典型工业对象控制.ppt

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1、1,典型工业对象控制,泵、炉、塔、釜、罐,2,热传导形式,热量总是由高温物体传向低温物体，两物体之间的温度差是传热的推动力。温度差越大，传热速率（单位时间内传递的热量）也越大。有三种传递热量的方式：传导传热，热量在固体中传导过程。对流传热，流体运动传热过程热辐射，通过电磁波转换的传热过程。,3,名词解释,热导率k ()定义方程 。热流密度与温度梯度成正比，比例系数称k为热导率，它是衡量物质导热特性的一个物理量。 传热系数(膜)： 定义方程 。热对流时，热流密度q与温度差（TS-Tg）成正比，比例系数称为传热系数。(式中，TS为固体界面温度；Tg为气体或液体在界面处的温度）。热辐射系数：定义方程

2、 。物体以辐射形式发射、传播或接收的热流密度q与热力学温度T的四次方成正比，比例系数称为热辐射系数。,4,换热设备的结构类型,换热过程是工业生产过程中的一类重要的过程。工业上实现冷、热两流体换热的设备称为换热设备。热交换有直接和间接两种形式，所谓直接换热是指冷、热两种流体直接混合，实现加热或冷却的过程。间接换热是指冷、热两种流体有间壁隔开，热量首先从温度较高的流体传给间壁，由间壁再将热量传给温度较低的冷流体的过程。工业过程中最多的是间接换热。间壁传热设备结构有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等各种形式。此外，加热炉也是一种换热设备。,5,换热设备的结构类型,6,热量传递的三种方式热传导,稳定导热

3、（导热量不随时间而变化）的基本定律，其数学表达式为上式称为传导传热的傅里叶定律。式中，q为传热速率（单位时间内所传导的热量），W；为导热系数，W/（m）；A为垂直于热流方向的截面积，m2； 为温度梯度，/m。单位时间内传导的热量与温度梯度和垂直于热流方向的截面积成正比。式中负号表示热流方向总是与温度梯度的方向（即温度上升的方向）相反。,7,单层平壁的稳态导热,式中，b为单层平壁的厚度（m）；t为平壁两侧壁面上的温度差（），它是导热过程的推动力。由此式可知，在单位时间内通过单层平壁传导的热量与导热系数、传导面积和平壁两侧的温差成正比，而与平壁的厚度成反比。上式可简化为 称为热阻。传热过程中的欧姆

4、定理 。,8,热量传递的三种方式对流传热,对流传热在工业生产中多见于流体与固体壁之间的传热，其传热速率与流体性质及流动边界的状况密切相关。牛顿首先提出了壁面与流体间对流传热速率的表达式：式中，q为对流传热速率（W）；为传热膜系数W/(m2)；F为传热面积（m2）；t为壁面温度与壁面法线方向上流体平均温度之差（）。影响对流传热膜系数的因素很多，它与流体的种类、性质、运动状况以及流体对流的状况（自然对流或强制对流）等因素有关。,9,对流传热,冷流体与壁面之间的对流传热速率和热流体与壁面之间的对流传热速率分别为： 式中:t为冷流体的温度（），T为热流体的温度（）， 其余与前面定义相同。蒸汽冷凝的传热

5、膜系数较大，液体的传热膜系数较小，而气体的传热膜系数最小。在蒸汽加热器中，必须注意冷凝水与蒸汽中不凝性气体的排除问题。过热蒸汽与饱和蒸汽。集中参数与分布参数。,10,热量传递的三种方式热辐射,热能以电磁波（辐射能）的形式向空间发射，到达另一物体时，被部分吸收又转变为热能，这类现象称为热辐射。热辐射在热量的传递过程中伴有能量形式的转化，即热能转化为辐射能，辐射能又转化成热能。传导和对流传热都是靠物质直接接触传递热量，而辐射传热则完全不同，它不需要通过任何介质进行传递，所以辐射传热可以穿越真空。实际上，任何物体都可能辐射能量，温度越高，热辐射越显著。低温物体的热辐射可以忽略。,11,“黑体”和“灰

6、体”,能全部吸收辐射能的物体（称为“绝对黑体”或简称“黑体”），其外表面所发射的能量可表示为所谓“灰体”是指能以相同的吸收率吸收全部波长的幅射能的物体，即对辐射能的吸收无选择性，但只能部分吸收周围的辐射能。灰体在单位时间内的发射能量经实验证明可表示为为灰体的黑度（或发射率），在数值上等同于灰体的吸收率。,12,工业系统传热过程,工业系统进行的传热过程中，很少是以一种传热方式单独进行，都以两种或三种方式同时进行。例如：工业过程中最常用的间壁式热交换器，通常温度不高，可忽略热辐射的影响，传热过程就是对流传热和热传导组合。管式加热炉的燃烧室(炉膛)中，温度很高，以热辐射传热为主。通常炉膛中有效传热量

7、大约占全炉总热负荷的7080，管式加热炉的对流室中，传热方式以对流传热为主。因此，管式加热炉中的传热过程是传导、对流及热辐射三种方式的组合。,13,对象的动态数学模型,间壁式换热器的结构形式有多种，动态数学模型不仅与它们的结构形式有关，还与换热器间壁两侧流体的状态有关。当流体在传热过程中有相变时，有相变的流体温度可近似为集中参数。对无相变的流体，要视流体的混合情况，确定是否可近似为集中参数。若流体是充分混合的，可近似为集中参数；否则，必须按分布参数处理。当间壁两侧都不发生相变时，两侧都应视混合情况确定是集中参数还是分布参数。,14,传热设备的动态特点,传热设备的分布参数特性 1）传热壁面两侧流

8、体都无相变的热交换，且两侧流体都没有轴向混合时，两侧的温度都是距离和时间的函数，此时，两侧都是分布参数对象。一般列管式换热器、套管式换热器都属于此类。2）传热壁面两侧流体都发生相变，例如精馏塔的再沸器，此时，两侧的温度皆可近似为集中参数对象。相变（汽化或冷凝）的特点是流体温度取决于所处压力，而不是取决于传热量。,15,传热设备的动态特点,3）当传热壁面两侧流体中，有一侧发生相变时，例如列管式蒸汽加热器、氨冷器等，发生相变的一侧为集中参数，另一侧需视具体情况而定。 当传热对象具有分布参数特性时，须用偏微分方程式来表示，然后求解获得其特性。这样做比较精确，但是比较复杂、麻烦。 在工业控制中，也常用

9、集中参数特性来近似，例如把进出口温度的平均值作为流体温度看待，尽管精度差，但简单实用。,16,传热设备的动态特点,2. 纯滞后及时间常数较大 化工生产过程中，常采用间壁式换热器。热流体的热量通过对流传热传给间壁，经间壁热传导后，再由间壁将热量以对流方式传给冷流体。因此，间壁式传热设备属典型的多容对象，并带有较大的滞后。通常传热设备可以近似为多容对象。 传热设备的被控变量通常是温度。工业上常用的测温元件为热电偶、热电阻等。为了保护测温元件，一般还有保护套管，进一步增加了广义对象的滞后时间。,17,集中参数对象,夹套式换热器，假定采用（饱和）蒸汽对冷液进行加热，使冷液出口温度达到某一定值。假设换热

10、器的热损失、传热系数和比热容的变化都可以忽略不计，蒸汽的（显热）变化可忽略。由于有搅拌器，将冷液也看做为集中参数对象。并假定进出口流量相等，即换热器内冷液的容量不变。,18,集中参数对象,假设冷液的出口温度与换热器内的温度相同。忽略间壁热容，根据热量动态平衡关系，可得到如下热平衡方程式中，G1、G2分别为冷液与蒸汽的质量流量（kg/h），2为蒸汽的汽化潜热（kcal/kg），C1为冷液的比热容kcal/（kg）；M1为换热器内的冷液量（kg）；T1i、T1o分别为冷液的入口与出口温度（）。,19,选定T1o为输出变量，G1、G2、T1i为输入变量，并对上式进行线性化，消除高阶量，得到由于稳态工

11、作点 满足条件上式可简化为 式中 分别为变量 相对于稳态工作点的偏差量 。等式两端同除G1C1,20,并令,得,用传递函数表示：,式中,冷液在换热器内的平均停留时间（h）,因此，夹套式换热器的动态特性可用典型的一阶环节来表示；响应速度主要取决于冷液在换热器内的平均停留时间(h),21,分布参数对象,如果间壁两侧都不发生相变时，要用分布参数对象模型。尤其是流速较慢的液相传热过程，一般都是分布参数对象。分布参数对象中的变量是时间和空间的函数，它们的动态行为要用偏微分方程来描述。以图所示的套管式换热器为例,22,分布参数对象,对套管式换热器作如下假设: 1）间壁的热容可忽略； 2）流体1和流体2均为

12、液相；并且是层流流动； 3）传热系数K和比热容C1、C2为常数； 4）同一横截面上的各点温度相同。取长度为dl的圆柱体为微元，这一微元的热量动态平衡方程可叙述为 流体l微元内蓄热量的变化率=(单位时间内流体1带入微元的热量)-(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)+(单位时间内流体2传给流体1微元的热量),23,分布参数对象,简化可得：同理，可得到流体2的热量动态平衡方程式 时间和空间的边界条件表达式分别为,24,热量平衡关系式,假定外壁是绝热的。两个流体全为液相时为显热交换。 (1)若热流体为汽相，冷流体为液相时，并假定热流体出口正好为饱和液，且热流体的显热可忽略时若冷流体也发生相变时，并

13、假定可忽略显热时 式中，为流体的汽化热（kcal/kg）， C流体的比热容kcal/(kg) ，q为传热速率（kcal）。,25,传热速率方程式,由传热定理知，热流体向冷流体的传热速率应为 (2)K为传热系数kcal/(m2h)；A为传热面积（m2）；T为平均温差（） 对于逆流、单程的情况，平均温差可表示为 当 在1/3 3之间时，上述对数平均温差可用算术平均温差来近似，其误差5 (3),26,传热速率方程式,若换热器两侧均无相变，用算术平均温差来计算Tm ，将式(1)、式(3)代入式(2)，可得 (4) 式(4)是逆流、单程列管换热器两侧无相变时的静态数学模型。,27,令,得,y与x1、x2

14、的函数关系如图所示，如果选择T1o为被控变量，G2为控制变量，则控制通道的稳态增益存在着严重的非线性。随着载热体流量的增大而迅速下降，控制阀应选用等百分比阀（对数阀）。,28,对象的静态增益,对上图所示的套管式换热器，如果选定T1o为被控变量，G2为操纵变量，假定T1i为主要扰动，则按方程式（4）对G2和T1i分别求导，得到控制通道与扰动通道的静态增益,29,换热器的控制,在炼油、化工生产中，换热设备应用广泛。换热的目的主要有下列4种 1）使工艺介质达到规定的温度，以使化学反应或其它工艺过程能很好地进行； 2）在生产过程中加入被吸收的热量，或除去放出的热量，使工艺过程能在规定的温度范围内进行；

15、 3）某些工艺过程需要改变物料的相态； 4）回收热量，节约能源。,30,简单的换热器控制方案,左图为三种简单的换热器控制方案。(a)为了使被加热的工艺介质达到规定的温度，以加热器出口温度为被控变量，加热蒸汽量为控制变量，使工艺介质出口温度恒定。特点直接根据物料温度控制，稳定性好，但滞后大。,31,换热器的控制,(b)、(c)当被加热的工艺介质流量比较平稳，且对出口温度要求不高时，可取加热蒸汽流量（或压力）作为被控变量，组成流量（或压力）单回路定值控制系统。它稳定的是蒸汽量，也就是加热量。从加热量控制来讲速度快。但对出口温度为开环控制，出口温度稳定性差。但若换热过程的主要扰动是蒸汽变化时，可采用

16、。若系统中没有相变，主要是改变传热系数K ；有相变时，主要是通过热量T的变化 。,32,换热器控制方案,采用氨控制。通过调节氨气量，以改变液氨压力与对应的平衡温度，进而改变间壁两侧流体的平均温差达到控制工艺介质出口温度的目的。这种控制方案滞后小，反应迅速，应用亦较广泛。本方案增加了一个液氨液位控制回路。,33,换热器控制方案,改变传热面积。 通过调节冷凝液位，改变传热面积。这种方案滞后较大。在某些特殊场合应用。当温度控制要求较低，传热面积裕量又较大时，为了保证温度控制平稳及冷凝液排除畅通时可采用此方案，以冷凝液流量作为操纵变量，调节传热面积，保持出口温度恒定。,34,换热器控制方案,工艺介质分

17、路控制。控制工艺介质，而不是载热体。该方案实际上是一个混合过程。优点是反应迅速及时，但载热体流量一直处于高负荷，对节能不利。载热体是生产过程中的废热时节约能源。,35,换热器串级控制系统,换热器是具有较大时延的对象，采用出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成的串级控制系统，可有效克服由加热蒸汽不稳定带来的影响。(a)出口温度-蒸汽流量串级控制系统(b)出口温度-蒸汽压力串级控制系统,36,前馈-串级控制,若系统的主要扰动是生产负荷变化时，可引入前馈信号组成前馈-反馈控制系统。如图所示，为前馈-串级控制系统。图中副回路为蒸汽压力，也可采用蒸汽流量组成副回路。,37,加热炉控制,工业上有各种各样的加热炉

18、，如蒸汽锅炉、热处理炉、冶金炉、窑炉、焚烧炉、管式加热炉等。图为管式加热炉的结构示意。管式加热炉由辐射室、对流室、余热回收系统、燃烧及通风系统5部分组成。管式加热炉用于提高原料温度。,38,加热炉控制,加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的温度，被控变量。而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格。影响炉出口工艺介质温度的扰动因素有：工艺介质进料的流量、温度、组分；燃料方面有燃料油（或气）的压力、成分（或热值）、燃料油的雾化情况；空气流量，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。这些因素中有的是可控的，有的是不可控的。,39,加热炉温度单回路控制系统,40,加热炉单回路控制

19、系统,下图为一燃油加热炉单回路控制系统示意图。炉出口温度为被控变量，燃料油流量为操纵变量。为了保证系统稳定，其它辅助控制系统有：1）进入加热炉工艺介质的流量控制系统，图中FC回路。2）燃料油总压力控制系统，图中PC回路；3）雾化蒸汽压力控制系统，以保证燃料油的良好雾化。图中下部的PC回路。,41,加热炉单回路控制系统,42,雾化蒸汽压力控制系统改进,在燃油压力变化不大的情况下，采用雾化蒸汽压力控制系统，可以满足雾化要求的。若燃料油压变化较大时，单采用雾化蒸汽压力控制不能保证燃料油得到良好的雾化。此时，应采用如下控制方案。1）根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力差，调节雾化蒸汽，即采用压差控制。2）

20、采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力的比值控制。,43,加热炉单回路控制系统,因此单回路控制系统仅适用于下列情况：1）对炉出口温度要求不十分严格； 2）外来扰动缓慢而较小，且不频繁； 3）炉膛容量较小，即滞后不大。,44,加热炉的串级控制方案,加热炉单回路控制系统简单，但控制精度不高。为了改善控制品质可串级控制方案，根据不同型式加热炉，可以选择不同的副变量，主要有以下几种： 炉出口温度对炉膛温度的串级控制； 炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制； 炉出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制 采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制。,45,串级控制方案一炉出口温度-炉膛温度,炉出口温度-炉膛温度

21、串级控制显著改善了控制质量，应用广泛。注意事项：1.选择有代表性的炉膛温度检测点 ，2.炉膛温度不应有较大波动,3测温元件保护。,46,串级控制方案二炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制,若燃料流量的波动是影响炉子出口温度的主要扰动因素时，采用此串级控制。减小甚至消除燃料油(或气)流量的扰动，改善控制质量。,47,在某些特殊情况下，可组成炉出口温度、炉膛温度和燃料油流量的三参数串级控制系统，如图所示。但该方案使用仪表多，且整定困难。,48,串级控制方案三炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制,采用燃料流量控制的缺点是小流量测量困难，特别在用粘度较大的重质燃料油时，更难测量。因此改用测量燃料油压

22、力。采用炉出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制，如图所示。该方案应用较广。 需要注意：燃料喷嘴部分堵塞，会使阀后压力升高。,49,加热炉的前馈-反馈控制系统,进料流量、温度变化可测不可控 。前馈控制部分克服进料流量(或温度)的扰动作用、而反馈控制克服其余扰动作用。,50,加热炉的安全联锁保护系统,为了加热炉的安全生产、防止事故的发生，必须设置安全联锁保护系统。采用哪些安全联锁保护系统，应视具体情况而定。被加热工艺介质流量过少或中断； 火焰熄灭，当燃料气压过低（出现回火）；过高（出现脱火 ），在燃烧室里形成大量燃料气-空气混合物，造成爆炸事故。,51,加热炉的安全联锁保护系统,炉出口温度与

23、燃料控制阀阀后压力的选择性控制系统燃料气流量过低联锁报警系统GL1进料量过低联锁报警系统 GL2火焰检测器开关BS。GL1、 GL2或BS报警时，打开三通阀，使气开阀失气，关闭。,上述三个联锁系统动作以后，不能自动复位,52,锅炉设备的自动控制,锅炉也是一种换热设备，是化工、炼油、火力发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。根据工作压力的不同可分为低压锅炉(2.5MPa) 、中压锅炉(3.9 MPa)和高压锅炉(以上10.9 MPa )；亚临界压力16.818.6 MPa，超临界压力及超超临界压力2540 MPa。蒸汽温度540，给水温度200280(水的临界压力：22.115MPa，34

24、7.15 )。在这个压力和温度下，水和蒸汽的密度相等，这时汽化潜热=0。根据燃料的不同可分为燃煤锅炉、燃油锅炉和燃气锅炉等。根据用途分发电、供热等。,53,锅炉设备组成,常见的锅炉设备的主要工艺流程如图所示。锅炉由两大部分组成：第一部分为燃烧系统，由送风机、空气预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统，由给水系统、省煤器、汽包和过热器等组成。工作时，燃料和空气按一定比例送入燃烧室燃烧，产生的热量传递给水冷壁和汽包底部，产生饱和蒸汽DS，经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。过热蒸汽（压力PM），经负荷设备控制阀供给负荷设备用。燃烧过程中产生的烟

25、气经烟道将剩余的热量传递给过热器（产生过热蒸汽），此后再经省煤器和空气预热器对锅炉给水和空气预热。烟气最后经除尘处理后，由引风机送往烟囱，排入大气。,54,55,锅炉控制系统组成,锅炉设备是一个复杂的被控对象。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气(烟气含氧量)等。主要输入变量有生产负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。这些输入变量与输出变量之间相互关联 。,56,锅炉控制系统组成,锅炉设备是一个多输入、多输出,且参数之间相互关联的设备。如蒸汽负荷发生变化，必将会引起蒸汽压力和过热蒸汽温度、汽包水位等的变化。燃料量的变化会影响蒸汽产生，同时还会影响汽包水位、

26、过热蒸汽温度等。目前工程处理上，将锅炉设备控制划分为三个控制系统：汽包水位控制系统；燃烧控制系统；和过热蒸汽控制系统三部分。,57,锅炉控制系统汽包水位控制,保持汽包水位稳定在一定范围内是锅炉安全、稳定运行的首要条件。汽包水位过高，将使产生的饱和蒸汽带液，使得过热器温度急剧下降和管壁结垢，严重时会损坏过热器。如果过热蒸汽用于推动汽轮机，那么过热蒸汽带液将会损坏汽轮机叶片。汽包水位过低，当负荷很大时，汽化速度很快，如不及时调节，汽包内的液体将全部汽化，导致水冷壁损坏，严重时还会引起爆炸。汽包水位控制系统的被控变量是汽包水位，控制变量是给水流量。扰动主要是蒸汽需要量。汽包水位控制依据汽包内部的物料

27、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。,58,汽包水位的动态特性,与汽包水位相关的锅炉汽水系统如图所示。锅炉汽包水位对象与其它液位对象的最大不同点是汽包的液相中含有汽泡。 影响汽包水位的因素除了汽包容积、给水流量、锅炉负荷(蒸汽流量)外，还有汽包压力、炉膛热负荷等因素。 在诸多影响因素中，给水流量和蒸汽流量变化对汽包水位的影响最大。,59,汽包水位的动态特性,1.给水流量变化对汽包水位的影响(控制通道的特性) ：左图所示为给水流量阶跃变化时，汽包水位的响应曲线，如果把汽包和给水看作单容无自衡对象时，汽包水位的阶跃响应曲线应如图中H1所示。,60,汽包水位的动态特性,

28、实际上，由于给水温度低于汽包中饱和水的温度，所以当给水量增加时，要从原有的饱和水中吸收热量，使得饱和水中的汽泡容积有所下降，水位不升反降。当水中汽泡体积的变化过程逐渐平衡时，水位才随汽包中储水量的上升而上升。最后，当水中汽泡体积不再变化时，水位变化才完全反应储水量的变化，呈直线上升。图中H才是水位实际变化的曲线。用传递函数描述时，H所反映的变化过程近似于一个积分过程和纯滞后过程的串联,61,汽包水位的动态特性,2.蒸汽流量变化对汽包水位的影响（干扰通道的特性）：当蒸汽流量阶跃变化时，汽包水位的变化如图所示。蒸汽流量突然增加，当燃料量不变的时，蒸汽量大于给水量，似乎水位应如图中H1所示直线变化。

29、但实际情况却如图中H所示曲线变化。先上升，再下降。,62,汽包水位的动态特性,由于蒸汽流量的突然增加，瞬间导致汽包内压力下降，使汽包中的水沸腾加剧，水中汽泡迅速增加，从而水位的变化曲线如图中H2所示。因此，当蒸汽量突然增加时，虽然锅炉给水量小于蒸发量，由于水中汽泡的增加，在一开始，水位不降反升，然后再下降（反之，当蒸汽流量下降时，水位先下降，然后再上升）这种现象称为“虚假水位”。注意：当负荷变化时，水中汽泡容积变化引起的水位变化速度是很快的，时间常数只有1020 s。蒸汽流量变化时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为,实际的水位响应曲线H为H1+H2，,63,汽包水位控制系统,由于虚假水位现

30、象的存在，汽包水位干扰通道具有反向特性，设计控制方案时应注意。根据锅炉工作性质不同，控制要求不同，汽包水位控制系统也有不同的控制方案。与一般液位控制相同，汽包水位最直接的控制方案就是以汽包水位为被控变量，给水流量为控制变量，构成单回路反馈控制系统。在锅炉控制中，通常称为水位单冲量控制系统。,64,汽包水位控制系统单冲量控制系统,左图所示根据汽包液位控制进水的方案称汽包水位的单冲量控制系统。本控制系统的特点是简单。对于小型锅炉（液相汽泡体积比重较小）和超高压锅炉（汽液相密度相差较小）虚假水位现象不严重时，可以采用这个控制方案。,65,汽包水位控制系统单冲量控制系统,单冲量水位控制系统的缺点是当蒸

31、汽负荷大幅度变化时，由于虚假水位现象存在，使控制系统误动作。比如当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于存在虚假水位变高现象，控制器不但不开大给水阀，增加给水量，以维持锅炉的物料平衡；反而是关小控制阀的开度、减少给水量，使水位严重下降。单冲量水位控制系统波动厉害，严重时使汽包水位降到危险程度，以致发生事故。因此对于停留时间短（汽包容积小）、负荷变动大的情况，这种控制系统不能保证水位。工业现场应用最为广泛的大中型锅炉，虚假水位现象较严重，因此，不能采用这个方案。,66,汽包水位控制系统双冲量控制系统,虚假水位主要原因是由于负荷变化的扰动引起的，因此，引入蒸汽流量，构成前馈(蒸汽流量)-单回路反馈的复合控

32、制系统。即双冲量汽包水位控制系统。,67,汽包水位控制系统双冲量控制系统,图中，加法器的输出是式中，Pc为液位控制器的输出；PS为蒸汽流量变送器的输出；C0为初始偏置数，C1、C2为加法器系数。同时C2起着前馈控制器的作用，按前馈控制器设计原理：,68,汽包水位控制系统双冲量控制系统,Cl与控制器的放大倍数的乘积相当于简单控制系统中控制器放大倍数KC的作用。 C0是个恒值，设置C0的目的是在正常负荷下，使控制器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。在正常负荷下C0值与C2PS接近抵消。 控制阀选用气开或气关特性，应根据生产安全。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平压缩机或汽轮机，那么为保护这些设备的安

33、全，应选用气开阀；如果蒸汽仅用作生产过程的供热，为保护锅炉安全应采用气关阀。,69,汽包水位控制系统三冲量液位控制系统,双冲量控制系统可以克服由负荷变化引起的虚假水位的影响。但是对给水流量波动干扰无法克服。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。,70,三冲量汽包水位控制方案之一,下图为三冲量汽包水位控制组成框图。系统将给水流量（或给水压力）等扰动作为串级控制系统的副环，弥补了双冲量水位控制系统的缺点。,71,三冲量汽包水位控制方案之二,三冲量液位控制系统虽然引入的测量参数相同，但由于控制方式不同，仍有多

34、种形式。下图为三冲量汽包水位控制方案另一种画法，从方框图可以看出，它将扰动的入口点画在水位检测处。改变了前馈控制器传递函数。,72,简化的三冲量汽包水位控制方案,将蒸汽压力移到汽包液位控制器前。该简化方案中，将蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号一起送加法器LY，加法器的输出作为水位控制器的测量信号。主控制器是比例度为100的控制器 ，给水流量和蒸汽流量检测回路设置比例系数D和W。 本控制方案的水位存在余差。,73,简化的三冲量汽包水位控制方案,将水位控制器移到加法器前，水位控制器输出信号、蒸汽流量信号、给水流量信号通过加法器修正后，控制给水。本控制方案中，主控制器是给水控制器，副控制器相

35、当于比例度为100的比例控制。由于水位控制器测量值是汽包水位信号，因此，只要水位控制器具有积分控制作用时，该控制方案就可实现汽包水位无余差。,74,锅炉控制系统燃烧系统控制,锅炉燃烧控制系统与前面的加热炉控制系统类似，燃烧控制系统的任务是保持炉膛负压在一定范围内和锅炉燃烧的经济性、安全性。对锅炉而言，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要(常以蒸汽压力为被控变量)；燃烧系统控制作用是使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧(常以烟气成分为被控变量)，提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应、以保持炉膛负压在一定的范围内。为了达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃

36、料量、送风量和引风量。以燃油锅炉燃烧控制系统为例，主要有三个子系统，即蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统和炉膛负压控制系统。,75,蒸汽压力控制系统,影响蒸汽压力的主要因素是蒸汽负荷和燃料量的波动，蒸汽负荷取决于蒸汽用量，不能作为控制变量。因此，蒸汽压力控制系统用燃料作为控制变量。当燃料量波动较小时，可以组成蒸汽压力-燃料量的单回路控制系统；当燃料量波动较大时，需要构成以燃料量为副回路、蒸汽压力为主回路的串级控制系统。,76,燃料空气比值控制系统,为保证燃烧效率，应采用空气流量跟随燃料量变化的控制系统，即以燃料流量作为设定值，与空气流量组成比值控制系统。由于燃料量是跟随蒸汽负荷变化而变化的

37、，因此这个控制系统是一随动控制系统。它是蒸汽压力-燃料流量串级控制系统。为改进的燃烧控制方案，还可采用选择性比值控制系统。,77,炉膛负压控制系统,炉膛负压是保证锅炉安全运行的重要条件。 影响炉膛负压的主要因素为引风机和送风机的风量，以及燃烧室的工作状况。通常锅炉负压通过控制引风量来实现。为改善控制质量，可以引入送风量作为前馈补偿，构成如图所示的炉膛负压前馈-反馈控制系统。,78,过热蒸汽控制系统,过热器是整个汽水系统中温度最高的地方，如果过热蒸汽温度过高，会使过热器损坏。若产生的蒸汽是为汽轮机组提供动力，过高的温度也会引起汽轮机内部过度热膨胀，严重影响运行安全；如果过热蒸汽温度过低，则设备的

38、效率下降，还会使汽轮机最后几级的蒸汽湿度加大，引起叶片蚀损。因此、过热蒸汽出口温度必须控制在一定范围内。才能保证生产过程的安全稳定运行。影响过热蒸汽温度的因素很多，如蒸汽流量、减温水流量、经过减温器的烟气温度和流速等均会对过热蒸汽出口温度产生影响。,79,过热蒸汽控制系统,过热器是整个汽水系统中温度最高的地方。蒸汽流量、烟气温度和流量都是不可控量。因此通常选择减温水流量作为过热蒸汽温度控制系统的控制变量。最简单的方法是用减温水流量控制过热蒸汽温度，构成单回路控制系统。但是由于减温器到过热蒸汽出口还要经过二级过热器，时间常数和滞后时间均较大，往往难以满足生产要求。增加一个减温器出口温度控制回路。,上图所示是一个以减温器出口温度控制为副回路的过热蒸汽温度串级控制系统,