过程控制与自动化仪表第10章典型过程控制系统设计1.ppt

1、西安理工大学自动化与信息工程学院西安理工大学自动化与信息工程学院信息与控制工程系信息与控制工程系 1 1）了解了解电厂锅炉电厂锅炉的各种控制要求，熟悉它们的的各种控制要求，熟悉它们的控制方案；控制方案；2 2）掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；掌握锅炉燃烧过程控制系统的设计方法；3 3）了解了解精馏塔的精馏塔的控制任务，熟悉各变量之间的控制任务，熟悉各变量之间的关系；关系；4 4）掌握精馏过程控制系统的设计方法；掌握精馏过程控制系统的设计方法；5 5）了解了解工程设计工程设计的基本要求与基本内容；的基本要求与基本内容；6 6）了解项目报告、施工图的设计方法以及抗干了解项目报告、施工图的设计方

2、法以及抗干扰问题的解决方案。扰问题的解决方案。典型生产过程控制与工程设计典型生产过程控制与工程设计火力发电厂外观火力发电厂外观 在火力发电厂，最基本的工艺在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。运转，进而带动发电机发电。汽轮发电机组汽轮发电机组 锅炉控制是火力发电生产过程自锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、温度、流量和供应一定规格（压力、温度、流量和纯度）的蒸汽。纯度）的蒸汽。火力发

3、电厂的生产流程火力发电厂的生产流程火力发电厂的生产流程火力发电厂的生产流程单元机组生产流程示意图单元机组生产流程示意图光聚热与火力发电复合系统光聚热与火力发电复合系统火电锅炉主要控制系统介绍火电锅炉主要控制系统介绍汽包水位控制的重要性汽包水位控制的重要性 将锅炉的汽包水位控制在一个将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉运行的允许范围内，是锅炉运行的主要指主要指标标，也是锅炉能提供符合质量要求，也是锅炉能提供符合质量要求的蒸汽负荷的的蒸汽负荷的必要条件必要条件。汽包水位传感器与水位电视汽包水位传感器与水位电视 以以汽包水位为被控参数汽包水位为被控参数、给水流量为控制参数给水流量为控制参数可

4、以构成可以构成单回路控制系统，称为单回路控制系统，称为单冲量单冲量控制系统。这种系统结构简单、控制系统。这种系统结构简单、设计方便。设计方便。汽包水位单冲量控制系统汽包水位单冲量控制系统 这种系统结构的缺点是克这种系统结构的缺点是克服服给水自发性干扰给水自发性干扰和和负荷干扰负荷干扰的能力差，汽包的能力差，汽包假水位现象假水位现象使使汽包水位的特性变的复杂和难汽包水位的特性变的复杂和难以控制！而汽包水位又是锅炉以控制！而汽包水位又是锅炉运行中的重要参数，一旦控制运行中的重要参数，一旦控制超标将引起严重的事故！超标将引起严重的事故！汽包水位单冲量控制系统汽包水位单冲量控制系统什么是假水位现象？该

5、如何改进汽包水位控制系统？什么是假水位现象？该如何改进汽包水位控制系统？汽包水位控制系统1.给水给水W阶跃扰动下的水位曲线阶跃扰动下的水位曲线 锅炉汽包是一个汽水分离装置，锅炉汽包是一个汽水分离装置，属于单容对象。它受给水量、用汽量属于单容对象。它受给水量、用汽量和锅炉热负荷的影响。和锅炉热负荷的影响。1)()(211sTKssWsH气泡影响汽包水位的扰动特性2.蒸汽流量蒸汽流量D扰动下的水位曲线扰动下的水位曲线1)()(222sTKssDsH气泡影响汽包水位双冲量控制要消除来自主蒸汽流量的干扰应采取何种控制方式？要消除来自主蒸汽流量的干扰应采取何种控制方式？从物质平衡的观点出发，使给水量永远

6、等于蒸发量！从物质平衡的观点出发，使给水量永远等于蒸发量！如果根据蒸汽流量的变化来校正如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位虚假水位的误动作，就能使调节阀动的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将蒸汽流将蒸汽流量作为前馈信号量作为前馈信号，就构成了双冲量控制系统。，就构成了双冲量控制系统。双冲量控制系统流程图及方框图双冲量控制系统流程图及方框图汽包水位双冲量控制系统汽包水位双冲量控制系统前馈前馈-反馈复合控制反馈复合控制消除来自锅炉给水回路的干扰应采取何种控制方式？消除来自锅炉给水回路的干扰应采取何种控

7、制方式？该控制系统由主、副两个调节该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（器和三个冲量（汽包水位、蒸汽流汽包水位、蒸汽流量、给水流量量、给水流量）构成。其中，主调）构成。其中，主调节器为汽包水位调节器，副调节器节器为汽包水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。馈信号。汽包水位三冲量串级控制系统流程图汽包水位三冲量串级控制系统流程图 三冲量前馈反馈串级控制系三冲量前馈反馈串级控制系统在克服虚假水位的影响、维持水统在克服虚假水位的影响、维持水位稳定、提高给水控制质量等多方位稳定、提高给水控制质量等多方面都优于前述两种控制系统，是现面都优于前述两种控制

8、系统，是现场广泛采用的汽包水位控制方案。场广泛采用的汽包水位控制方案。汽包水位三冲量控制系统汽包水位三冲量控制系统过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统单元机组生产流程示意图单元机组生产流程示意图减温水调节减温水调节主蒸汽温度主蒸汽温度控制要求与过程特性控制要求与过程特性 过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在55的范围内。的范围内。过热蒸汽温度控制系统的任务是使过热器出口温度维持在过热蒸汽温度控制系统的任务是使过热器出口温度维持在允许范围内允许范围内。过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统 影响过热蒸汽温度的影响过热蒸汽温度的

9、外界因外界因素素很多，例如蒸汽流量、减温很多，例如蒸汽流量、减温水量、流经过热器的烟气温度水量、流经过热器的烟气温度和流速等的变化都会影响过热和流速等的变化都会影响过热蒸汽的温度。蒸汽的温度。蒸汽温度蒸汽温度对不同干扰对不同干扰的阶跃响应的阶跃响应 由右图可知，在各种阶跃干扰由右图可知，在各种阶跃干扰作用下，其动态特性都有作用下，其动态特性都有时延时延和和惯性惯性，只是时延和惯性的大小不，只是时延和惯性的大小不同而已。同而已。过热蒸汽温度控制的问题过热蒸汽温度控制的问题 若采用若采用减温水流量减温水流量作为控制变作为控制变量则既简单又易行。但存在的问量则既简单又易行。但存在的问题是：题是：减温

10、水流量与过热蒸汽温度减温水流量与过热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；之间存在较大的时延和惯性；在工艺上，锅炉给水与减温在工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管，这样会导水常常合用一根总管，这样会导致减温水自身波动频繁。致减温水自身波动频繁。针对上述问题，应如何设计控制系统，以提高控制质量？针对上述问题，应如何设计控制系统，以提高控制质量？过热蒸汽温度串级控制过热蒸汽温度串级控制 该控制系统将减温器后汽温信该控制系统将减温器后汽温信号号T T2 2作为作为副被控参数副被控参数构成副回路，构成副回路，当减温水出现波动时当减温水出现波动时T T2 2能比主汽温能比主汽温T T1 1提前感受它的影

11、响，并使副调节提前感受它的影响，并使副调节器及时动作，使减温水的干扰能够器及时动作，使减温水的干扰能够及时得到克服。及时得到克服。当主汽温因受其它干扰当主汽温因受其它干扰(如烟如烟道气）而偏离给定值时，主蒸汽温道气）而偏离给定值时，主蒸汽温度信号经测量、变送反馈至主调节度信号经测量、变送反馈至主调节器，使主调节器发出控制指令改变器，使主调节器发出控制指令改变副调节器随之动作，控制调节阀副调节器随之动作，控制调节阀,从而使主汽温控制在允许的范围之从而使主汽温控制在允许的范围之内，使控制质量得到保证。内，使控制质量得到保证。过热蒸汽温度控制系统过热蒸汽温度控制系统 锅炉燃烧过程的锅炉燃烧过程的控制

12、任务控制任务是使燃料所产生的热量能够是使燃料所产生的热量能够适应锅炉产汽的需要，同时适应锅炉产汽的需要，同时还要保证锅炉的安全经济运还要保证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为：行。其具体任务又可分为：使锅炉出口蒸汽压力保使锅炉出口蒸汽压力保持稳定；持稳定；保证燃烧过程的经济性保证燃烧过程的经济性和对环境保护的要求；和对环境保护的要求；使炉膛负压保持恒定；使炉膛负压保持恒定；确保燃料燃烧过程中的确保燃料燃烧过程中的安全性。安全性。有三个可供选择的调节量，即有三个可供选择的调节量，即燃料量、送风量和引风量燃料量、送风量和引风量。锅炉燃烧控制系统锅炉燃烧控制系统影响影响蒸汽压力蒸汽压力的外界因素

13、主要是的外界因素主要是蒸汽负荷的变化蒸汽负荷的变化与与燃料量的波动燃料量的波动。当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又有较高要求时，则需采用燃料燃料量量/空气量空气量对蒸汽压力的串级对蒸汽压力的串级/比值控制方案。比值控制方案。燃烧过程的两种基本控制方案燃烧过程的两种基本控制方案主蒸汽压力控制方案主蒸汽压力控制方案图图a a所示控制方案将蒸汽压力调节所示控制方案将蒸汽压力调节器器PCPC作为串级控制的主调节器，作为串级控制的主调节器，其输出同时作为燃料流量调节器其输出同时作为燃料流量调节器和空气流量调节器的设定值，燃和空气流量调节器的设定值，

14、燃料流量和空气流量构成各自的。料流量和空气流量构成各自的。图图b b）所示控制方案将蒸汽压力与燃料所示控制方案将蒸汽压力与燃料流量构成串级控制系统，而送风量则流量构成串级控制系统，而送风量则随燃料量变化而变化，构成比值控制随燃料量变化而变化，构成比值控制系统，但当负荷发生变化时，送风量系统，但当负荷发生变化时，送风量的变化必然落后于燃料量的变化。的变化必然落后于燃料量的变化。主蒸汽压力控制方案对比主蒸汽压力控制方案对比改进目的：改进目的：防止负荷变化过程中因燃烧不充分而造成的防止负荷变化过程中因燃烧不充分而造成的“冒黑烟冒黑烟”现象现象。燃烧过程的改进型控制方案燃烧过程的改进型控制方案 该控制

15、方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时，可通过低值选择器 LSLS先先减少燃料量，再通过高值选择器减少燃料量，再通过高值选择器HSHS后减少空气量，从而可使后减少空气量，从而可使空气过量空气过量而而燃烧均较为充分。燃烧均较为充分。燃烧过程的改进型控制方案燃烧过程的改进型控制方案负荷减小负荷减小 该控制方案在蒸汽负荷增大、压力减小时，可通过高值选择器该控制方案在蒸汽负荷增大、压力减小时，可通过高值选择器 HSHS先先增大空气量，再通过低值选择器增大空气量，再通过低值选择器LSLS后增大燃料量，从而可使后增大燃料量，从而可使空气过量空气过量而而燃烧均较

16、为充分。燃烧均较为充分。燃烧过程的改进型控制方案燃烧过程的改进型控制方案负荷增大负荷增大燃料燃烧的过剩空气量与能量损失的关系如下图所示：燃料燃烧的过剩空气量与能量损失的关系如下图所示：液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图 燃烧过程的优化控制方案燃烧过程的优化控制方案 TPqq过剩空气量可过剩空气率过剩空气量可过剩空气率 来表示来表示，为实际空气量和理论空气量之比，为实际空气量和理论空气量之比，a1一般情况下，一般情况下，。由此可知，由此可知，是衡量经济燃烧的一种是衡量经济燃烧的一种直接指标直接指标。但由于。但由于 很难直接测量，因而可用很难直接测量，因而

17、可用 与烟气中含氧量 a 存在的近似关系，计算出 的最优值，即：aaa22.0122.022.0例如，当例如，当 的最优值为的最优值为1.081.081.151.15时，可得时，可得 a的最优值为的最优值为1.6%1.6%2.9%2.9%。因此，烟气中的含氧量因此，烟气中的含氧量 a可作为一种衡量经济燃烧的可作为一种衡量经济燃烧的间接指标间接指标。过剩空气量与烟气含氧量过剩空气量与烟气含氧量 在该优化控制系在该优化控制系统中，只要把含氧量统中，只要把含氧量成分控制器的给定值成分控制器的给定值按正常负荷下烟气含按正常负荷下烟气含氧量的最优值设定，氧量的最优值设定，即可使过剩空气量稳即可使过剩空气

18、量稳定在最优值，从而保定在最优值，从而保证锅炉燃烧最经济，证锅炉燃烧最经济，热效率最高。热效率最高。根据上述分析可知，只要在改进型控制方案上对进风量用烟气含氧量根据上述分析可知，只要在改进型控制方案上对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成如下图所示的烟气含氧量的闭环控制系统。加以校正，就可构成如下图所示的烟气含氧量的闭环控制系统。烟气含氧量的闭环控制系统烟气含氧量的闭环控制系统 燃烧过程的优化控制方案燃烧过程的优化控制方案 蒸汽流量与烟气中最蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非线性优含氧量之间呈一非线性关系，在实际使用时可用关系，在实际使用时可用左图所示的折线来近似。左图所示的折线来近似。由图

19、可知，当负荷下由图可知，当负荷下降时，烟气中最优含氧量降时，烟气中最优含氧量增大，也即意味着过剩空增大，也即意味着过剩空气量增大，反之亦然气量增大，反之亦然。蒸汽流量与最优含氧量近似关系蒸汽流量与最优含氧量近似关系 要使在不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气要使在不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃烧状态，则烟气含氧量的最优值还需随之变化，这就需要对上页图示的闭环控制系统含氧量的最优值还需随之变化，这就需要对上页图示的闭环控制系统进一步加以改进。进一步加以改进。最佳最佳燃烧过程控制方案燃烧过程控制方案 在该系统中，当蒸汽流量变化时，其变化的信号经函数发生器改变含氧量成分调节器的设定值，然后再由含氧量成分调节器校正过剩空气量，使锅炉燃烧过程在不同负荷下，始终处于最佳过剩空气量的状态。最佳最佳燃烧过程控制方案燃烧过程控制方案（1 1）炉膛负压）炉膛负压控制：一般可通控制：一般可通过控制引风量来过控制引风量来实现。实现。（2 2）防）防“脱火脱火”控制：通常可以控制：通常可以采用自动选择性采用自动选择性控制方案。控制方案。（3）防）防“回火回火”控制：是一个连控制：是一个连锁保护控制系统。锁保护控制系统。炉膛负压控制与安全保护控制系统炉膛负压控制与安全保护控制系统 负压控制与安全保护方案负压控制与安全保护方案