【正文】 第 7章 自動化儀表應用實例 第 7章 自動化儀表應用實例 返回總目錄 第 7章 自動化儀表應用實例 ?大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 ?石油蒸餾裝置中的檢測與控制 ?傳熱設(shè)備的控制 ?本 章 小 結(jié) ?思考題與習題 本章內(nèi)容 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 一、大中型工業(yè)鍋爐的工藝過程 常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖 。由圖可知，燃料和熱空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，生產(chǎn)的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。飽和蒸汽經(jīng)過熱器后形成一定氣溫的過熱蒸汽，匯集至蒸汽母管。壓力為的過熱蒸汽，經(jīng)負荷設(shè)備控制供給負荷設(shè)備用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，除將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還分別經(jīng)過省煤器和空氣預熱器對鍋爐給水和燃燒用空氣進行預熱，以充分利用熱能，最后經(jīng)引風機送往煙囪，排入大氣。 從鍋爐的生產(chǎn)過程和設(shè)備情況看，它是一個比較復雜的被控對象，其輸入變量主要有：負荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風和引風等；輸出變量主要有：汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、過?？諝?(煙氣含氧量 )等。如果將鍋爐等效為一個黑匣子，那么就可以用如圖 輸入輸出變量之間的關(guān)系。由圖可以看出，這些輸入輸出變量之間并非簡單的一一對應的關(guān)系，而是相互關(guān)聯(lián)的，具有一定的耦合特性，所以鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的復雜被控對象。 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 假設(shè)其外部設(shè)備的用汽負荷發(fā)生變化，必將會引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化；而燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力，同時還會影響到汽包水位、過熱蒸汽溫度、過剩空氣和爐膛負壓等參數(shù)；給水量的變化將直接影響汽包水位，同時還對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等產(chǎn)生間接影響。所以，要想精確地對鍋爐的所有輸出量進行控制是一個比較困難的事。在目前控制系統(tǒng)中，大多數(shù)情況是對鍋爐進行適當?shù)募僭O(shè)后，將鍋爐設(shè)備控制劃為若干獨立個子系統(tǒng)，通過各個子系統(tǒng)的分別對相應的變量進行控制，一般不需考慮變量之間的相互影響，從而是鍋爐控制變得比較簡單。本節(jié)僅就其中汽包的液位檢測與控制作相應的討論。 圖 鍋爐設(shè)備主要工藝流程圖 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 二、鍋爐汽包水位的檢測與控制 1. 汽包水位的控制要求 汽包是鍋爐的重要組成部分，其水位高低會影響整個系統(tǒng)的安全性。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而氣化速度快，若控制不及時，就會在很短的時間內(nèi)使汽包內(nèi)的水全部氣化，導致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高將會影響汽包的水汽分離效果，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導致?lián)p壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞汽輪機葉片，如果有大量的水進入蒸汽管道，還會導致蒸汽管道爆管的嚴重后果?？梢钥闯?，汽包的水位直接影響鍋爐運行的安全性與經(jīng)濟性，是鍋爐運行的一個非常重要的指標，無論過高或過低都會引起極為嚴重的后果，對它的控制必須是及時而又準確的 。 圖 鍋爐對象簡圖 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 2. 汽包水位的動態(tài)特性 對汽包水位控制的研究已經(jīng)經(jīng)歷的很長時間，逐漸形成了一套行之有效的控制方法。之所以對它進行大量的研究，不僅是由于它的重要性，還在于它的對象特性具有很強的特殊性，主要表現(xiàn)在其水位在外界擾動作用下的變化過程與一般液位對象存在明顯區(qū)別，需要進行特殊的分析。汽包內(nèi)的水位高低與蒸汽負荷量 D、補充給水量 W、補充水溫 T、汽包蒸汽壓力 PD等參數(shù)都有關(guān)系，而其中影響作用比較大的主要是蒸汽負荷和給水量。一般而言，通常用給水量來直接影響水位，所以把給水量對水位的影響稱為控制通道影響，把蒸汽負荷對水位的影響稱為干擾通道影響。 1) 干擾通道的動態(tài)特性 蒸汽負荷 (向外提供的蒸汽流量 )對水位的影響主要指在燃料量不變的前提下，蒸汽流量突然變化導致的水位變化情況。假設(shè)給水量沒有同時變化，如果按照常規(guī)的物料平衡原則來考慮，必然是物料流出量大于流入量，水位應該隨之下降。但是汽包是一個特殊對象，水位的變化情況遠比常規(guī)對象來得復雜。由于蒸汽流量突然增加，就使短時間內(nèi)汽包內(nèi)飽和蒸汽壓力迅速下降，造成汽包內(nèi)水的沸點突然降低，汽化過程加劇，水面以下氣泡不僅數(shù)量迅速增加而且體積增大，將水位整體抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，與一般對象的水位變化恰恰相反，這種現(xiàn)象被稱為假水位現(xiàn)象。 第 7章 自動化儀表應用實例 式中， ξ t —— 曲線 H1的飛升速度； K2—— 曲線 H2的放大倍數(shù)； T2—— 曲線 H2的時間常數(shù)。 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 1 2 22( ) ( )()( ) ( ) ( ) 1tH s H s KHsD s D s D s s T s?? ? ? ? ??(71) 假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，一般蒸發(fā)量為 100～300T/h的中高壓鍋爐在負荷突然變化 10%時，假水位可達 30mm～ 40mm。對于這種假水位現(xiàn)象，在設(shè)計控制方案時必須加以重視。 2) 控制通道的動態(tài)特性 在給水流量作用下，汽包也不能僅僅當作常規(guī)單容對象來考慮，其階躍響應曲線如圖 。對于常規(guī)單容無自衡對象而言，水位響應曲線如圖 ；但由于給水溫度要大大低于比汽包內(nèi)飽和水的溫度，所以給水量增加后，汽包內(nèi)的水溫必然隨之下降，導致水中氣泡含量減少、體積下降，引起水位下降。因此實際的水位響應曲線如圖中曲線所示，即當突然加大給水量后，汽包水位并不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為： 第 7章 自動化儀表應用實例 在蒸汽流量擾動下 ， 水位變化的階躍響應曲線如圖 。 當蒸汽流量突然增加時 ， 由物料平衡原理得出的水位變化如曲線所示 ， 而由于假水位導致的水位變化如曲線所示 ， 整體水位的變化則為二者的疊加 ， 即 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 12H H H?? 其變化情況如曲線所示。從圖 ，在水位變化的初始階段水位不僅不會下降，反而先上升，過一段時間后才開始下降 (反之，當蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升 )。 圖 蒸汽流量擾動下水位的階躍響應曲線 曲線的傳遞函數(shù)為 第 7章 自動化儀表應用實例 一般而言，純滯后時間 τ 與給水溫度相關(guān)，水溫越低，滯后時間越長。一般 τ 約在 15s～ 100s之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會使增加到 100s～ 200s。 3) 其他干擾因素的影響 除了上述兩個比較主要的影響之外，給水溫度變化、鍋爐排污、吹灰等過程也會對汽包水位造成影響。給水溫度會影響水面下的氣泡數(shù)量和體積；鍋爐排污則要排出汽包的部分陳水；吹灰時要使用鍋爐自身的蒸汽，這些都對是水位有影響，但都屬于短時間的擾動，可以很快被抑制下來，無需做特殊處理。 3. 汽包水位的控制方案 1) 單沖量控制系統(tǒng) 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 圖 給水流量作用下水位的階躍響應曲線 0() e() sHsW s s ?? ??(72) 第 7章 自動化儀表應用實例 控制汽包水位時常選給水量作為操作變量 ， 由此可組成如圖 統(tǒng) 。 這里指的單沖量即汽包水位 。 這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng) 。 對于部分小型鍋爐來說 ， 由于蒸發(fā)量少 ， 水在汽包內(nèi)停留時間較長 ， 所以在蒸汽負荷變化時 ， 假水位的現(xiàn)象并不顯著 ， 如果使用單沖量控制系統(tǒng)配用聯(lián)鎖報警裝置 ， 也能夠保證系統(tǒng)的安全性操作 ， 滿足生產(chǎn)的要求 。 而大中型鍋爐的蒸發(fā)量相當大 ， 當蒸汽負荷突然大幅度增加時 ， 假水位現(xiàn)象比較明顯 ， 調(diào)節(jié)器收到錯誤的假水位信號后 ， 不但不開大給水閥增加給水量 ， 以維持鍋爐的物料平衡 ， 滿足蒸汽量增大的要求 ， 反而關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開度 ， 減少給水量 。 這種情況被稱為調(diào)節(jié)器的誤動作 ， 是由假水位引起的 。 等到假水位消失后 ， 由于蒸汽量增加而送水量減少 ， 將使水位顯著下降 ， 嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度以致發(fā)生事故 。因此單沖量系統(tǒng)不能勝任對大中型鍋爐的控制 ， 水位得不到保證 。 2) 比值控制系統(tǒng) 從物料平衡的角度來看 ， 只要保證任一時刻蒸汽流出量與給水流入量之間是等量關(guān)系 ，就能夠保證水位的恒定 ， 如圖 。這樣 ， 給水量隨著蒸汽負荷的變化而變化 ， 而且變化方向和數(shù)量是完全相同的 ， 可以以此來避免在單沖量方案中出現(xiàn)的調(diào)節(jié)器誤動作 。 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 圖 單沖量控制系統(tǒng) 圖 比值控制系統(tǒng) 當對蒸汽流量的測量是直接測量質(zhì)量時，圖中的比值系數(shù)可以定為 1或稍大于 1，此時就可以滿足給水量跟隨蒸汽量變化的要求。 從圖中可以看出，這種方案也可視為一種前饋補償方案，補償器就是比值器。此方案對于蒸汽負荷方面的擾動具有很好的抑制作用，但是由于沒有真正監(jiān)視水位的變化情況，所以由其他擾動引起的水位變化完全不得而知，也就不可能對其他的擾動影響進行調(diào)節(jié)，所以只能是一種探討型方案，不能應用在實際系統(tǒng)中。 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 3) 雙沖量控制系統(tǒng) 綜合單沖量控制系統(tǒng)和比值控制系統(tǒng)的特點，不難設(shè)計出如圖 制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在單沖量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上適當引入了對蒸汽流量的監(jiān)視，起到對水位的補充校正作用，就可以大大減弱假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動作。圖 (a)是雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖，圖 (b)是其框圖。由圖知，這其實是一個前饋與單回路的復合控制系統(tǒng)。其控制思路是：測量出蒸汽負荷的大小，根據(jù)物料平衡原理，只要給水量與蒸發(fā)量完全相等，那么水位將保持不變，從而克服假水位的影響，也就是利用前饋控制抑制負荷擾動；其他干擾因素引起的水位變化則由反饋控制來克服。這樣的設(shè)計思路不僅能削弱調(diào)節(jié)器的誤動作，還能使調(diào)節(jié)閥動作及時、水位波動減弱，起到改善控制品質(zhì)的作用。圖 (a)中的加法器輸出是 圖 雙沖量控制系統(tǒng)原理圖與框圖 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 由框圖可知 ， 起著靜態(tài)前饋控制器的作用 ， 按前饋控制器設(shè)計原理 ， 有 0 1 C 2 S 0P K P K P C? ? ?(73) P D P D20M D v P H M D V P H()( ) ( ) ( ) sG s KKG s G s G s K K K?? ? ? ?(74) 因為 KPD一般為負、 KMD和 KPH均為正，所以 K2的符號取決于調(diào)節(jié)閥的符號。當采用氣開閥時， KV為正， K2則為正；當采用氣關(guān)閥時，則相反。調(diào)節(jié)閥氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機或汽輪機，那么為保護這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽僅用作加熱劑，為保護鍋爐采用氣關(guān)閥為宜。 式 (74)提供了求取 K2的原理算式。事實上，由于鍋爐的情況特殊， K2一般不按照該式求取，而是按以下思路求取。設(shè)閥門安裝特性工作點斜率為 KV，則 VWP?? ?(75) 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 式中， ΔP —— 閥門輸入信號變化量； ΔW —— 閥動作后引起的給水流量變化量。 假定蒸汽流量的測量變送為線性 (如孔板加開方器 )， 則 由物料平衡關(guān)系可以得到靜態(tài)補償關(guān)系 ， 即在蒸汽量負荷變化時 ， 應使 S m a x m inm a x m in ()DP Z ZDD?? ? ??(76) WD?? ? ?(77) 將式 (76)代入式 (77)得 m a x m inSm a x m inDDWP ZZ? ?? ? ? ? ?(78) 而由框圖 (b)知 S 2 VW P K K? ? ?(79) 由上述兩式可得 m a x m in2V m a x m in()K K Z Z? ?? ?(710) 第 7章 自動化儀表應用實例 大中型工業(yè)鍋爐汽包液位的檢測與控制 需要說明的是，蒸汽流量信號的引入只是削弱了由假水位現(xiàn)象引起的調(diào)節(jié)器誤動作，并沒有削弱假水位現(xiàn)象，假水位現(xiàn)象是大中型鍋爐汽包必然存在的物理過程，想要對它進行限制或削弱是很困難的。同時，負荷擾動引起的水位變化速度比給水變化引起的水位變化