基于PID锅炉温度控制系统设计

1 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 2

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 3

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。

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

图2 蒸汽锅炉原理图 4

1、锅炉负荷与过热汽温的关系 锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。 2、过剩空气系数与过热汽温的静态关系 过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。 3、给水温度与汽温关系 提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。 4、燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系 在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。

3.2 过热蒸汽温度控制对象的动态特性 过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：①蒸汽流量变化(负荷变化)；②加热烟气的热量变化；③减温水流量变化(过热器入口汽温变化)。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。 1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性 引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以用一阶惯性延迟来表示：

()1DsDKGSeTS

式中：DK—负荷扰动时被控对象的放大系数； —负荷扰动后对象的滞后时间；

DT—对象的时间常数。 从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，延迟时间约为15s左右。动态特性曲线如图3（a）。

2、 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性 当烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过 5

热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：

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1()1GSTSTS



对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，延迟一般在15-25s之间。烟气热量扰动的汽温响应曲线与蒸汽流量扰动下的情况类似，如图3（a）所示。

图3扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 3、减温水流量扰动下过热汽温对象的动态特性 当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。动态曲线图如图3（b）所示当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。

综上所述，可归纳出以下三点： （1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。 （2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。 （3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。