锅炉过热蒸汽温度控制系统设计.docx

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锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

一、摘要

这次课程设计任务是对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行设计与分析。

在控制系统的设计与分析中，分别对串级控制系统和单回路控制系统进行了分析与阐述，通过分析比较发现，采用串级控制系统控制效果更好，可以使系统更能适应不通环境，从而达到更好的控制效果。

通过使用该控制系统，可以使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保证过热器壁温度不超过工作允许的温度，使其能够正常工作。

二、锅炉设备的介绍及设计任务的分析

1、锅炉设备介绍

锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和名称，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。

过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。

图1锅炉设备主要工艺流程图

锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。

为达到这些控制要求，锅炉设备将有多个不同的控制系统，如下：

锅炉汽包水位控制系统，要求保证汽包水位平稳；

锅炉过热蒸汽温度控制系统，要求保证过热蒸汽温度稳定；

锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量；

锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现燃烧过程的经济运行；

锅炉炉膛负压控制系统，要求保证炉膛负压在一定范围内，以保证锅炉的安全运行。

锅炉安全连锁控制系统，以防止回火和脱火。

本设计根据任务要求主要对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行设计与分析。

2、任务分析与设计思路

锅炉过热蒸汽温度控制系统则是锅炉系统安全正常运行，确保蒸汽质量的重要部分。

这个设计我们的任务是锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计与分析。

蒸汽过热系统包括一级过热器、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，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。

我们知道，过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。

在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。

过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行。

影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：

过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响。

而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。

因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：

（1）克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气质量合格：

（2）保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

本设计主要以控制减温水流量的变化来设计对过热蒸汽温度的自动调节。

三、控制原理简介及设计方案的确定

随着生产的发展以及工艺的革新，对操作条件要求更加严格，变量间的相互关系也更加复杂了。

为了适应生产发展的需要，且基于控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。

但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。

通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。

一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。

因此，本设计基于解决减温水扰动下保证过热器出口蒸汽温度的稳定的问题。

1、控制方案选择

（1）单回路控制方案

在系统运行过程中，改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示：

图2锅炉过热蒸汽单回路控制系统

从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。

减温器有表面式和喷水式两种。

减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特性。

但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。

加上管道较长有一定的传递滞后，如果用上图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量F的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。

影响锅炉生产的安全和经济运行。

实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。

因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

（2）串级控制方案

过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。

采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。

由主调节器和主信号—出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。

图3锅炉过热蒸汽温度串级控制系统

调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。

将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最后校正作用。

串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。

通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。

为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。

串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。

除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。

同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。

在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。

2、串级控制方案论证

串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。

图4串级控制系统方框图

由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。

主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。

串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。

若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。

因此控制质量优于简单控制系统。

串级控制有以下优点

①迅速克服进入副回路扰动的影响，使进入串级副环的扰动减少到相当于单回路进入副环的1/（1+Gc2*Gv*Gp2*Gm2）倍，同时使余差减小到相当于单回路的Kc2/（1+Kc2*Kv*Kp2Km2）倍；

②改善了对象特性提高了工作频率，使Tp2缩小为1/（1+Kc2*Kv*Kp2*Km2），等效对象时间常熟缩小，使控制过程时间加快。

③对负荷变化和操作条件的改变有一定的自适应能，副回路等效放大倍数Ko2'=

（kc2*Kv*Ko2）/（1+Kc2*Kv*Ko2*Km2），由于Kc2*Kv*Ko2*Km2>1,因此，Ko2的变化对等效对象放大倍数Ko2'来说是很小的。

一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的

，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的

。

但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。

因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。

四、控制系统详细设计

Gf1（s）

Gf2（s）

Gp1（s）

Gp2（s）

Gc2（s）

Gv（s）

Gc1（s）

Gm2（s）

Gm1（s）

图5串级控制系统框图

本部分根据串级控制系统框图，确定各环节的参数及控制阀控制器的类型

1、被控变量与操纵变量的选择

（1）主被控变量的选择

主被控变量y1是串级控制系统中要保持平稳控制的主要被控变量。

串级控制系统主被控变量选择应遵循以下原则：

①尽量选择能直接反映产品质量的变量作为主被控变量；②所选的主被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求；

③控制通道的Ko尽量大，тo/To应尽量小；

④过程的To/Tf应尽量小扰动进入系统的位置应尽量远离主被控变量。

综合以上原则，应选择过热器出口蒸汽温度即送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。

直接反应控制目的。

（2）副被控变量的选择

副被控变量y2是串级控制系统的辅助被控变量，是副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。

副变量的选择应遵循以下原则：

①应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；

②应使主、副对象的时间常数匹配；

③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型。

综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副被控变量。

（3）操纵变量的选择

工业过程的输入变量有两类：

控制变量和扰动变量。

其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。

操纵变量的基本原则为：

①操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；

②选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，即Ko尽量大；

③选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的тo/To应尽量小；

④过程的To/Tf应尽量小，使过程的Kf*F尽量小；

⑤工艺的合理性和与动态响应的快速性相结合。

综合以上原则，应选择减温水的输入量作为操纵变量。

2、检测变送环节的选择

检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测变送单元转换为标准信号。

要求准确、迅速、可靠。

检测变送仪表的量程应满足读数误差的精度要求，同时应尽量选用线性特性。

仪表量程越大，Km越小，而量程越小则Km越大。

控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。

常用的控制仪表有电动II型、III型。

在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。

电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II型典型信号为

，而电动III型仪表的典型信号为

，此外。

III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。

所以在本设计中选用电动III型仪表。

3、执行器（气动薄膜控制阀）的选择

控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据控制器输出的信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。

在本控制系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。

（1）调节阀的气开、气关形式选择

对于一个具体的控制系统来说，该选择气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀出于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要有具体的生产工艺决定，应遵循以下几条原则选择：

①首先要从安全生产出发，当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

②从保证产品质量：

当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，不应降低产品的质量；

③从尽可能的降低原料、产品、动力损耗；

综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽温度控制系统中，选择调节阀为气开阀，即Kv>0。

（1）调节阀的流量特性的选择

根据控制系统稳定运行原则，扰动或设定变化时，控制系统稳态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。

在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中选择调节阀的流量特性为线性特性。

（3）调节阀的口径大小的选择，

确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容，其主要依据阀的流通能力。

正常工况下要求控制阀开度处于15%~85%之间。

因此不宜将控制阀选得过小或者过大；否则，可能会使控制阀运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或者阀门经常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严重腐蚀，甚至引起控制阀失灵。

（4）阀门定位器的选择

阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改善控制阀的流量特性。

4、控制规律及控制器作用方向的选择

（1）控制器控制规律的选择

通过以上设计可知，本次设计的控制系统为串级控制系统。

串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。

因此，朱控制变量要求无余差，副被控变量可以在一定范围内变动。

为使串级控制系统稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由于控制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。

副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。

故选择副控制器为比例控制器。

（2）主、副控制器正、反作用选择

对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。

控制阀：

由上文可知，Kv>0；

副被控对象：

阀开度增大，减温水量增加，副被控对象即减温器后端温度降低，因此Kp2<0；

副控制器：

为保证负反馈，应满足Kc2*Kv*Kp2*Km2>0，而Km2>0，所以Kc2<0，即应选副控制器为正作用控制器。

主被控对象：

减温器后端温度升高，过热器出口温度升高，因此，Kp1>0；

主控制器：

为保证负反馈，应满足Kc1*Kp1*Km1>0，而Km1>0，所以Kc1>0，即应选主控制器为反作用控制器。

五、串级控制系统控制器参数的整定

参数整定，就是通过调整控制器的参数，改善控制系统的动稳态特性，找到最佳的调节过程，使控制品质最好。

串级控制系统常用的参数整定方法有3种：

逐步逼近法、两步法和一步法。

本串级控制系统选用逐步逼近法，具体整定步骤如下：

1、首先断开主环，闭合副环，按照单回路控制系统的整定方法（通常有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法）整定副控制器参数。

2、闭合主、副回路，保持上一步取得的副控制器参数，按单回路控制系统的整定方法整定主控制器参数。

3、在闭合主、副回路，在主控制器参数保持的情况下，再次调整副控制器参数。

4、至此，已完成一个循环，如控制品质未达到规定指标，返回2继续。

六、系统控制流程图及控制过程的实现

1、系统整体控制流程图如下图：

图6本设计串级控制系统流程图

2、控制过程的实现及分析

当减温器入口蒸汽温度或减温器进水流量波动时，假设这些波动使减温器输出蒸汽温度升高。

这时过热器出口蒸汽温度还没有发生变化，因此主控制器输出不变，因副控制器（减温器后端蒸汽温度控制器）为正作用控制器，所以副控制器输出测量值变大，由于控制阀为气开型，故使减温水流量控制阀开度增大，从而增加减温水，以降低减温器输出蒸汽温度。

与此同时，由于减温器输出蒸汽温度的升高，也使过热器出口蒸汽温度升高，由于主控制器（过热器出口蒸汽温度控制器）是反作用控制器，所以主控制器输出减小，即使副控制器设定减小，副控制器设定减小而测量值增大，输入控制器的偏差值双重增加，进一步加大了副控制器的输出，从而迅速的使控制阀阀度增大，快速增加减温水流量，使减温器输出蒸汽温度迅速降低，从而使过热器输出蒸汽温度快速恢复到设定值。

若扰动使减温器输出蒸汽温度减低，实现控制的分析过程跟上述相同，只是方向相反。

七、心得体会

通过这次课程设计，锅炉设备有了更全面的了解和认识，尤其是手工绘制锅炉设备控制系统的过程，使我对锅炉设备各个部分有了更清楚的认识，对工程画图有了初步的了解。

锅炉设备根据不同的生产工艺要求，可以有多重不同的控制系统，而我们组的任务是设计锅炉过热蒸汽温度控制系统，在设计中，通过对方案的分析与论证，我们选用串级控制系统，这使我对串级控制系统有了更详细更深如的了解和认识。

我个人设计没有太多的改变书中控制系统的设计过程，几乎按照课本《过程控制系统》提供的步骤进行，这使我，对控制系统设计从方案到各种变量的选择、再到各个环节的选择及参数确定、最后到参数整定，整个过程有了更清晰的把握，对控制系统设计有了一个比较清晰的轮廓，这对于我以后的工作将有很大的影响。

当然，设计中也遇到了不少的问题，尤其是知识的欠缺。

很多东西，虽然学了，还是留在书上，用时都得翻阅课本及相关资料，这让我意识到，学习更应该掌握真正的知识，应做到胸有成竹，而不能等应用时每一步都依靠书本。

以后的学习工作中，应更注重知识的掌握和应用。

这次课程设计，使我学习到了很多，提高了动手能力实践能力；也使我意识到自身的很多不足，在以后的学习中要更注意克服这些不足。

八、参考资料及参考文献

（1）方康玲，《过程控制系统》，武汉理工大学出版社，2002

（2）王骥程，《化工过程控制工程》，化学工业出版社，1996

（3）王树青，《工业过程控制工程》，化学工业出版社，1995

（4）将慰孙，《过程控制工程》（第二版），中国石化出版社，2004

（5）何衍庆，《工业生产过程控制》，化学工业出版社，2004