蒸汽温度控制系统设计

控制系统课程设计题目：蒸汽温度控制系统设计

系别：电气工程系

专业：自动化

姓名：

学号：

指导教师：

河南城建学院

2013年01月11 日

摘要

本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。

关键字：过热蒸汽控制串级控制系统自动控制主控-串级切换

目录

1 生产工艺介绍 (1)

1.1 蒸汽过热系统的控制 (1)

2控制原理简介 (1)

2.1控制方案选择 (2)

2.1.1单回路控制方案 (2)

2.1.2串级控制方案 (2)

2.2 串级控制方案论证 (3)

3 控制系统设计 (4)

3.1 系统控制参数确定 (4)

3.1.1 主变量的选择 (4)

3.1.2副变量的选择 (5)

3.1.3操纵变量的选择 (5)

3.2 调节阀的选择 (5)

3.3 控制器设计 (6)

3.3.1 控制器控制规律的选择 (6)

3.3.2 控制器正、反作用选择 (6)

3.3.3 控制器的电路实现 (7)

4 控制仪表的选择 (7)

5 系统控制流程图 (8)

6 总结体会 (8)

6.1 设计总结 (8)

6.2 心得体会 (8)

参考文献 (10)

蒸汽温度控制系统设计

1 生产工艺介绍

1.1 蒸汽过热系统的控制

蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。

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。

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，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。

锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成，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。过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。

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，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。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

蒸气品质合格：

(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阐述对过热蒸汽温度的自动调节。

2控制原理简介

随着控制理论的发展，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。

2.1控制方案选择 2.1.1单回路控制方案

在运行过程中。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。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蛀。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，如果用下图所示的控制系统，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w .w 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。

M

入口蒸汽

过热器

减温器

调节器

减温水

出口蒸汽温度

图2-1 改变减温水量控制蒸汽温度系统

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。

2.1.2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。

M

入口蒸汽

过热器

减温器

调节器2

减温水

出口蒸汽温度

调节器1

温度变送器

温度变送器

图2-2 过热蒸汽温度串级调节系统原理图

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。

2.2 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。

主调节器

副调节器

调节阀

副对象

主对象

副变送器

主变送器

给定

副参数

主参数

二次扰动

一次扰动

--

图2-3 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 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及

时；

② 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了； ③ 对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高； ④ 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。

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100

1~

10

1，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5

1~

31

。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。

3 控制系统设计

3.1 系统控制参数确定

3.1.1 主变量的选择

串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择

能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。该参数可直接反应控制目的。

3.1.2副变量的选择

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应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；

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变量。

3.1.3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；

②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；

③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；

综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。

3.2 调节阀的选择

在本系统中，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。

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

①生产安全角度：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，产品的质量不应降低；

③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；

④从介质的特点考虑。

综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。

调节阀的流量特性的选择，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，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。

阀门定位器的选用，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变调节阀的流量特性。

3.3 控制器设计

由上文论述可知，系统的控制结构选择串级控制。

3.3.1 控制器控制规律的选择

在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定制系统，主控制器起着定值控制作用，为使其稳定，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之后较大，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。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副控制器只选用比例控制器。

3.3.2 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。

副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。为了使副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负”。在本设计中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负”；而调节阀为气开阀，即其控制作用为“正”，所以负调节器的控制作用应为负作用。

主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定，同时可将副回路视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是以随动系统。这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。在本系统中，主对象的放大倍数为的符号为“正”，所以主控制器应选“负”作用。

3.3.3 控制器的电路实现

主控制器采用PID 调节器，副控制器采用P 调节器，可以使用单片机编程实现P 、I 、D 的调节作用，也可以直接使用模拟电路搭建PID 调节模块，在实际生产中，大多采用制作成型的PID 模块以保证系统的正常运行。

4 控制仪表的选择

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mADC 10~0，而电动III 型仪表的典型信号为mADC 20~4，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。

由电动III 型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种：

主控制器

主变送器

副变送器

双笔记录仪主对象

副对象

控制阀

电气转换器

副控制器

图4-1 用电动III 型仪表组成的串级控制系统方块图

该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。由于副控制器输出的是，而控制阀只能接受MPa 1.0~02.0气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。

主控制器主变送器

副变送器

双笔记录仪主对象

副对象控制阀电气转换器副控制器

图4-2 用电动III 型仪表组成的主控-串级控制系统方块图

该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下。

在本设计中采用第二种方式可以是控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。

5 系统控制流程图

系统整体控制流程图如下图：

减温器

调节阀

过热器

副温度变送

器

主温度变送

器

主调节器

负调节器

入口蒸汽

出口蒸汽温度

蒸汽温度

减温水

图5-1 系统控制流程图

6 总结体会

6.1 设计总结

本设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。采用串级控制系统，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。

6.2 心得体会

本设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将已经被束之高阁的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收

获。

在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。

设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我完美的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的idea。

对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工作将产生很深远的影响。

参考文献

[1].王宏文.自动控制原理：机械工业出版社出版社，2007

[2].郭一楠等.过程控制系统：机械工业出版社出版社，2009

[3].翁维勤.过程控制系统及工程：化学工业出版社，2005

[4].刘豹唐万生.现代控制理论：化学工业出版社，2004

[5].周杏鹏.传感器与检测技术：清华大学出版社，2010

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。

二、评分

评分项目

设计报告评分答辩评分平时表现评分

合计

（100分）任务完成

情况

（20分）

课程设计

报告质量

（40分）

表达情况

（10分）

回答问题

情况

（10分）

工作态度与纪

律

（10分）

独立工作

能力

（10分）

得分

课程设计成绩评定

班级姓名学号

成绩：分（折合等级）指导教师签字年月日