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。

过热蒸汽送负荷设备热空气汽包炉膛烟气排出冷空气送入水送入热空气送往炉膛过热器减温器空气预热器图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：M减温器调节器减温水图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。

M减温器调节器2减温水调节器1温度变送器温度变送器图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。

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'=(kc ，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1001~101，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51~31。

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。

四、控制系统详细设计图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：Gm1(s) Gc1(s) Gc2(s)Gf2(s) Gf1(s) Gp2(s) Gp1(s) Gv(s) Gm2(s)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。