过程控制 08 锅炉过热蒸汽出口压力串级控制
蒸汽加热器的串级控制
蒸汽加热器的串级控制1.引言1.1 概述概述部分是对整篇文章的介绍和概括，同时也是引起读者兴趣的关键。
在《蒸汽加热器的串级控制》这篇文章中，我们将探讨蒸汽加热器的基本原理以及串级控制方法。
蒸汽加热器作为一种常见的热交换设备，广泛应用于工业生产和能源系统中，其性能的优化对于提高工艺效率和能源利用效率至关重要。
在本文的第二部分，我们将深入了解蒸汽加热器的基本原理。
蒸汽加热器通过将高温高压蒸汽与低温冷却介质进行热交换，达到将蒸汽的热能传递给介质的目的。
我们将详细介绍蒸汽加热器的工作原理和热传导过程，以及其在不同领域中的应用。
在第三部分,我们将重点讨论蒸汽加热器的串级控制方法。
串级控制是一种重要的控制策略，可以通过调整多个蒸汽加热器的工作参数，以实现更高效的热能传递和温度控制。
我们将详细分析串级控制方法的原理和优势，并介绍实际应用中的一些典型案例。
最后，在结论部分，我们将总结蒸汽加热器的串级控制优势，包括提高能源利用效率、减少能源浪费等方面的好处。
同时，我们也会展望蒸汽加热器未来的发展方向，探讨可能的创新和改进。
通过对蒸汽加热器的基本原理和串级控制方法的深入研究，我们将为读者提供更全面的了解和认识，帮助他们更好地应用串级控制策略来优化蒸汽加热器的性能。
本文旨在为相关领域的研究者和工程师提供有价值的指导和参考，加强研究和实践之间的联系，促进蒸汽加热器技术的发展和应用。
1.2文章结构文章结构：本文主要围绕蒸汽加热器的串级控制展开，并探讨了蒸汽加热器的基本原理及串级控制方法。
具体而言，文章分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要包括概述、文章结构和目的，首先通过概述对蒸汽加热器进行简要介绍，说明其在工业生产中的重要性和应用领域。
然后，明确文章的结构，简要介绍各个部分内容，使读者对全文有一个整体的了解。
最后，明确文章的目的，即为了研究和分析蒸汽加热器的串级控制方法，探讨其在提高加热效率和节能减排方面的优势。
正文部分主要包括蒸汽加热器的基本原理和串级控制方法。
锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计
2017-2018学年（2）学期过程控制与自动化仪表课程设计题目锅炉出口蒸汽压力串级控制方案设计班级学生姓名学号指导教师摘要本设计以锅炉蒸汽压力控制部分为研究对象，应用所学串级控制知识设计系统。
锅炉主要任务是加热蒸汽，蒸汽可直接进入生产系统或者进入汽轮机发电。
蒸汽压力是衡量锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量是否平衡的重要指标，是蒸汽的重要工艺参数。
蒸汽压力过低或过高，对于金属导管和负荷设备都是不利的。
压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备负荷质量的蒸汽；因此，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。
关键词：锅炉；蒸汽压力；串级控制；PID目录1 绪论 12 控制方案设计 22.1 设计任务要求 22.2 串级控制系统结构 22.3 串级控制系统控制方案 22.4 控制系统工艺流程图 33 系统仪表的选型 43.1 蒸汽压力变送器选择 43.2 燃料流量变送器的选择 4 3.3 控制器的选择 53.4 控制阀的选择 64 系统建模 74.1 蒸汽压力调节对象的特性 7 4.2 燃料流量的传递函数 84.3 调节阀与变送器传递函数 85 系统仿真 95.1 simulink仿真程序图 95.1 副回路参数整定 95.2 主回路参数整定 105.3 加入扰动 126 结论 13参考文献 141 绪论近年来，我国经济的发展对电力需求快速增加，尽管以风电为代表的可再生能源发电方式迅猛发展，但是可再生能源和其它新能源尚无法替代煤电，未来相当长一段时间内燃煤发电仍将是我国的主要发电方式，由于受资源、环境以及气候变化影响的制约，发电效率高、经济性和可靠性高、更具环保性的大型高参数机组是未来一段时间煤电技术发展的主流方向。
燃烧系统的主要任务就是维持主蒸汽压力的稳定，主蒸汽压力是表征生产过程中的一个极为重要的参数，同时也是保证锅炉安全运行的必要条件之一。
蒸汽压力过高，会导致锅炉受损；压力过低，就不可能提供给负荷设备负荷质量的蒸汽；所以，控制蒸汽压力是安全生产的需要，也是保证燃烧经济性的需要。
加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统
项目三 串级控制系统
串级控制系统
内容提要
本项目讲述以提高系统控制质量为目的的串 级控制系统。主要介绍了串级控制系统的组成原 理与结构，系统特点，应用范围、串级控制方案 的设计原则，最后介绍了串级控制系统的投运步 骤和参数整定方法。
项目三 串级控制系统
在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环 节或其他环节的控制系统统称为复杂控制系统。 复杂控制系统的种类较多，按其所满足的控制要 求可分为两大类：
从上述分析中可以看出，在串级控制系统中，由于引入了一 个副回路，因而能及早克服从副回路进入的二次扰动对主变量的 影响，又能保证主变量在其他扰动（一次扰动）作用下能及时加 以控制，因此能大大提高系统的控制质量，以满足生产的要求。
项目三 串级控制系统
3.2 串级控制系统的特点
从总体来看，串级控制系统仍然是一个定值控制系统。 但是和简单控制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一 个与之相连的副回路，因此具有很多特点，如下所述。
图3.3 加热炉温度串级控制系统方框图
项目三 串级控制系统
3.1.2 串级控制系统的结构
1．方框图 串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它是根据系统
结构命名的。串级控制系统由两个控制器串联连接组成，其中一 个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。 如图3.4所示，为串级控制系统的通用原理方框图。由该图 可以看出，串级控制系统在结构上具有以下特征： （1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； （2）中间变量为副被控变量，称为副控制系统； （3）以原对象的输出信号为主被控变量，构成一个主控制系 统，称为主控制系统、主回路或主环； （4）主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制器 的设定值； （5）主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。
串级过热汽温控制系统的分析与实现
使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片蚀
过热蒸汽温度过低
影响机组的安全运行
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副控制器 接受主控制器的输出信号和减温器出口温度信号 ，副调节器的输出控制执行机构的位移，从而控制减温水调节阀门的开度。
主控制器 接受过热汽温信号 ，用于维持过热蒸汽温度，使其等于给定值；
5
串级过热汽温控制系统由内、外两个闭合的控制回路构成
内回路的任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用，副控制器一般可采用P或PD控制器。
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外回路分析
1.系统的动态特性
只要在主汽温偏离给定值时，由主控制器就发出校正信号 ，通过副控制器及执行器改变减温水量，使过热汽温最终恢复到给定值。其控制过程可表示为
外回路的任务 :
控制器的输入偏差信号增加时输出也增加，则选择控制器为正作用或标“INC”；若控制器输入偏差信号增加时输出减小，则选择控制器为“反作用”或标“DEC”。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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THANKS
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中压过热汽温度比额定值高25～40℃
改变过热器入口蒸汽温度的方法
喷水式减温表面式减温
因被控对象在基本扰动下的迟延时间太长，往往在机组负荷变动等扰动下蒸汽温度偏差较大。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式。
过热蒸汽温度过高
容易烧坏过热器
会降低全厂的热效率
一般蒸汽温度每降低5～10℃热效率约降低1%
主控制器可采用PI或PID控制器
保持过热汽温等于给定值
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对主控制器来说：当输入偏差 增加时，输出 减小，则主控制器的正反作用开关置于“反作用”位置。
依据控制器入口信号的接线极性来确定控制器正反作用开关的位置，从而保证系统中内、外回路全部实现负反馈，以保证系统正常进行。
管式加热炉出口温度与炉膛的温度串级控制
设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计系别：电子通讯与应用技术系班级：学生姓名：指导教师：成绩：________________________2012年 6 月29 日课程设计任务书课程设计题目管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计功能技术指标1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
求出比例度与衰减振荡周期；4．按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5．求出系统的阶跃响应曲线；6．求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶扰动信号，系统的输出曲线；7．分析系统特点。
工作量两周工作计划1 设计前准备1天2 总体设计1天3 检测变送器的选用0.5天4 控制器的选择0.5天5 执行器件的选择0.5天6 控制器算法确定及参数整定 1.5天7 过程控制系统整体构成2天8 编写课程设计报告1天指导教师评语2012年6月29日目录第１章绪论.................................................................................................. - 2 -1.1 设计要求...................................................................................... - 2 -1.1.1 设计题目和设计指标...................................................... - 2 -1.1.2 设计功能.......................................................................... - 2 -第２章系统总体设计方案........................................................................ - 3 -2.1. 工艺流程图.................................................................................. - 3 -2.2. 方框图工艺流程介绍.................................................................. - 3 -第3章硬件设计和器件的选择................................................................ - 4 -3.1. 系统电气接线图.......................................................................... - 4 -3.2. 器件选择...................................................................................... - 4 -3.3. 译码电路设计.............................................................................. - 4 -第4章控制算法选择及参数整定............................................................ - 5 -第5章系统软件设计................................................................................ - 6 -结论................................................................................................................ - 8 -心得和体会.................................................................................................... - 9 -致谢.............................................................................................................. - 10 -参考文献...................................................................................................... - 10 -第１章绪论1.1 设计要求设计要求：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统1.1.1 设计题目和设计指标设计题目：管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统设计设计指标：1. 选择控制器与调节阀的作用方式；2．画出控制系统框图；3．采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。
锅炉温度串级控制系统
过程控制仪表课程设计题目：锅炉温度串级控制系统学生姓名：班级：学号：指导老师：2011年06月08日目录摘要 (2)1系统简介 (2)1.1 控制方式的确定 (3)1.2 检测元件和执行机构的选择 (4)1.2.1 检测元件的选择 (4)1.2.2 执行机构的选择 (4)1.2.3 微型计算机的选择 (4)1.2.4 输入输出通道及外围设备的选择 (6)2设计方案及仪表选型2.1系统控制硬件的设计2.1.1系统的原理框图.2.1.2 温度检测电路单元 (7)2.1.3 执行器的选择 (14)2.1.4 控制系统仪表配接图及说明2.1.5 仪表型号清单2.2 系统控制的软件设计3系统仿真的实现4设计总结参考文献 (20)摘要电阻炉是现代工业生产的主要装备，在国民经济建设中具有举足轻重的作用。
本次设计是根据电阻炉温度控制技术的发展要求而设计的一种温度实时串级控制系统。
其控制原理、思想非常适用于自动化程度比较高的企业以及现场环境比较复杂的控制场所。
本系统利用温度传感器、变送器、PLC及其配套的A/D转换器件MAD02、上位计算机等，完成了电阻炉温度可编程控制器串级控制系统的设计，以CX-Programmer、Windows为平台，通过上位机和下位机软件的设计，实现电阻炉温度的实时串级控制。
1、系统简述随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。
而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。
现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。
锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。
目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。
实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。
锅炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。
火电厂锅炉温度串级控制方案
火电厂锅炉温度串级控制方案【摘要】本文主要介绍了火电厂锅炉温度串级控制方案，主要包括其串级控制系统的结构、控制特点与控制规律，为实际工作中锅炉温度控制方案的选择提供了参考。
【关键词】火电厂；锅炉温度；串级控制引言随着经济的快速发展，环境污染问题日益严重，节能降耗的需求日益强烈。
电力行业发展中，随着大容量火力发电机组的不断建设，提高机组运行效率和热经济性也非常迫切。
在计算机技术快速发展的今天，很多先进控制技术和方法应用于锅炉的各种控制中。
目前电厂主蒸汽温度传统串级控制系统中设计有主、副两个PID控制器。
由于主汽温对象具有较大的迟延和惯性，主控制器采用PID控制规律，副控制器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主控制器输出信号。
当过热汽温升高时，主控制器输出减小，副控制器输出增加，减温水量增加，过热汽温下降。
在主、副控制器均具有PI控制规律的情况下，主、副控制器的输入偏差均为零。
因此可以认为主控制器的输出是导前汽温的给定值。
上述传统串级控制系统具有内外回路。
内回路由导前汽温变送器、副控制器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主控制器及整个内回路组成。
内回路相当于以主控制器输出为给定值、以导前汽温为被调量、以减温器为控制对象组成的一个单回路控制系统。
因这一系统的控制对象迟延和惯性较小，所以它的控制过程是稳定的。
当减温水发生扰动或减温器后的温度发生变化引起导前汽温变化时，系统能及时调整，快速稳定，减小扰动、特别是减温水扰动对过热汽温的影响；相对于内回路，外回路是一个低速回路，它的主要任务是维持主汽温等于给定值。
主蒸汽温度有着复杂的动态和强耦合特性。
上面所述常规的PID控制仅仅关注控制回路中单个输入输出变量之间的关系，而无法对强耦合或者次强耦合的输入输出变量之间的关系予以补偿。
实际运行中，出口蒸汽温度不仅受到减温器中减温水量的影响，同时也受燃料流量，空气流量和蒸汽流量等过程量的影响。
过热汽温串级控制系统的设计
引言火电厂锅炉汽温控制系统具有大迟延、大惯性的特点，且影响汽温变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、烟气温度和流速、火焰中心位置、减温水量、给水温度等等，这些扰动会极大影响机组的平安、经济运行。
本设计的工作意义是：大型火电厂锅炉过热汽温对电厂平安经济运行有着重要影响, 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中温度最高点，如果蒸汽温度过高就会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，威胁机组的平安运行。
如果过热蒸汽温度偏低，那么蒸汽含水量增加，会降低电厂的工作效率，甚至会使汽轮机带水，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。
所以控制好过热器出口温度非常重要。
通常要求它的温度保持在额定值5范围内。
常规的蒸汽温度控制方案大致可分为两种: 一种是串级控制, 另一种是导前微分控制。
目前该领域的控制方法有：过热汽温FPID(模糊PID)控制系统, 基于控制历史的过热汽温模糊串级控制系统，过热汽温鲁棒PID控制系统，但以上方法都只是理论研究，应用于实际生产之中的控制方式以传统方法为主。
继续提高主汽温、再热汽温的控制品质，仍具有较高的理论与实用价值。
本文以过热汽温串级控制系统的思路对被控对象进行研究与分析，针对被控对象的大延迟，不确定等特点，选择串级控制系统能够获得较好的抗干扰性能和动态特性。
第一章单元机组燃烧系统本课题研究对象为200MW单元机组过热汽温串级控制系统，锅炉为高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，下面将先介绍锅炉的燃烧系统。
1.1 燃烧室(炉膛)炉膛断面尺寸为深12500mm、宽13260mm的矩形炉膛其深宽比为。
这样近似正方形的矩形截面为四角布置切圆燃烧方式创造了良好的条件。
从而使燃烧室四周的水冷壁吸热比拟均匀，热偏差较小。
燃烧室上部布置四大片分隔屏过热器，便于消除燃烧室上方出口烟气流的剩余旋转，减少进入水平烟道的烟气温度偏差。
汽包，壁厚145mm，筒身长20500mm，汽包横向布置在锅炉前上方，汽包内径为1743筒身两端各与半球形封头相接，筒身与封头均用BHW-35钢材制成。
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锅炉过热蒸汽出口压力串级 控制
《深入浅出过程控制-小锅带你学过控》
实验目的
❖ 掌握串级控制系统的结构和设计过程 ❖ 掌握串级控制系统的组态、投运和控制器参数整定
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基础知识
1. 串级控制系统的方块图 2.串级控制系统的组成 3. 副被控变量的选择
4. 主、副控制器控制规律的选择 5.主、副控制器正反作用的判定
位号
执行机构说明
XV1105
过热蒸汽管线开关阀
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认识实验——压力自衡过程
❖ 1、在没有打开任何工程的前提下，在SMPT-1000监控环 境中打开锅炉工程08_BoilerPI1104 SingleControl
❖ 2、点击工具栏中的 按钮，打开阀门/挡板控制配置对话 框，确认阀门FV1104为手操状态。
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基 础知识
❖ 串级控制系统主、副控制器正、反作用的确定 ❖ 串级控制系统控制器正、反作用的判定顺序：先副后主 ❖ ①确定副控制器的正、反作用：与主环无关，判定方法
与单回路控制系统相同，判断过程如下
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基础 知 识
②确定主控制器的正、反作用：主控制的正反作用只与主 对象的符号以及偏差的符号有关，与调节阀的符号没有关 系。 ❖ 在判断主控制器正、反作用时，将副环看成一个符号为
❖ 最终过热蒸汽压力为PI1104，温度为TI1104，流量为 FI1105。过热蒸汽出口管道上设调节阀FV1105。
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认识实验——流程说明
❖ 燃料经由燃料泵P1102泵入炉膛F1101的燃烧器；空气经 由变频鼓风机K1101送入燃烧器。燃料流量为FI1103，燃 料压力为PT1101，燃料流量管线设调节阀FV1104。燃料 与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使锅炉水汽化。
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基础 知 识
❖ 串级控制系统有两个控制器（主控制器和副控制器）， 而只有一个调节阀。
❖ 主环是一个定值控制系统，而副环是一个随动系统。 ①主控制器的给定值是由工艺决定的，它是一个定值； ②副控制器的给定值是由主控制的输出提供的，它随着主 控制输出的变化而变化，所以副环是一个随动系统 ❖ 在串级控制系统中，对主对象的控制质量要求比较高，
❖ 3、在趋势画面中添加PI1104、FI1103和FV1104的实时曲 线。
❖ 4、特性测试 ➢ 点击工具栏中的运行按钮 ，让锅炉工程运行起来。
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认识实验——压力自衡过程
➢ 将阀门FV1104固定到一个开度，待过热蒸汽出口压力稳 定之后记录下流量FI1103和压力PI1104的值。
➢ 然后将阀门FV1104调整到一个新开度，待压力稳定后， 记录流量和压力新的稳态值。
❖ 选择操纵变量过热蒸汽出口压力主要受过燃料流量和过热蒸汽出口流
量的影响，其中燃料流量对过热蒸汽出口压力的影响尤其 显著，因此选择燃料流量作为操纵变量。
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过热蒸汽出口压力单回路控制系统——设计
❖ 确定控制器正反作用 根据系统必须构成负反馈，即构成系统的各个环节的放
大倍数为负，而阀门的符号为正；过热蒸汽出口压力对象 的符号为正（燃油流量增加时，过热蒸汽压力升高）；测 量变送器的符号为正；偏差为PV-SP，符号为正；由此得知 ，控制器的符号为负 ❖ 控制规律选择
而对副对象控制质量要求没有主对象高。
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基础知识
❖ 串级控制系统副被控变量的选择 ▪ 使系统中的主要干扰包含在副环内； ▪ 使副环包含更多的干扰； ▪ 使副环尽量少包括或不包括纯滞后； ▪ 副回路的设计还要考虑到方案的经济性和工艺的合理 性。
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基础知识
❖ 串级控制系统中主、副控制器规律的选择 ▪ 主控制器一般选择比例-积分控制器，如果滞后比较大 ，例如温度对象和成分对象，就需要选用比例-积分微分控制器。 ▪ 副控制器一般选用比例控制器。
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基础知识
❖ 串级控制系统的方块图
主控制器
副控制器
调节阀
副对象
副变送器
主变送器
主对象
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基础知识
❖ 串级控制系统的组成： ❖ 串级控制系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上
称内环为副环，外环为主环。 ①处于副环上的控制器、对象和变送器分别称为副控制器、 副对象和副变送器。副对象的输出称为副被控变量，简称副 变量。 ②处于主环上的控制器、对象和变送器分别称为主控制器、 主对象和主变送器。主对象的输出称为主被控变量，简称主 变量。
➢ 本实验可以继续下去，对应FV1104任何一种开度，蒸汽 压力PI1104都能达到平衡。
完全自衡过程：无论扰动如何变化，过程自身都能在不加 控制的条件下，在变量实际允许的量程范围内达到平衡
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过热蒸汽出口压力单回路控制系统——设计
❖ 过热蒸汽出口压力控制目的：为了保证过热蒸汽出口压 力稳定（过热蒸汽出口压力是蒸汽供需平衡的标志，而 蒸汽压力通常随着需求的变化而变化）。
压力对象滞后较小，因此使用比例积分控制作用即可。
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过热蒸汽出口压力单回路控制系统——实验步骤
❖ 1、确保在SMPT-1000监控环境中打开锅炉工程 08_BoilerPI1104SingleControl。
“正”的环节。 ❖ 因为副环是一个随动控制系统，即当副环的输入增加时
，副环的输出也将增加；反之输入减小，输出也将减小 ，所以副环的符号为“正”。
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基础 知 识
主对象的输入是副对象的输出，这从串级控制 系统的方块图中可以看出。
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认识实验——认识过热蒸汽出口压力
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认识实验——流程说明
❖ 经处理的软化水在除氧器V1101中热力除氧后，经由上水 泵P1101泵入汽包V1102，再经过对流管束和下降管进入 锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热变成汽水混合物，然后返 回汽包进行汽水分离。分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛 F1101进行汽相升温，成为过热蒸汽。出炉膛的过热蒸汽 进入减温器E1101壳程，进行温度微调后，以工艺所要求 的过热蒸汽压力、过热蒸汽温度输送给下一生产单元（ 如蒸发器）。
❖ 检测仪表说明：
位号 FI1103 FI1105 PT1101 PI1104
检测点说明 燃料流量
过热蒸汽流量 燃料压力
过热蒸汽压力
单位 kg/s kg/s MPa MPa
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认识实验——流程说明
❖ 执行机构说明
位号
执行机构说明
FV1104
燃料管线调节阀
FV1105
❖ 开关阀说明
过热蒸汽管线调节阀