【文章內(nèi)容簡介】 過改變爐內(nèi)輻射受熱面的吸熱量份額來調(diào)節(jié) 過熱蒸汽溫度 。蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)主要采用噴水減溫器，煙氣側(cè)調(diào)節(jié)主要采用改變?nèi)紵鹧嬷行奈恢玫姆椒ā? 噴水減溫是將水直接噴入蒸汽中，噴入的水在加熱、蒸發(fā)的過程中將消耗蒸汽的部分熱量，使 過熱蒸汽溫度 降低。 噴水減溫裝置通常都安裝在過熱器的連接管道或者聯(lián)箱處。減溫水一般采用給水。一般設(shè)計(jì)的噴水量約為鍋爐容量的 4％～ 7％。噴水減溫器有三種形式：多孔管式、渦旋式和文丘里管式噴水減溫器。 在采用噴水減溫作為 過熱蒸汽溫度 的調(diào)節(jié)手段時(shí)，不僅減溫水流量發(fā)生變化時(shí) 過熱蒸汽溫度 會(huì)發(fā) 生變化，而且減溫水溫度發(fā)生變化時(shí) 過熱蒸汽溫度 也會(huì)變化。 7 噴水減溫調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)靈敏 ， 慣性小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，加上調(diào)節(jié)范圍大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，在鍋爐上獲得了普遍應(yīng)用。所有本課題采用噴水減溫法來控制過熱蒸汽溫度。 A．過程控制概述 過程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度等這樣一些過程變量的系統(tǒng)，具有連續(xù)生產(chǎn)過程自動(dòng)控制、由過程檢測和控制儀表組成、被控過程多樣，控制方案豐富的特點(diǎn)。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技 術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭力等方面起著越老越大的作用。 自從進(jìn)入 20世紀(jì) 90 年代以來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，并獲得了驚人的成就，已成為國家高科技的重要組成部分。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高市場競爭能力等方面起著越來越巨大的作用。 過程控制的特點(diǎn)是與其它自動(dòng)控制系統(tǒng)相比而 言的，大致可歸納如下； 過程控制一般是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制，其被控量需定量地控制，而且應(yīng)是連續(xù)可調(diào)的。若控制動(dòng)作時(shí)間上是離散的（如采樣控制系統(tǒng)等），但是其被控量需要定量控制，也歸入過程控制。 、控制儀表組成 過程控制是通過各種檢測儀表、控制儀表（包括電動(dòng)儀表和氣動(dòng)儀表，模擬儀表和智能儀表）和電子計(jì)算機(jī) (看作一臺(tái)儀表 )等自動(dòng)化技術(shù)工具，對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。一個(gè)過程控制系統(tǒng)是由被控過程和過程檢測控制儀表兩部分組成的。過程監(jiān)測控制儀表包 括檢測元件、變送器、調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥等。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)工業(yè)過程的特性和工藝要求，通過選用過程檢測控制儀表構(gòu)成系統(tǒng)，再通過 PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的最佳控制。 、非電量的 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)過程很復(fù)雜。由于生產(chǎn)規(guī)模大小不同，工藝要求各異，產(chǎn)品品種多樣，因此過程控制中的被控過程是多種多樣的。諸如石油化工過程中的精餾塔、化學(xué)反應(yīng)器、流體傳輸設(shè)備；熱工過程中的鍋爐、熱交換器；冶金過程中的轉(zhuǎn)爐、平爐；機(jī)械工業(yè)中的熱處理爐等。動(dòng)態(tài)特性多數(shù)具有大慣性、大滯后、非線性特性。有 些機(jī)理復(fù)雜（如發(fā)酵、化生過程等）的過程至今尚未背人們認(rèn)識(shí)，所以很難用目前過程辨識(shí)方法建立其精確的數(shù)學(xué)模型，因此設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種過程的控制系統(tǒng)并非易事。 ，而且多半為參量控制 由于被控過程具有大慣性、大滯后等特性，因此決定了過程控制的控制過程多 8 屬慢過程。另外，在石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、制藥等工業(yè)生過程中，往往用一些物理量和化學(xué)量來表征其生產(chǎn)過程是否正常，因此要對上述過程參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制，故過程控制多半為參數(shù)控制。 隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的飛速 法杖，工藝條件越來越復(fù)雜，對過程控制的要求越來越高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復(fù)雜、多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等等。為了滿足上述特點(diǎn)與工藝要求，過程控制中的控制方案是十分豐富的。通常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)；有儀表過程控制系統(tǒng)，也有計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)；有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系統(tǒng)。 在石油、化工、電力、冶金、輕工、環(huán)保和原子能等現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程控制的主要目的在于消除或 減小外界干擾對被控量的影響，使被控量能穩(wěn)定在給定值上，使工業(yè)生產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和低能耗的目的。定值控制仍是目前過程控制的一種常見形式。 要分析、設(shè)計(jì)和應(yīng)用好一個(gè)過程控制系統(tǒng)，首先應(yīng)對被控過程做全面了解，對工藝過程、設(shè)備等深入的分析，然后應(yīng)用自動(dòng)控制原理與技術(shù)，擬定一個(gè)合適正確的控制方案，從而達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品產(chǎn)量、降耗節(jié)能、保護(hù)環(huán)境和提高管理水品等目的 。 過程控制系統(tǒng)可分為單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、大滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)、比值控制系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)等一些復(fù)雜控制系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)特點(diǎn) 串級(jí)控制系統(tǒng)是改善控制過程品質(zhì)極為有效的方法，因而得到了較為廣泛應(yīng)用。與簡單控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)內(nèi)回路，卻能收到顯的控制效果。這是因?yàn)樵诖?jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路具有快速作用，因此串級(jí)控制系統(tǒng)對進(jìn)入內(nèi)回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力；同時(shí)由于有副回路的存在，改善了對象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，為了充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)主、副回 )(1 sW C )(2 sW C )( sW V )(2 sW O )(1 sW O)(2 sW m)(1 sW m1?)(1 sY+ ++)(2 sF)(1 sF2?)(2 sY 圖 21 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 9 路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動(dòng)作以迅速消除進(jìn)入副回路的擾動(dòng) ， 而且副參數(shù)并不要求無差 ， 所以一般選擇 P調(diào)節(jié)器 ， 也可采用 PD調(diào)節(jié)器 ， 但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性 。 在一般情況下 ， 采用 P調(diào)節(jié)器就足夠了 ， 如果主 、副回路頻率相差很大 ， 也可考慮采用 PI或 PID調(diào)節(jié)器 。 主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求 。 凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過程 ， 對控制品質(zhì)的要求總是很高的 ， 不允許被調(diào)量存在靜態(tài) ， 偏差因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用 ， 一般采用 PI或 PID控制器 。 采用噴水減溫 的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)如圖 22所示。從被控對象的動(dòng)態(tài)特性來看，噴水?dāng)_動(dòng)下的汽溫動(dòng)態(tài)特性不如其他擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，為了克服控制通道的滯后和慣性，采用了導(dǎo)前汽溫信號(hào) 2? 。在噴水量擾動(dòng)下 2? 肯定比主汽溫 1? 能提前反映控制作用。因此，采用導(dǎo)前汽溫 2? 信號(hào)構(gòu)成串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，以改善汽溫的控制質(zhì)量。 溫度調(diào)節(jié)器 1溫度測量變送器溫度測量變送器過熱器減溫器溫度調(diào)節(jié)器 2執(zhí)行器溫度給定)(1 sY)(2 sY閥門 圖 22 噴水減溫串級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的工作原理 圖 22所示的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，只要導(dǎo)前汽溫 2? 發(fā)生變化，副調(diào)節(jié)器 P就去改 過 熱 器爐 膛汽 鼓水過 熱 蒸 汽減 溫 器TT1TT2CT1CT21?2? 圖 23 噴水減溫串級(jí)汽溫控制系統(tǒng) 變減溫水流量 ?W ，初步維持后級(jí)過熱器入口汽溫 2? 在一定范圍內(nèi)，起粗調(diào)作 10 用。而過熱器出口汽溫 1? 的控制，則是通過主調(diào)節(jié)器 PI來校正副調(diào)節(jié)器工作，只要1? 未 達(dá)到給定值，主調(diào)節(jié) PI的輸出信號(hào)就不斷的變化，使副調(diào)節(jié)器不斷去控制減溫水噴水量 ?W 的變化，直到 1? 恢復(fù)到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時(shí)，導(dǎo)前汽溫 2? 可能穩(wěn)定在與原來數(shù)值不同的數(shù)值上，而主汽溫 1? 則一定等于給定值。 在串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)中，由于兩個(gè)回路的任務(wù)及動(dòng)態(tài)特性不同，可以選用不同的調(diào)節(jié)器。副 回路及副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速消除內(nèi)擾，要求控制過程的持續(xù)時(shí)間較短，但不要求無差，故一般可選用純比例調(diào)節(jié)器。當(dāng)導(dǎo)前汽溫慣性較大時(shí)，也可選用比例微分調(diào)節(jié)器。主回路及主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是維持 1? 恒定，一般選用比例積分調(diào)節(jié)器。當(dāng)過熱器惰性區(qū)較大時(shí)，也可選用比例、積分、微分調(diào)節(jié)器。 單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡稱單回路系統(tǒng)，一般是指針對一個(gè)過程（調(diào)節(jié)對象），采用一個(gè)測量變送器監(jiān)測被控過程，采用一個(gè)控制（調(diào)節(jié)）器來保持一個(gè)被控參數(shù)恒定（或在很小范圍內(nèi)變化） ，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）。從系統(tǒng)的框圖看，只有一個(gè)閉環(huán)回路。 )( SW C )( SW v )(0 SW )( SWm+ Q ( s )U ( s )X ( s ) E ( S ) Y ( s ) 圖 24 單回路控制系統(tǒng)框圖 其中 Wc )(S — 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； Wv )(S — 調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)； Wo )(S — 被控過程的傳遞函數(shù)； Wm )(S — 測量變送器的傳遞函數(shù)。 單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運(yùn)，又能滿足不少工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或者不對被控質(zhì)量要求不高的場合，約占目前工業(yè)控制系統(tǒng)的 80%以上。 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng) 的控制效果顯著提高，原因是在串級(jí) 控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)二次擾動(dòng)的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力，提高了對一次擾動(dòng)的克服能力和對回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能力。但就工藝要求而言，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多了一個(gè)測量變送器和一個(gè)控制器，增加了成本，并且單回路控制質(zhì)量即可滿足一般的小型鍋爐，所以本課題選用單回路控制系統(tǒng)來控制過熱蒸汽溫度。 根據(jù)工藝流程和控制方案的選擇，可以得出本設(shè)計(jì)的控制流程 （圖 25）。 11 調(diào) 節(jié) 器測 量 變 送對 象調(diào) 節(jié) 閥+U ( t )X ( t ) E ( t ) Y ( s )Q ( t ) 圖 25系統(tǒng)框圖 當(dāng)主汽溫 的測量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使汽溫變化，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水閥門以適當(dāng)形式打開噴水流量。測量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。 過 熱 器爐 膛汽 鼓水T CT T過 熱 蒸 汽減 溫 器1234 圖 26 控制流程圖 其中： 1―熱電阻； 2―溫度變送器； 3―溫度調(diào)節(jié)器； 4―調(diào)節(jié)閥 。 12 智能儀表 概述 及選型 智能式儀表是以微處理器為中央控制單元 ,能完成物理信號(hào)的輸入輸出、信號(hào)轉(zhuǎn)換和計(jì)算控制等功能 ,并可與外界通訊的儀器儀表。 與其他常規(guī)儀表相比，有 以 下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： ,高性能的集成芯片 ,功能強(qiáng)大 ,性能優(yōu)越； ,穩(wěn)定性好 ,長期工作維護(hù)量小； LCD 顯示 ,清晰直觀 ,讀數(shù)方便； ,使用靈活 :可選擇不同的測量值和輸出值 。可在線修改參數(shù) ,流量小信號(hào)切除、失敗模式電流輸出等功能 。具有內(nèi)部計(jì)算、數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)、自診斷、自校驗(yàn)等多種功能； 管理信息 ,可供用戶參考 。 為了實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳送 ,并將多個(gè)現(xiàn)場變送器的模擬信號(hào)通過一對信號(hào)線傳送到控制中心 ,美國 Rosemount公司于 1985年開發(fā)出一種將模擬信號(hào)調(diào)制成數(shù)字調(diào)頻信號(hào) ,并用數(shù)字調(diào)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)傳輸?shù)? HART Highway Addressable Remote Transducer 協(xié)議 。在現(xiàn)場安裝的儀表是一種被稱為“ Smart Feld Instrument”的智能式儀表 ,Smart 儀表可以用同一對傳輸線 同時(shí)送出 4～ 20mA 和 FSK 調(diào)頻制數(shù)字這兩種信號(hào) ,實(shí)現(xiàn)控制中心與儀表之間的雙向通信。并開發(fā)出 HART 手持式通訊器 ,方便地實(shí)現(xiàn)智能儀表與通訊器之間的雙向通訊。 美國的另一大儀表生產(chǎn)商 Honeywell 公司 20 世紀(jì) 80 代初也開發(fā)出第一代智能式儀表 ,及與之配套的 ST2102 智能通訊器 ,可設(shè)定智能儀表的輸出模式 :模擬式 4～20mA 輸出或數(shù)字輸出模式 DE 模式 ,以便與 DCS 實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊 。STS2102 智能通訊器也可方便地用于 Honeywell 系列儀表的組態(tài)和調(diào)試。 智能式儀表自 20 世紀(jì) 80 年代問世以來 ,很多公司推出了多種不同設(shè)計(jì)、格各異的產(chǎn)品 ,但其核心結(jié)構(gòu)卻基本上是一致的 ,可以將其歸納為圖 31 所示的框圖結(jié)構(gòu) 。 除智能式儀表正確的安裝和設(shè)定量程范圍外 ,還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 a)智能式儀表的參數(shù)選擇性強(qiáng) ,在參數(shù)設(shè)置時(shí)應(yīng)正確地檢查和設(shè)定信號(hào)輸出。通過正確的設(shè)定 ,在測量介質(zhì)流向相反時(shí) ,也能正常輸出電流。 b)部分需要觸點(diǎn)輸出的變送器 ,應(yīng)正確地設(shè)定其回差 ,以保證系統(tǒng)控制的平穩(wěn) 13 性。 c)智能變送器的使用電壓和環(huán)境溫度考慮 用戶設(shè)備計(jì)算機(jī)儀表通訊接口 D / A