基于PID锅炉温度控制系统设计..

基于PID的蒸汽锅炉控制系统设计

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，而对锅炉过热蒸汽的良好

控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。所以本设计采用串级控制系统，这样可以极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

在本设计用到串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度，通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。

关键词：蒸汽锅炉温度PID 串级控制

Boiler Control System Design Based on PID

Abstract:This article is for the boiler overheated steam temperature control system analysis and design, and good control of superheated steam boiler steam temperature to ensure that the system output stable premise. This design uses a cascade control system, can greatly eliminate various interference factors in the control system work, so that the system can work in a relatively good state while the boiler superheater outlet steam temperature is within the allowed range, and protect the superheater tube wall temperature does not exceed the permissible operating temperature.

In the design used cascade control system, the main object is sent to the load equipment outlet temperature.Vice object between the desuperheater and superheater steam temperature by controlling the flow of warm water reductions to achieve control

of superheated steam temperature purposes.

Keywords:Steam generator Temperature PID Cascade Control

一、设计目的和意义

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，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤其是使用管理不当，导致事故的频率很高。解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。

二、蒸汽锅炉工艺流程及控制要求

2.1 蒸汽锅炉工艺流程介绍

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，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，常见锅炉设备工艺流程如图1。

图1 常见锅炉主要设备工艺流程图

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，形成一定气温的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。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。

2.2 蒸汽锅炉控制要求

锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒液位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，下图为输入变量与输出变量之间的相互关系。如果蒸汽流量变化或给水量发生变化，会引起锅筒液位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒液位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。

图2 蒸汽锅炉原理图

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。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：

①锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；

②锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

③过热蒸汽温度控制系统：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；

④锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

本次设计重点控制过热蒸汽的温度。

三、过热蒸汽温度控制方案及论证

3.1 过热蒸汽温度控制对象的静态特性