的比值控制（即能使燃料量隨蒸汽負(fù)荷而改變，又能使燃料量和空氣量保持一定比例關(guān)系）,(b)串級(jí)-比值負(fù)荷控制蒸汽壓力對(duì)燃料量的串級(jí)控制送風(fēng)量隨燃料量而改變的比值控制,穩(wěn)態(tài)：I1=I2=I3=I4=Ip,Q1=KQ2分析提降量過(guò)程？該方案：在負(fù)荷減少時(shí)，先減燃料量，再減空氣量；在負(fù)荷增加時(shí)，先增控制量，再增燃料量，以使燃燒完全,(b)圖缺點(diǎn)：負(fù)荷改變時(shí)，送風(fēng)量的變化必然落后于燃料量的變化，為此設(shè)計(jì)串級(jí)-具有邏輯提降的比值復(fù)合控制,（2）燃燒過(guò)程中煙氣氧含量閉環(huán)控制,上述燃燒過(guò)程中保證了燃料量和空氣量的比值關(guān)系，存在不足：不能保證完全燃燒，即燃燒與空氣量的最優(yōu)比；完全燃燒與燃料的質(zhì)量（水分、灰分等）、熱值等有關(guān)不能保證燃料量與空氣量最優(yōu)化比隨鍋爐負(fù)荷的變化而變化,鍋爐負(fù)荷不同時(shí)，燃料量與空氣量的最優(yōu)比也不同，解決辦法：用