過程控制課程設計--鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　(2011 -- 2012 年度第 1學期)</p><p>　　名 稱：過程控制課程設計</p><p>　　題 目：鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng) </p><p>　　院 系：自動化 </p>

2、;<p>　　設計周數(shù)：1周 </p><p>　　日期： 2011年 12月29日</p><p>　　《過程控制》課程設計</p><p><b>　　任 務 書</b></p><p><b>　　一、 目的與要求</b></p>

3、<p>　　“過程控制課程設計”是“過程控制”課程的一個重要組成部分。通過實際工業(yè)過程對象控制方案的選擇、控制功能的設置、工程圖紙的繪制等基礎設計和設計說明的撰寫，培養(yǎng)學生基本控制系統(tǒng)工程設計能力、創(chuàng)新意識，完成工程師基本技能訓練。</p><p><b>　　二、 主要內(nèi)容</b></p><p>　　1．根據(jù)對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構

4、，給出控制系統(tǒng)原理圖；</p><p>　　2．根據(jù)確定控制設備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；</p><p>　　3．根據(jù)確定的自動化水平和系統(tǒng)功能，選擇控制儀表，完成控制系統(tǒng)SAMA圖（包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖）；</p><p>　　4．對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定；</p><p>　　5．

5、編寫設計說明書。</p><p><b>　　三、 進度計劃</b></p><p>　　四、 設計（實驗）成果要求</p><p>　　繪制所設計熱工控制系統(tǒng)的的SAMA圖；</p><p>　　根據(jù)已給對象，用MATABL進行控制系統(tǒng)仿真整定，并打印整定效果曲線；</p><p><b&

6、gt;　　撰寫設計報告</b></p><p><b>　　五、 考核方式</b></p><p><b>　　提交設計報告及答辯</b></p><p><b>　　學生姓名：****</b></p><p>　　指導教師：**** </p>

7、<p>　　2011年 12月30日 </p><p>　　課程設計(綜合實驗)的目的與要求</p><p><b>　　1.1 實驗目的</b></p><p>　　影響過熱蒸汽溫度的主要擾動有三種：蒸汽流量（負荷）擾動；煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等）；減溫水流量擾動。本次課程設計的目的就是通過控制鍋爐的減

8、溫水流量維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。</p><p><b>　　實驗要求</b></p><p>　?。?）被控對象動態(tài)特性分析；</p><p>　　（2 選擇控制系統(tǒng)控制結構，畫控制原理圖；</p><p>　?。?）選擇測點和調(diào)節(jié)機構畫控制系統(tǒng)工藝流程圖；

9、</p><p>　?。?）選擇控制儀表，畫SAMA圖（標出調(diào)節(jié)器作用方向）；</p><p>　?。?）根據(jù)控制原理圖，進行控制系統(tǒng)仿真實驗，控制器參數(shù)整定；</p><p><b>　　設計（實驗）正文 </b></p><p>　　蒸汽溫度自動控制包括過熱蒸汽溫度的自動控制和再熱蒸汽溫度的自動控制。對于某一確定的機

10、組，其過熱蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)和再熱汽溫自動控制系統(tǒng)是針對機組的具體特點而設計的。一般而言，汽溫控制系統(tǒng)種類較多，各有特點。</p><p>　　1.過熱蒸汽溫度控制的任務</p><p>　　過熱汽溫是鍋爐汽水通道中溫度最高的地方，過熱器的材料是耐高溫的合金材料，正常運行時過熱器溫度一般接近于材料所允許的極限溫度。過熱蒸汽溫度偏高，不僅會燒壞過熱器，同時也會使蒸汽管道，汽輪機主汽門、調(diào)節(jié)

11、閥、汽缸、前級噴嘴和葉片等部件機械強度降低，影響機組安全。過熱蒸汽溫度過低，則會降低機組熱效率，同時還會使汽輪機末級蒸汽濕度增加，加速葉片侵蝕。若過熱蒸汽溫度波動過大，還會使材料產(chǎn)生疲勞，危及機組安全運行。</p><p>　　為了保證機組的安全經(jīng)濟運行，過熱蒸汽溫度必須加以精確控制。過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)。一般要求過熱蒸汽溫度與給定值的偏差不超過士5℃甚至更小?？刂浦髡羝麥?/p>

12、度的手段都是在過熱器上安裝噴水減溫器，將帶有一定過冷度的給水噴人，以控制主蒸汽溫度。</p><p>　　亞臨界鍋爐主汽溫度設計值一般為540℃左右，超臨界鍋爐主汽溫度設計值為560~570℃左右，超超臨界鍋爐主汽溫度設計值為600℃左右。對于這樣的傳熱對象，采用任何控制作用都顯得有較大的遲延和慣性，要達到這樣小的溫度偏差是很不容易的。</p><p>　　2.被控對象特性分析</p

13、><p>　　2.1過熱汽溫控制對象的靜態(tài)特性</p><p>　　根據(jù)傳熱方式分：過熱器可分為對流式、輻射式和半輻射式過熱器三種。對于不同的過熱器，蒸汽流量對蒸汽溫度的影響圖1所示：</p><p>　　2.2過熱汽溫控制對象的動態(tài)特性</p><p>　　引起過熱蒸汽溫度變化的因素可分為三類:蒸汽負荷擾動，煙氣側擾動和減溫水側擾動。蒸汽負荷擾

14、動主要是蒸汽流量;煙氣側擾動包括燃料成份、受熱面清潔變、煙氣流量、火焰中心位置、燃燒器運行方式等等;減溫水側擾動如減溫水流量、減溫水溫度等。煙氣側擾動的動態(tài)特性與蒸汽負荷擾動類似，汽溫響應較快，也可以用作控制汽溫的手段，在再熱汽溫的控制中普遍采用。</p><p>　?。?）蒸汽流量（負荷）擾動</p><p>　　以對流式過熱器為例，在蒸汽流量D產(chǎn)生階躍擾動下，過熱汽溫θ變化響的應曲線如

15、圖2所示，可用傳遞函數(shù)（1-1）表示。其特點為：有遲延，有慣性，有自平衡能力 ，且τ和TD均較小。 </p><p><b>　?。?）煙氣熱量擾動</b></p><p>　　在煙氣熱量Qy（煙氣溫度和流速變化）產(chǎn)生階躍擾動下，過熱汽溫θ變化的響應曲線如圖3所示，可用傳遞函數(shù)（1-3）表示。特點為：有遲延、有慣性、有自平衡能力。遲延時間約：10-20s，慣性時間常數(shù)

16、：<100s</p><p><b>　?。?）減溫水量擾動</b></p><p>　　在減溫水量WB產(chǎn)生階躍擾動下，過熱汽溫θ 變化的響應曲線如圖4所示，可用傳遞函數(shù)（1-4）表示.。特點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力（遲延較大，與減溫器的位置和過熱器管道的長短有關）。一般鍋爐：遲延時間：30-60s，慣性時間常數(shù)：>100s</p>

17、<p><b>　　3控制系統(tǒng)設計</b></p><p>　　3.1過熱汽溫控制的基本方案</p><p>　　為了在控制機構動作后能及時影響到汽溫(即控制機構擾動時，汽溫動態(tài)特性的τ、T和τ/ T應盡可能小)，因此正確選擇控制汽溫的手段是非常重要的，目前廣泛采用噴水減溫作為控制汽溫的手段。即使這樣，對于滿足汽溫的高精度要求，控制對象在控制作用下的遲延時間

18、τ和時間常數(shù)T還是太大。如果只根據(jù)汽溫偏差來改變噴水量往往不能保證汽溫在允許的范圍內(nèi)。因此，在設計自動控制系統(tǒng)時，應該引人一些比過熱蒸汽溫提前反映擾動的補充信號，使擾動發(fā)生后，過熱汽溫還沒有發(fā)生明顯變化的時刻就進行控制，消除擾動對主汽溫的影響，而有效地控制汽溫的變化。電站鍋爐應用最廣泛的是串級過熱汽溫控制系統(tǒng)和采用導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)。</p><p>　　本文采用串級過熱汽溫控制系統(tǒng)方案。</

19、p><p>　　3.2串級控制方案論證</p><p>　　串級控制是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強化，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。</p><p>　　圖5 串級控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定

20、值是由工藝規(guī)定的，是一個定制，因此，主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)中，兩個控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先進行“粗調(diào)”，主控制器再進一步進行“細調(diào)”。因此控制質(zhì)量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。</p>

21、<p><b>　　串級控制有以下優(yōu)點</b></p><p>　?、?由于副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時；</p><p>　?、?提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)的快速性增強了；</p><p>　?、?對二次干擾具有很強的克服能力，對客服一次干擾的能力也有一定的提高

22、；</p><p>　?、?對負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。</p><p>　　一般來說，一個設計合理的串級控制系統(tǒng)，當干擾從副回路進入時，其最大偏差將會較小到控制系統(tǒng)的1%~10%，即便是干擾從主回路進入，最大偏差也會縮小到單回路控制系統(tǒng)的1/3~1/5。但是，如果串級控制系統(tǒng)設計得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充分體現(xiàn)。因此，串級控制系統(tǒng)的設計合理性十分重要。</p>

23、<p>　　3.3 系統(tǒng)控制參數(shù)確定</p><p>　　3.3.1 主變量的選擇</p><p>　　串級控制系統(tǒng)選擇主變量時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應盡量選擇能直接反應控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對應關系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。</p><p>　　綜合以上原則，在本系統(tǒng)中

24、選擇送入負荷設備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應控制目的。</p><p>　　3.3.2副變量的選擇</p><p>　　副回路的設計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵。副變量的選擇應遵循以下原則：</p><p>　　① 應使主要干擾和更多的干擾落入副回路；</p><p>　　② 應使主、副對象的時間常數(shù)匹配；</p>

25、;<p>　?、?應考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟型</p><p>　　綜合以上原則，選擇減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度作為副變量。</p><p>　　3.3.3操縱變量的選擇</p><p>　　工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因

26、素。操縱變量的基本原則為：</p><p>　?、?選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為操縱變量；</p><p>　?、?在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制；</p><p>　?、?在①的基礎上選擇對被控變量作用效應較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)響應較快；</p><p>　　綜合以上原則，

27、選擇減溫水的輸入量作為操縱變量。</p><p>　　3.4 調(diào)節(jié)閥的選擇</p><p>　　在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例

28、。</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的開、關形式需要考慮到以下幾種因素：</p><p>　　① 生產(chǎn)安全角度：當氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產(chǎn)工藝設備的安全，不至發(fā)生事故；</p><p>　　② 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復到初始位置時，產(chǎn)品的質(zhì)量不應降低；</p><p>　?、?盡可能的降低原料、

29、產(chǎn)品、動力損耗；</p><p>　?、?從介質(zhì)的特點考慮。</p><p>　　綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。</p><p>　　調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。</p><p>　　閥門定位器的選用，閥門定位器是調(diào)

30、節(jié)閥的一種輔助裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受控制器來的信號作為輸入信號，并以其輸出信號去控制調(diào)節(jié)閥，同時將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構成一個閉環(huán)隨動系統(tǒng)，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運動部件的干摩擦，從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性，實現(xiàn)準確定位；閥門定位器增大了執(zhí)行機構的輸出功率，減少了系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿的移動速度；閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。</p><p><

31、;b>　　3.5 控制器設計</b></p><p>　　3.5.1 控制器控制規(guī)律的選擇</p><p>　　串級主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應盡快地消除擾動對主汽溫的影響，對主汽溫起粗調(diào)作用，因此副控制器一般采用P或PD控制器;主控制器的作用是對主汽溫起細調(diào)作用，因此應采用PI或PID控制器。</p><p>　　3.3.2 控制器正、反作用選擇&

32、lt;/p><p>　　對于串級控制系統(tǒng)，主、副控制器正、反作用的選擇順序應該是先副后主。</p><p>　　副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關。為了使副環(huán)回路構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號必須為“負”，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應為“負”。在本設計中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即減溫器后端蒸汽溫度會降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用

33、為“負”；而調(diào)節(jié)閥為氣開閥，即其控制作用為“正”，所以負調(diào)節(jié)器的控制作用應為負作用。</p><p>　　主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，同時可將副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待，因為副回路是以隨動系統(tǒng)。這樣只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，主對象的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以主控制器

34、應選“負”作用。</p><p>　　3.4控制儀表的選擇</p><p>　　控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。</p><p>　　電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制

35、II型典型信號為，而電動III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設計中選用電動III型儀表。</p><p>　　由電動III型儀表構成的串級控制系統(tǒng)的基本方案有如下兩種：</p><p>　　圖6 用電動III型儀表組成的串級控制系統(tǒng)方塊圖

36、</p><p>　　該方案中采用了兩臺控制器，主、副變量通過一臺雙筆記錄儀進行記錄。由于副控制器輸出的是，而控制閥只能接受氣壓信號，所以在副控制器與控制閥之間設置了一個電氣轉換器。</p><p>　　圖7用電動III型儀表組成的主控-串級控制系統(tǒng)方塊圖</p><p>　　該方案較于上一方案多設置了一個主控-串級控制切換開關，可以根據(jù)不同情況使控制系統(tǒng)工作于主控

37、方式和串級控制方式下。</p><p>　　在本設計中采用第二種方式可以是控制系統(tǒng)更好的工作，得到更穩(wěn)定的控制輸出。</p><p>　　3.5 系統(tǒng)流程及方案</p><p>　　圖8是過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)基本結構，控制系統(tǒng)的方框圖如圖9所示。</p><p>　　串級主汽溫控制系統(tǒng)的兩個回路為:</p><p>

38、;　?、儆蓪ο蟮膶皡^(qū)Gp1(s)、導前汽溫變送器ml、副控制器Gc2(s)、執(zhí)行器Kz和噴水控制閥Kf組成副回路;</p><p>　?、谟蓪ο蟮亩栊詤^(qū)Gp2(s)、過熱汽溫(主汽溫)變送器m、主控制器Gc1(s)及副回路組成主回路。</p><p>　　導前汽溫θ1對于噴水量變化的反應比主汽溫θ及時，一旦導前汽溫θ1發(fā)生變化，副控制器Gc2就改變減溫水流量，及時消除干擾使主汽溫變化較小

39、。主控制器Gc1對過熱汽溫θ起校正作用。當主汽溫θ偏離給定值時，由主控制器Gc1發(fā)出校正信號u1，通過副控制器Gc2及其執(zhí)行機構進行控制，使主汽溫最終恢復到給定值。主控制器的輸出u1相當于改變導前汽溫θ1的給定值。所以控制過程結束時，導前汽溫θ1可能穩(wěn)定在與原來不同的數(shù)值上，而過熱汽溫θ則等于給定值。</p><p>　　一般汽溫控制中導前區(qū)動態(tài)特性Gpl(s)的遲延和慣性要比整個控制對象GPl (s) GP2

40、(s)的遲延和慣性小得多，在這種情況下副回路的控制過程比主回路的控制過程快得多。當副回路消除噴水量擾動時，主汽溫基本上不受影響。即當副回路動作時，主回路可以看作開路;而當主回路動作時，副回路可以看作是快速隨動的比例環(huán)節(jié)。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)仿真機參數(shù)整定</p><p>　?。?）Matlab2011b環(huán)境下應用Simulink搭建系統(tǒng)如圖所示。</p><

41、;p>　?。?）應用兩步法整定串級控制系統(tǒng)，得到內(nèi)環(huán)和系統(tǒng)整體響應曲線如圖11、12所示。其中主副調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為：主調(diào)節(jié)器P=0.06，I=0.0024，副調(diào)節(jié)器P=15.92 D=92.09。系統(tǒng)階躍響應曲線的超調(diào)量為20%，衰減率約為75%，達到設計要求。</p><p><b>　?。?）系統(tǒng)干擾測試</b></p><p>　　系統(tǒng)在蒸汽流量和5%內(nèi)擾

42、作用下的響應曲線分別如圖所示。</p><p>　　通過擾動測試，可以看出系統(tǒng)對擾動具有較強的抑制能力，但同時由于大慣性和延時，以致系統(tǒng)對較強擾動抑制效果有限。</p><p>　　5.繪制SAMA圖（見附錄）</p><p><b>　　6總結體會</b></p><p><b>　　6.1 設計總結<

43、/b></p><p>　　本設計是基于串級控制系統(tǒng)的鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設計，對爐溫過熱蒸汽的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。采用串級控制系統(tǒng)，主回路采用PID運算，副回路采用PD運算。在主回路串級自動控制系統(tǒng)采用微分作用，對于延遲和慣性較大的對象調(diào)節(jié)質(zhì)量較好。同時，可以極大地消除控制系統(tǒng)工作過程中的各種擾動，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下。 </p><p>　　過熱汽

44、溫串級自動控制系統(tǒng)中，過熱汽溫串級自動控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)回路相對獨立，因此在投運時，參數(shù)整定、調(diào)試直觀方便。</p><p>　　串級自動控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算較復雜，對運算設備要求高。（DCS具有豐富的運算功能和較快的運算速度，軟、硬件完全能夠滿足算法要求）。</p><p>　　總之，在火力發(fā)電機組中過熱汽溫采用串級自動控制方案比較理想。</p><p><b

45、>　　6.2心得體會</b></p><p>　　本設計綜合運用了自動控制理論以及過程控制理論，在為期一周的時間里，我們每個人都有很多收獲。</p><p>　　為完成本次課程設計，我們又重新溫習了一下相關的理論和課程資料，查閱了很多文獻，通過這些前期準備工作，我們基本熟悉了控制系統(tǒng)設計的流程及方法，為接下來的課設以及日后的工作奠定了基礎。</p><

46、p>　　我們經(jīng)過討論確定了本課題，然后，明確成員分工，一絲不茍的開展設計，這期間，我們不僅主動去研究現(xiàn)有的理論，而且還參考了工程實際的方案，雖然，我們每個人都很努力，但是，在設計過程中，還是遇到了一些棘手的問題，有的通過查閱資料得以解決，有的是在與同學的討論中豁然開朗，有的在老師的幫助下順利攻克。在解決問題的過程中，我們對相關理論的理解更深刻了，應用理論解決問題的能力更強了。可以說本次課程設計，使我們的工程素養(yǎng)得到了大幅度的鍛煉和

47、提高。</p><p>　　在此，我們誠摯的向組織指導本次課程設計的各位老師表示感謝，對答辯的老師由衷地說句：“您辛苦了！”。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]巨林倉. 電廠熱工過程控制系統(tǒng).西安：西安交通大學出版社，2009</p><p>　　[2]夏澤中，施三寶．主蒸汽溫度預