热工控制系统及设备.ppt

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1、主要内容基本控制规律数字式调节器的调节规律执行器热工常用控制系统,热工控制系统,第一节 基本控制规律,调节器的控制规律用数学表达式为：C=f(e),一、两位式调节规律,两位式输入和输出如图：呆滞区：不能引起调节器动作的被调量对定值偏差区被调量对设定值的偏差不超出呆滞区间，输出保持不变,输入和输出如图：,理想输出 实际输出呆滞区存在可以延长调节器的使用寿命，避免频繁动作,双位控制器,二、三位式调节规律,三种状态100%0-100%,输入和输出如图：,理想输出 实际输出,三、比例调节,比例调节：调节器的输出和输入成比例关系，传递函数为：Kc：调节器的放大倍数调节作用以偏差的存在为前提，被调量受干扰

2、偏离设定值后不可能恢复到设定值,比例作用压力调节器,四、比例积分控制,积分控制规律 积分控制规律：调节器的输出变化量，与输入偏差随时间的积分成正比数学表达式为:dt比例积分控制规律 比例积分控制规律是比例与积分两种控制作用的组合 其数学表达式为:,积分调节器的特点：,偏差存在时，调节器的输出将随时间不断变化，直到偏差消除总从0开始，不及时，不单独使用，常和比例调节一起组成比例积分调节TI大，积分速度慢,比例积分控制,积分时间及其对系统过渡过程的影响 在比例积分控制系统中，若保持调节器比例度不变，积分时间对过渡过程的影响如图3-11所示。从图中可以看出，积分时间对过渡过程的影响具有双重性。随着积

3、分时间i的减小，积分作用增强，即在相同的扰动作用下，调节器的输出较大，余差消除快，最大偏差减小，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降。i过小，还可能导致系统的不稳定,五、比例微分控制,微分控制规律 微分控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差变化的速度成正比。数学表达式为：比例微分控制规律 比例微分控制规律:是比例与微分两种控制作用的组合。数学表达式为：,比例微分调节的特点,根据被调量的变化趋势，防止被调量出现更大的偏差，使偏差消失于萌芽中输出和偏差变化的速度成正比提供系统稳定性的作用微分时间越长，或偏差变化的速度大，微分作用就强,六、比例积分微分控制,比例积分微分控制规律是比例、积分与微分三种控

4、制作用的组合。数学表达式为：三作用调节器综合了各种控制规律的优点，具有较好的控制性能，应用范围宽广。,比例积分微分控制,各种控制过程常用的控制规律如下：液位：滞后不大，一般控制要求不高，用P或PI控制规律。流量：滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音，用PI或加反微分加以控制。压力：介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等，用P或PI控制规律。温度：容量滞后较大，时间常数大，常用PID控制规律。,比例微积分调节,理想的比例微积分调节（PID）实际的PID调节传递函数为：,PID调节器的阶跃响应曲线,比例,比例微分积分,积分,微分,比例积分微分调节的特点,快速、敏捷平稳准确三项需适当配合三

5、种作用在任何时候都协调工作,七、传感器和变送器的特性,传感器有一定的容量，如热电偶，在没有套管时，单容元件，为一阶惯性环节，传感器的时间常数与对象的时间常数相比很小时，看作比例环节变送器将被测信号转变成标准信号，比例环节,第二节 数字式调节器的调节规律,一、采样过程和Z变换用数字计算机作为系统控制器，对连续的受控对象进行控制，离散信号：纯离散系统采用系统：,采样过程,把连续信号转换成离散信号的过程,零阶保持,使采样信号每一个采样瞬时的值保持到下一个采样瞬时，处于每个采样区间内的值为常数，导数为零,一阶保持,使采样信号每一个采样瞬时的值保持到下一个采样瞬时，处于每个采样区间内的值为常数，导数为零

6、,二、数字PID控制,积分环节的目的是消除余差启动、结束、大幅度增减设定引起较大的超调当被控量和设定值偏差较大时取消积分作用,积分分离算法,微分先行PID控制算法,只对输出量进行微分，而对设定值不作微分，改变设定值，输出不会改变，被控量的输出通常比较缓和适合与设定值频繁变的场合,第三节 调节器,主要内容：一、DDZ-型调节器二、数字调节器三、组装式控制装置,一、单元组合式调节器,DDZ型调节器,输入 电路,直流放大器,PID运算电路,手操作,隔离电路,偏差指示,指示电路,输入I,设定,输出,输入电路,输入通道一般单独使用主输入通道，由于副输入通道的信号不通过偏差指示表而不单独使用 设定电路 为

7、了便于实现定值控制或串级等复杂控制，调节器有内设定和外设定两种方式，可通过“内外”切换开关加以选择,PID运算电路,隔离电路,DDZ型调节器,采用24V直流电源集中统一供电，整套仪表可构成安全火花防爆系统，而且增加了安全单元安全保持器，实现了控制室与危险场所之间的能量限制与隔离，使仪表无论在正常运行，还是在事故状态下，都不会引爆，仪表的安全性、可靠性显著提高。采用国际标准信号制，现场传输信号为4-20mA直流电流，控制室联络信号为1-5V 直流电压，信号电流和信号电压的转换电阻为250。,DDZ-型调节器,单元组合仪表中的重要元件接受15VDC输入，与15VDC给定信号比较，输出420mADC

8、全刻度指示调节器偏差指示调节器,DDZ型调节器,采用了高增益、高阻抗线性集成电路组件，简化了线路，减少了元器件，提高了仪表的精度、稳定性和可靠性，降低了功耗 在基型调节器的基础上易于组成各种变形的特殊调节器 有软、硬两种手动操作方式，自动软手动的切换是双向无平衡无扰动切换，提高了调节器的操作性能,DDZ-III型调节器的组成,控制单元输入电路比例微分电路比例积分电路输出电路软手动和硬手动指示单元输入信号指示电路给定信号指示电路,辅助电路,输入电路：获得输入型号和给定信号之差成比例的偏差信号输出电路软手动和硬手动,二、数字调节器,数字式调节器的主要特点是 保留了模拟式调节仪表所有的优点 模拟和数

9、字技术混用 可靠性高 通用性强 采用面向用户的语言 具有标准的通信功能,数字式调节器的硬件构成,ROM,EPROM,RAM,WDT,CPU,IOD2,IOD1,D/A,数字式调节器,三、组装式电子综合控制装置,模拟组件 转换组件 计算组件 调节组件 控制组件 给定组件 显示器 操作器 电源,组装式电子综合控制装置,数字逻辑组件 监控系统：有固定监控、可变监控、巡回监控等功能 逻控系统：具有程序控制功能，解决过程控制中的程序控制、联锁及系统启停等问题 专用接口装置：用以解决型仪表与计算机的联用问题,第四节 执行器,执行器在自动控制系统中的作用是接受调节器的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定

10、的要求正常进行 一.气动薄膜调节阀二.阀门定位器三.电动执行器四.气动执行器五.智能执行器,一、气动薄膜调节阀,气动薄膜调节阀的组成 气动薄膜调节阀的类型调节阀的流量特性气动薄膜阀的选择气动薄膜调节阀的动态特性和变差 气动薄膜调节阀的安装,气动薄膜调节阀的组成,气动薄膜调节阀是由上部的薄膜执行机构和下部的调节机构两部分组成,执行机构,调节机构,执行机构,气动薄膜调节阀的执行机构是由波纹膜片、上下膜盖、平稳弹簧等部件组成的,调节机构,调节机构是由阀体、阀杆、阀芯、阀座等部件所组成,阀心,阀杆,阀体,气动薄膜调节阀的类型,直通单座调节阀三通调节阀蝶阀高压角形调节阀隔膜调节阀直通双座调节阀,直通单座

11、调节阀,气动薄膜调节阀,三通调节阀,三通阀可以把一路流体分成两路，或是把两路流体合为一路，它们是在直通单座或双座调节阀的基础上发展起来的，可以代替两个直通阀,二位三通电磁阀,蝶阀,蝶阀又称为翻板阀。其结构如图。它利用挡板的旋转改变流通面积来控制流量,高压角形调节阀,铸造成型的角形结构，如图所示。为了延长使用寿命，适应高压差下流体的冲刷和气蚀，阀芯头部可采用硬质合金或可淬硬钢渗铬等，阀座则采用可淬硬钢渗铬,隔膜调节阀,隔膜调节阀采用耐腐蚀衬里的阀体和耐腐蚀的隔膜代替阀芯组件，由隔膜起控制作用，如图所示,直通双座调节阀,直通双座调节阀的结构如图所示。阀体内有两个阀芯和阀座，流体从左侧进入，通过阀芯

12、阀座后汇合，从右侧流出,直接控制式电磁阀,调节阀的流量特性,调节阀的流量特性是指流体通过阀门的相对流量与阀门的相对开度 数学表达式为：理想流量特性：调节阀前后压差保持不变时得到的流量特性 直线流量特性 其数学表达式为：对数流量特性 其数学表达式为：快开流量特性在小开度时，就有较大流量，随着开度的增加，流量很快就增加到最大，此后再增加开度，流量的变化很小,调节阀的流量特性,工作流量特性：调节阀前后压差变化时的流量特性 系统的总压差,气动薄膜阀的选择,调节阀结构型式的选择 要根据工艺条件差、工艺介质的物理化学性、是否有毒性、是否含悬浮颗粒等。过程控制的要求如精度、可调比、噪音等。并参照各种调节阀的

13、特点，兼顾其经济性来选择调节阀的类型，同时还必须考虑调节阀的材质、公称压力等级和上阀盖的型式及所用的密封填料等问题,气动薄膜阀的选择,气开、气关形式的选择 调节阀的流量直接影响到系统的控制质量和稳定性，需要正确选择。快开特性一般应用于双位控制和程序控制，因此流量特性的选择主要是直线特性和对数特性的选择。,气动薄膜调节阀动态特性和变差,气动薄膜调节阀的动态特性,R,p,c,减小调节阀时间常数的措施是：尽量缩短气压信号管线的长度 气压信号传送管线的直径要选择得当 采用阀门定位器,气动薄膜调节阀的安装,调节阀应正立安装在水平管道上，特殊情况下需要倾斜安装时，除小口径调节阀外，一般应加支撑 调节阀应尽

14、量安装在靠近地面或楼板地方,其上、下方应有足够的空间，以便维护和检修 调节阀应安装在温度低于60度，高于40，相对湿度小于80%、无振动、无腐蚀的地方，为避免膜片受热老化，调节阀的上膜盖与载热管道或设备之间的距离应大于200mm,气动薄膜调节阀的安装,调节阀的公称通径与管道通径不同时，两者之间应加一段异径管,为使调节阀的控制作用显著，管道口径一般都大于调节阀的口径 调节阀安装时一般应设置旁路，并装有旁路阀和切断阀，在调节阀发生故障需要维修或拆装时，可通过旁路继续维持生产调节阀必须经常维护和定期检修,二、阀门定位器,阀门定位器的作用改善调节阀的定位精度 控制质量高 有利阀杆正确定位 使用于恶劣环

15、境 较好的抗阻力 使用阀门定位器，可以改善阀的动态特性 可以很方便地改变调节阀的流量特性 应用阀门定位器实现分程控制,气动阀门定位器,气动阀门定位器接受气动调节器的输出，并产生与调节器输出成比例的气压信号，去控制气动调节阀，它是按力矩平衡原理工作的,电/气阀门定位器,电/气阀门定位器接受电动调节器的输出I(010mA或420mA直流电信号)产生与调节器输出信号成比例的气压信号P去控制气动调节阀。,电气转换器,三、DKJ型电动执行器,伺侯电机,伺侯放大器,三、DKJ型电动执行器,其主要技术参数如下：1、电源：AC220V+10-15%；2、控制方式：开关量控制；3、输出转角：090范围内任意设定

16、，零点在360范围内任意设定；4、全行程时间：60秒；5、使用环境温度：(1)、普通型-1055；(2)、高温型：可在150情况下，正常工作一小时；(3)、带高温隔热罩型：可承受280 1小时的极限温度；6、使用环境湿度：95%RH不结露。,四、ZSL型气动执行器,其主要技术参数如下：1、电源：AC220V+10-15%；2、气源：3、控制方式：4-20mA；4、输出转角：090范围内任意设定，零点在360范围内任意设定；5、全行程时间：30秒；6、输出信号：4-20mA 7、具备三断自锁功能,五、智能电动执行器,代表品牌：西门子 ROTORK,第五节 常用自动控制系统分析,主要内容单回路自控

17、系统分析及整定串级控制系统分析及整定前馈-反馈控制系统分析其它控制系统分析,单回路自控系统分析及整定,搞清楚单回路控制系统设计的一般原则，了解系统投运的过程 被控变量的选择 操纵变量的选择 在系统设计时对检测变送环节的考虑 调节器控制规律的选择,一、单回路控制系统的设计,被控变量的选择,储罐,HT,HC,差压变送器,液位调节器,执行器,直接控制变量,被控变量的选择,间接控制,操纵变量的选择,控制通道特性对控制质量的影响 放大系数K的影响 时间常数T的影响 纯滞后0的影响 扰动通道特性对控制质量的影响 操纵变量必须是工艺上允许控制的变量 操纵变量对被控变量的影响应比扰动对被控变量的影响更灵敏 应

18、使主要扰动进入的位置靠近调节阀，远离被控变量的检测元件,对检测变送环节的考虑,纯滞后,PH值控制系统示意图,式中：分别为主管道，支管道的长度和液体流速,对检测变送环节的考虑,Y,Y,T,减小滞后的办法：正确选择检测元件的安装位置 选用快速检测元件 在检测元件之后引入微分作用，以补偿测量滞后的动态误差,信号传送滞后,信号传送滞后:是指气压信号在管路传送过程中所引起的滞后减小的的办法：尽量缩短气压信号的的长度使用气-电转换器按实际情况采用基地式调节器，以消除变送器到调节器之间的信号传送滞后,调节器控制规律的选择,控制规律对控制质量的影响,Y,T,PI,P,PID,PD,各种控制作用过渡过程比较,调

19、节器控制规律的选择,控制规律的的选择位式调节器：适用于滞后较小，负荷变化不大，控制质量要求不高比较控制：是最基本的控制规律，它的输入，输出成比例比例积分控制：用于控制通道滞后小，负荷变化不大，工艺上允许有余差的场合比例微分控制：能使系统的稳定性增加，最大偏差和余差减小加快了控制过程，改善了控制质量,二、单回路控制系统整定,调节器参数的整定：就是在一个已经调校好的控制系统中，去选择和设置合适的调节器的比例度、积分时间和微分时间，使调节器与过程的特性相适应，来改善系统的静态和动态特性，获取最佳控制效果系统整定方法：临界比例度法 衰减曲线法 经验法,临界比例度法,具体整定方法：在闭合运行的控制系统中

20、，将调节器的Ti置最大，Td置零，系统处于纯比例作用之下 根据临界过程参数(即k和Tk)，按经验公式计算出调节器的各个参数值、Ti、Td。将比例度调在比计算值略大一点，积分时间和微分时间分别置于计算值上，观察过渡过程曲线 逐渐将比例度降至计算值，适当调整和修改Ti和Td，直至获得满意的过渡过程曲线为止,衰减曲线法,具体整定方法：在闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零，使系统处于纯比例作用下，比例度放大较大的数值上，待系统稳定 用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比 直到出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度s，并从过渡过程曲线上求出衰减振荡周期Ts 根据s、Ts、

21、按表5-2中的经验公式计算出调节器的各个参数值s、Ts、Ti、Td。将调节器的比例度放在比计算值稍大的数值上，Ti、Td分别置于计算值上，观察过渡过程曲线，逐渐将比例度降至计算值上，圩至过渡过程曲线满意为止,经验法,经验凑试法的两种整定顺序 认为比例作用是基本作用，采用先比例、后积分微分的顺序 闭合运行的控制系统中，将调节器的Ti置最大、Td置零、取经验数据，改变设定值加入扰动，观察记录曲线，若超调量大且趋于非周期，应减小比例度；若振荡过于剧烈，则应加大比例度，使系统达到4:1衰减振荡的过渡过程为止,在积分作用之前，需将已凑试好的比例度加大10-20%，然后再将积分时间T i由大到小进行凑试，

22、若曲线回复时间很长，应减小Ti；若曲线波动较大则应增大Ti，直到系统达到4:1 衰减振荡的过渡过程为止 若系统需加入微分作用，应取得比纯比例作用时更小些，Ti也应减小些，一般先取Td=(1/31/4)Ti，将微分时间Td由小到大凑试，若曲线超调量大而衰减慢，应增大Td；若曲线振荡厉害则应减小Td，同时观察曲线，适当调整Ti、，以使过渡时间短、超调量小，控制质量达到工艺要求为止,调节器参数的经验值,调节器参数,控制规律,经验法,经验整定法的关键是看曲线、调参数 一般情况下，调节器的比例度过小、或积分时间过短、或微分时间过长，都会产生周期性的剧烈振荡，甚至等幅振荡 如果比例度过大或积分时间过长，都

23、会使过渡过程变化缓慢，不能较快达到稳定状态 整定过程过程中，除调节器参数影响过程曲线外，系统中的变送器、调节器、调节阀等调校不良、选择不当以及系统中存在正弦干扰等等原因，都会引起被控变量的振荡，都会在过渡过程曲线中反映出来，要进行具体分析，正确判别其原因,三、单回路控制系统的投运,准备工作熟悉工艺过程 现场校验 检查调节器的正、反作用方向及调节阀的气开、气关形式系统投放安装示意图DTL-121型调节器组成控制的投放QTL-500型气动调节器组成控制系统的投放,锅炉水位控制系统,锅炉汽包水位控制系统，调节阀采用气关式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动打开，给锅炉供水，以防止锅炉烧干而出事故,

24、换热器出口温度控制,换热器出口温度控制系统。调节阀采用气开式，一旦调节阀的输入信号中断时，阀门自动关闭，以防止换热器温度不断升高而使被加热物料分解,系统投运,系统投运一般要经过现场人工操作、手动遥控、自运控制等三个步骤：,串级控制系统分析及整定,串联控制系统概述加热炉出口温度与炉膛温度串联控制系统串联控制系统的构成及其方块图串联控制的工作过程串联控制系统的特点及适用场合对进入副回路的扰动有较快，较强的能力可以改善过程的特性可以消除副过程和调节阀非线形特性的影响,一、串级控制系统,串联控制系统的设计副变量的选择和副回路的设计副回路必须包括主要扰动和较多个扰动副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞

25、适当匹配主、副回路变量间在工艺上有一定的内在联系、考虑工艺的合理和经济性主、副调节器控制规律的选择主、副调节器正、反作用的确定,加热炉出口温度与炉膛温度的串联控制系统,管式加热炉出口温度控制系统,系统能把所有的扰动都包括在控制回路之中，并用一个温度调节器来教正扰动的影响,加热炉出楼温度串联控制系统,解决滞后时间大与控制质量要求高之间的矛盾，保持加热炉出口温度为某一定值,串联控制系统的构成及其方块图,串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、一个调节阀组成的。两个调节器是串联工作的，其中主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出才送往调节阀，其组成方块图如图：,系统方框图,串联控制系统

26、的工作过程,串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引起主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。以加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统为例：,加热出口温度串联控制系统方框图,串联控制系统的工作过程,一旦系统受到扰动破坏了平衡，引起主、副变量偏离设定值时，系统的主、副调节器便进行工作，根据扰动进入系统的位置的不同，可分为以下三种情况：扰动作用于副回路 扰动作用于主过程 扰动同时作用于副回路和主过程,串级控制系统特点及适用场合,在串级控制系统中，由于副回路的存在，对于进入其中的扰动具有较强的克服能力；由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，

27、加快了系统的工作频率，提高了控制质量。此外，副回路的快速随动特性，使串级控制系统具有一定的自适应能力。因此当过程的时间常数大，滞后大，负荷变化大，扰动作用大而频繁，对于控制品质要求又高，单回路控制不能满足要求时，则宜采用串级控制系统。在热力生产过程中，锅炉给水控制系统、过热蒸汽温度控制系统、燃烧过程自动控制系统都大量采用串级控制系统,副回路必须包括主要扰动和较多个扰动,加热炉出口温度与燃料流量串联控制系统,加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统中，若主要扰动是炉膛压力和燃料热值的变化，它们都要先反映,在炉膛温度的变化上，故选炉膛温度为副变量，使主要扰动进入副回路,聚合釜串级控制系统,副过程的动

28、态特性将大大改善，可以充分发挥副回路的长处，构成加热炉出口温度与燃料流量串级的控制系统。如图。这种串级控制方案的应用是很多的,副回路必须使主、副过程的时间常数和时滞适当匹配,在串级控制系统中，由于主、副调节器是串联工作的，主、副回路间的动态联系十分密切，具有相互关联作用。当主、副过程的时间常数相近时，主、副回路的工作频率也就很接近，这样，在扰动作用下，不论哪个变量发生振荡，必然引起另一个变量也振荡，它们相互影响，使主、副变量大幅度地变化，系统不能正常工作，产生“共振”。共振现象对系统的运行很不利，其防止的措施是：在设计时应将主、副过程的时间的常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作

29、频率拉开。,主、副变量间在工艺上应有一定的内在联系,在串级控制中引入副变量，是为了提高和保证主变量的控制质量。当主变量选定以后，选择的副变量与主变量之间必须要有一定的对应关系。从串级控制系统的方块图上看，操纵变量的变化，首先是影响副变量，再由副变量去影响主变量，主、副变量间在工艺上有串联对应的关系。也就是说，控制好所选的副变量就能使主变量尽快回到或稳定在设定值上。,主、副调节器控制规律的选择,不同情况下选用的控制规律,主副调节器正、反作用的确定,在串级控制系统中，主、副调节器是串联工作的，在系统投运和整定之前，必须确定主副调节器的正、反作用。串级控制系统中，副调节器的正、反作用是根据调节阀气开

30、、气关决定的；主调节器的正、反作用是根据副变量对主量的影响确定的，一般与调节阀气开、气关形式无关，只有在要求系统进行主控时，才考虑调节阀气开、气关形式。,前馈-反馈控制系统分析,前馈控制系统反馈控制能将引起被控变化的所有扰动都包括在系统之中，调节器是按偏差进行工作的。因此只有在扰动使被控变量偏离设定值以后，调节器才进行控制，以克服扰动对被控变量的影响。前馈控制是改善和克服反馈控制不及时性的另一种控制方法。它是利用补偿原理，采用开环结构，按扰动作用的大小进行控制的前馈-反馈控制系统,工艺要求保持加热器出口温度为某一定值。影响加热器出口温度的因素很多，有进料流量和温度的变化（用扰动1表示）、加热蒸

31、汽压力的变化（用扰动2表示）等等。加热器出口温度的反馈控制系统如图所示,如果进料流量的变化很大而且频繁，是影响加热器出口温度的主要扰动，加热器的滞后现象又较显著单回路反馈控制达不到工艺的要求，这时可以采用前馈控制，如图,反馈控制与前馈控制的不同,系统的检测信号不同。前者是被控变量，后者是扰动量 系统控制的依据不同。前者是偏差的大小，后者是扰动量的大小 控制模式不同。前者采用常规的调节器，能校正包括在系统中的全部扰动（1、2等），而后者只能对引入补偿装置的扰动量进行校正,图是换热器的前馈反馈控制系统，它是单回路反馈控制与前馈控制的组合。系统中前馈控制补偿进料量的变化，反馈控制则克服其它扰动因素。

32、系统的校正作用是前馈补偿装置FFC和温度调节器TC输出信号的叠加，通过加法器相加以后送往调节阀，能较快地把物料出口温度稳定在设定值上,图是加热炉的前馈反馈控制系统。若负荷变化是主要扰动原料的流量检测信号直接送往前馈补偿装置FFC，补偿后的输出与炉出口温度调节器TC的输出相叠加以后，去控制燃料流量，这样的控制系统能使炉出口温度的稳定程度大大提高,锅炉蒸汽压力选择性控制系统,图为辅助锅炉蒸汽压力与燃料压力组成的选择性控制系统。蒸汽符合随用户的需要多少经常性的波动，蒸汽压力与进入炉膛的燃料有关。,第六节 热力过程自动控制系统,在热力生产过程中，汽包锅炉水位是正常运行的主要指标之一，是非常重要的被调量

33、，在锅炉运行中占据首要地位。所以，工业锅炉的自动化大多数都是从汽包水位自动调节开始的。,上一页,返回首页,工业锅炉自动控制系统,被调量：汽包水位蒸汽压力过热蒸汽温度炉膛负荷过剩空气系数干扰因素：蒸汽负荷锅炉给水量燃料量减温水送风和引风,汽包水位调节系统过热蒸汽温度调节系统燃烧调节系统,上一页,返回首页,汽包锅炉给水自控系统分析,本 节 内 容给水自动调节的任务和调节对象特性给水流量的调节方式 给水调节系统的方案,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,给水自动调节系统的任务主要包括两个方面：一是使给水量适应锅炉的蒸发量，维 持汽包水位在规定的范围之内波动；二是保持给水量的稳定。,上一页,返回

34、目录,一、给水自动调节的任务,使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围之内波动。汽包水位的高低反映了给水量和蒸发量之间的物料平衡关系。汽包锅炉正常水位一般规定在汽包中心线以下100200mm处，允许波动范围为50mm。汽包水位的高低直接影响锅炉的安全运行和蒸汽的品质。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，严重时导致蒸汽带水量增加，使过热器管壁和汽轮机喷嘴、叶片结垢，甚至造成汽轮机发生水冲击而损坏叶轮；,水位过低，则破坏了正常水循环，以致烧坏某些受热面，影响锅炉寿命，严重时会造成爆炸事故，危及人身和设备的安全。,上一页,返回目录,一、给水自

35、动调节的任务,所以，及时调整给水流量，维持给水流量与蒸汽流量间的平衡关系，以适应负荷变化的要求，实现汽包锅炉水位自动调节十分必要。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,保持给水量的稳定内锅炉在正常运行时，如果给水流量剧烈波动，会影响省煤器和给水管道的安全运行，所以负荷不变时，给水流量不应出现剧烈波动。,引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。,锅炉汽包水位的自动调节是根据汽包水位的动态特性来设计的。以汽包水位H作为被调量，以给水调节阀作为调节机构来改变调节量，即给水量，达到保持水位在允许的范围之内

36、。,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,引起水位变化的扰动因素很多，但主要扰动是给水流量和蒸汽流量的阶跃变化。调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的信号来进行调节的。,根据锅炉的容量、负荷变化的快慢以及调节精度的要求，汽包水位调节系统可分为：,上一页,返回目录,一、给水自动调节的任务,（1）以汽包水位为唯一调节信号的给水自动调节系统，称为单冲量给水自动调节系统；调节；（2）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量为补充信号的给水自动调节系统，称为双冲量给水自动调节系统；（3）以汽包水位为主调节信号，蒸汽流量和给水流量为补充信号的给水自动调节系统，称为三冲量给水自动调节系统。,上一页,返回目

37、录,一、给水自动调节的任务,汽包锅炉给水自动调节系统，根据使用厂家的要求和条件，可以选用电动仪表、气动仪表，也可以选用组装仪表或锅炉自控仪。随着科学技术的发展，计算机控制技术在汽包锅炉自动控制中的应用越来越多。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,目前，给水流量的调节方式主要有两种：一种是依靠改变调节阀门开度来改变给水量的节流调节方式，另一种是依靠改变给水泵的转速来改变给水量的变速调节方式。以往，由于受到变速水泵制造技术的限制，锅炉大都采用定速水泵供水。锅炉给水量改变是依靠改变调节阀门的开度来实现的，称为给水流量的节流调节方式，其系统示意图和节流调节原理图如图7-1所示：,上一页,返回目

38、录,二、给水流量的调节方式,(a)节流调节系统示意图(b)节流调节原理 图7-1 给水流量的节流调节,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,下面我们分别来讨论在这三种扰动作用下给水调节对象的动态特性。1、给水流量扰动下的水位动态特性,给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线如图7-2所示.。当给水流量阶跃增加W后，水位的变化如图中曲线2所示。给水流量增加，一方面使进入锅炉汽包的给水量增加；另一方面使温度较低的给水进入省煤器、汽包及水循环系统，吸收了原有饱和水中的一部分热量，致使水面下汽泡体积减小。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,图7-2 给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线,上一页,返回目

39、录,二、给水流量的调节方式,(1)图中曲线1为不考虑 水面下汽泡容积变化，仅考虑物料不平衡时的水位反应曲线。由于给水压力很高，汽包水位变化对给水流量的自平衡作用可以忽略不计，所以反应曲线1可以认为是无自平衡能力积分环节的特性。,(2)曲线3是不考虑物料不平衡关系，只考虑给水流量变化时水面下汽泡体积变化所引起的水位变化。给水流量增加时，汽泡体积收缩，水位逐渐下降，直到汽泡体积不再变化，所以曲线3可以看作为是惯性环节的特性。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,在给水流量扰动下，实际的水位变化曲线2可以认为是曲线1和3的合成。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,总之，当给水流量扰动时

40、，水位调节对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力特征。,也就是说，当给水流量改变后水位并不立即变化。动态特性参数和的数值将用来说明水位响应迟延时间的长短和响应速度的快慢。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,2、蒸汽流量扰动下水位对象的动态特性,在蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图7-4所示。当蒸汽流量突然阶跃增加时，此时锅炉蒸发量大于给水量，只从物料守恒考虑，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降，如图中H1曲线所示。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,图7-4 蒸汽流量D扰动下水位变化的阶跃响应曲线,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,但从

41、能量守恒看，先假定当锅炉蒸发量突然增加时，燃料量能及时跟上，由于燃烧强度增加，锅炉的蒸发强度增强，汽水混合物中的汽泡数量增加，水容积也迅速增大，使得汽水混合物体积膨胀，水位升高。,如果负荷变化时，燃料量来不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包内的汽压下降，相应地降低了汽水混合物的饱和温度，汽化加快，同样使汽水混合物体积膨胀，水位升高。所以不管燃烧强度是否增加，都会使水面下汽泡容积增大导致水位上升.,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,因蒸发强度的增加是有一定限度的，当蒸发量满足负荷要求后，汽包压力不再变化，容积增大速度减慢而达到稳定，故汽泡容积的增大而引起的水位变化可用惯性环节特性来描述，如

42、图中曲线H2所示。实际上水位变化曲线H如图7-4所示，它是曲线H1和H2的合成。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,由图中可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发流量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升，过一段时间后再下降。反之，锅炉负荷下降时，水位反而先下降。这种现象称为“虚假水位”现象。这是因为在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积变化很快，它对水位变化起着主要影响作用的缘故。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,因此，水位随汽泡体积的增大而上升，只有当汽泡容积与负荷适应而不再变化时，水位的变化就仅由物料

43、的平衡关系来决定，这时水位就随负荷的增大而下降，呈现无自平衡特性。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,实际上，改变汽轮机的用汽量引起的蒸汽流量的阶跃扰动，必定引起汽压的变化，汽压变化也会影响到水面下汽泡的体积变化，所以实际的虚假水位现象会更严重些。,虚假水位的变化幅值与锅炉负荷的大小有关，根据100230 t/h中高压锅炉的资料，当负荷阶跃扰动10%时，虚假水位的变化幅值可达30-40mm。可见，虚假水位的幅值是相当大的。,上一页,返回目录,二、给水流量的调节方式,3、炉膛热负荷扰动下水位调节对象的动态特性,当燃料量扰动时，例如燃料量增加使炉膛热负荷增强，这时锅炉蒸发强度增大而使汽压升

44、高，即使用汽调节阀门不动，蒸汽流量也会有所增加。这样，蒸汽流量大于给水流量，水位应该下降。但蒸发强度增大，同样使水面以下汽泡体积增大，因此在炉膛热负荷扰动下水位调节对象也会出现“虚假水位”现象。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,现代电站锅炉水位调节对象动态特性的特点，决定了采用单回路反馈系统不能满足生产对调节品质的要求，所以电站汽包锅炉的给水调节普遍采用三冲给水自动调节方案，如图7-6所示。,1、单级三冲量给水调节系统（1）系统的组成 图7-6为常用的单级三冲量给水调节系统示意。给水调节器接受汽包水位H，蒸汽流量D和给水流量W三个信号。其输出信号去调节给水流量，其中汽包水位是被调

45、量，所以水位信号称为主信号。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,图7-6 单级三冲量给水系统,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,（2）调节对象的静态特性 给水调节系统的静态特性是被调量H与锅炉负荷D的静态关系。对于单信号水位调节系统，只要采用比例积分调节器，不管负荷如何变化，静态时的水位H将始终等于其给定值，即被调入量没有静态偏差，但当调节器接受多个输入信号时，H和D之间关系就不这样简单了。为了讨论多信号时调节系统的静态特性首先应确定送入调节器的各信号极性。图7-7为单极三冲量给水调节系统，图中示出了极性及其输入信号。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,图7

46、-7 单级三冲量给水系统 图7-8 单级三冲量给水调 节系统的静态特性,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,当蒸汽负荷增加时，为了保持汽包水位的恒定，调节器的正确动作应增大给水流量，即调节器输出控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以蒸汽流量信号定为“+”号（极性）；,给水流量信号是反馈信号，它是为稳定给水流量而引入调节系统的，所以定为“-”号（极性）。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,当汽包水位H增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小；水位降低时应增加给水流量，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反。因此水位信号应规定为负号。但由于汽包锅

47、炉的水位测量装置平衡容器本身具有反号的特性，所以进入调节器的信号应定为正号。,上一页,返回目录,三、给水自动调节系统的方案,（3）单级三冲量给水调节系统的分析 单级三冲量给水系统的方框图为7-9。图7-9 单级三冲量给水系统自动调节的方框图,上一页,返回目录,串级三冲量加前馈控制方案快速消除虚假水位消除给水侧扰动补偿汽包水位,三、给水自动调节系统的方案,D蒸汽流量；W1给水流量扰动；W2调节阀对给水流量的调节作用；W给水流量（W=W1+W2）；GHW（S）给水流量扰动下水位对象的传递函数；GHD（S）蒸汽流量扰动下水位对象的传递函数；H，W，D 分别为水位，给水流量，蒸汽流量变送设备的斜率；D

48、、W 蒸汽流量和给水流量信号的分流系数；KZ执行器的传递函数；KU调节阀的传递函数。,上一页,返回目录,过热汽温控制系统分析,本 节 内 容动态特性分析过热汽温自控系统再热汽温控制系统,上一页,返回目录,过热汽温控制系统分析,锅炉蒸汽温度自动调节包括过热蒸汽温度和在热蒸汽温度调节。调节的任务是维持锅炉过热器及再热器的出口汽温在允许的范围之内。,上一页,返回目录,过热汽温控制系统分析,一、调节任务和调节对象的特性 1、过热汽温调节的任务 过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热汽温的高低都会显著影响电厂的安全性和经济性。过热汽温过高，可能造成过热器，蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏；过低

49、，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载。所以，在锅炉运行中，必须保持过热汽温稳定在规定值附近。一般要求过热汽温与规定值的暂时偏差不超过正负10摄氏度，长期偏差不超过正负5摄氏度。,上一页,返回目录,一、调节任务和调节对象的特性,2、过热汽温调节对象的静态特性 过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热器和辐射式过热器的过热汽温静态特性完全相反，如图7-10所示。现代大型机组的过热器系统都采用了对流式过热器，辐射式过热器和批屏式过热器交替串联布置的结构，这有利于减小过热器出口汽温的偏差，改善了过热器汽温调节对象的动态特性。,上一页,返回目录,一、

50、调节任务和调节对象的特性,图7-10过热汽温的静态特性图 7-11过热汽温调节对象的动态特性,上一页,返回目录,一、调节任务和调节对象的特性,3、过热汽调节对象的动态特性 过热汽温调节对象的动态特性是引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热汽温变化的原因很多。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化（服从变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口汽温变化）。通过对过热器汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同作用下对象的动态特性，如图7-11所示。它们均为有迟延的惯性环节，但各自的动态特性参数有较大的差别。,上一页,返回目录,二、过热蒸汽温度自调节