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第7章自动化仪表应用实例1.1第7章自动化仪表应用实例返回总目录第7章自动化仪表应用实例1.2•大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制•石油蒸馏装置中的检测与控制•传热设备的控制•本章小结•思考题与习题本章内容第7章自动化仪表应用实例1.3大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制一、大中型工业锅炉的工艺过程常见的锅炉设备的主要工艺流程如图7.1所示。由图可知，燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生产的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。饱和蒸汽经过热器后形成一定气温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。压力为的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还分别经过省煤器和空气预热器对锅炉给水和燃烧用空气进行预热，以充分利用热能，最后经引风机送往烟囱，排入大气。从锅炉的生产过程和设备情况看，它是一个比较复杂的被控对象，其输入变量主要有：负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等；输出变量主要有：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。如果将锅炉等效为一个黑匣子，那么就可以用如图7.2所示的简图表达它的输入输出变量之间的关系。由图可以看出，这些输入输出变量之间并非简单的一一对应的关系，而是相互关联的，具有一定的耦合特性，所以锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的复杂被控对象。第7章自动化仪表应用实例1.4大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制假设其外部设备的用汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响到汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压等参数；给水量的变化将直接影响汽包水位，同时还对蒸汽压力、过热蒸汽温度等产生间接影响。所以，要想精确地对锅炉的所有输出量进行控制是一个比较困难的事。在目前控制系统中，大多数情况是对锅炉进行适当的假设后，将锅炉设备控制划为若干独立个子系统，通过各个子系统的分别对相应的变量进行控制，一般不需考虑变量之间的相互影响，从而是锅炉控制变得比较简单。本节仅就其中汽包的液位检测与控制作相应的讨论。图7.1锅炉设备主要工艺流程图第7章自动化仪表应用实例1.5大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制二、锅炉汽包水位的检测与控制1.汽包水位的控制要求汽包是锅炉的重要组成部分，其水位高低会影响整个系统的安全性。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而气化速度快，若控制不及时，就会在很短的时间内使汽包内的水全部气化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高将会影响汽包的水汽分离效果，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏汽轮机叶片，如果有大量的水进入蒸汽管道，还会导致蒸汽管道爆管的严重后果。可以看出，汽包的水位直接影响锅炉运行的安全性与经济性，是锅炉运行的一个非常重要的指标，无论过高或过低都会引起极为严重的后果，对它的控制必须是及时而又准确的。图7.2锅炉对象简图第7章自动化仪表应用实例1.6大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制2.汽包水位的动态特性对汽包水位控制的研究已经经历的很长时间，逐渐形成了一套行之有效的控制方法。之所以对它进行大量的研究，不仅是由于它的重要性，还在于它的对象特性具有很强的特殊性，主要表现在其水位在外界扰动作用下的变化过程与一般液位对象存在明显区别，需要进行特殊的分析。汽包内的水位高低与蒸汽负荷量D、补充给水量W、补充水温T、汽包蒸汽压力PD等参数都有关系，而其中影响作用比较大的主要是蒸汽负荷和给水量。一般而言，通常用给水量来直接影响水位，所以把给水量对水位的影响称为控制通道影响，把蒸汽负荷对水位的影响称为干扰通道影响。1)干扰通道的动态特性蒸汽负荷(向外提供的蒸汽流量)对水位的影响主要指在燃料量不变的前提下，蒸汽流量突然变化导致的水位变化情况。假设给水量没有同时变化，如果按照常规的物料平衡原则来考虑，必然是物料流出量大于流入量，水位应该随之下降。但是汽包是一个特殊对象，水位的变化情况远比常规对象来得复杂。由于蒸汽流量突然增加，就使短时间内汽包内饱和蒸汽压力迅速下降，造成汽包内水的沸点突然降低，汽化过程加剧，水面以下气泡不仅数量迅速增加而且体积增大，将水位整体抬高，形成虚假的水位上升现象，与一般对象的水位变化恰恰相反，这种现象被称为假水位现象。第7章自动化仪表应用实例1.7式中，ξt——曲线H1的飞升速度；K2——曲线H2的放大倍数；T2——曲线H2的时间常数。大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制1222()()()()()()1tHsHsKHsDsDsDssTs(7-1)假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，一般蒸发量为100～300T/h的中高压锅炉在负荷突然变化10%时，假水位可达30mm～40mm。对于这种假水位现象，在设计控制方案时必须加以重视。2)控制通道的动态特性在给水流量作用下，汽包也不能仅仅当作常规单容对象来考虑，其阶跃响应曲线如图7.4所示。对于常规单容无自衡对象而言，水位响应曲线如图7.4中曲线所示；但由于给水温度要大大低于比汽包内饱和水的温度，所以给水量增加后，汽包内的水温必然随之下降，导致水中气泡含量减少、体积下降，引起水位下降。因此实际的水位响应曲线如图中曲线所示，即当突然加大给水量后，汽包水位并不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联，可表示为：第7章自动化仪表应用实例1.8在蒸汽流量扰动下，水位变化的阶跃响应曲线如图7.3所示。当蒸汽流量突然增加时，由物料平衡原理得出的水位变化如曲线所示，而由于假水位导致的水位变化如曲线所示，整体水位的变化则为二者的叠加，即大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制12HHH其变化情况如曲线所示。从图7.3中可以看出，在水位变化的初始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，过一段时间后才开始下降(反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升)。图7.3蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线曲线的传递函数为第7章自动化仪表应用实例1.9一般而言，纯滞后时间τ与给水温度相关，水温越低，滞后时间越长。一般τ约在15s～100s之间。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会使增加到100s～200s。3)其他干扰因素的影响除了上述两个比较主要的影响之外，给水温度变化、锅炉排污、吹灰等过程也会对汽包水位造成影响。给水温度会影响水面下的气泡数量和体积；锅炉排污则要排出汽包的部分陈水；吹灰时要使用锅炉自身的蒸汽，这些都对是水位有影响，但都属于短时间的扰动，可以很快被抑制下来，无需做特殊处理。3.汽包水位的控制方案1)单冲量控制系统大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制图7.4给水流量作用下水位的阶跃响应曲线0()e()sHsWss(7-2)第7章自动化仪表应用实例1.10控制汽包水位时常选给水量作为操作变量，由此可组成如图7.5所示的普通单冲量控制系统。这里指的单冲量即汽包水位。这种控制系统是典型的单回路控制系统。对于部分小型锅炉来说，由于蒸发量少，水在汽包内停留时间较长，所以在蒸汽负荷变化时，假水位的现象并不显著，如果使用单冲量控制系统配用联锁报警装置，也能够保证系统的安全性操作，满足生产的要求。而大中型锅炉的蒸发量相当大，当蒸汽负荷突然大幅度增加时，假水位现象比较明显，调节器收到错误的假水位信号后，不但不开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，满足蒸汽量增大的要求，反而关小调节阀的开度，减少给水量。这种情况被称为调节器的误动作，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减少，将使水位显著下降，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。因此单冲量系统不能胜任对大中型锅炉的控制，水位得不到保证。2)比值控制系统从物料平衡的角度来看，只要保证任一时刻蒸汽流出量与给水流入量之间是等量关系，就能够保证水位的恒定，如图7.6所示的比值控制系统就是建立在这样的控制思想上的。这样，给水量随着蒸汽负荷的变化而变化，而且变化方向和数量是完全相同的，可以以此来避免在单冲量方案中出现的调节器误动作。大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制第7章自动化仪表应用实例1.11大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制图7.5单冲量控制系统图7.6比值控制系统当对蒸汽流量的测量是直接测量质量时，图中的比值系数可以定为1或稍大于1，此时就可以满足给水量跟随蒸汽量变化的要求。从图中可以看出，这种方案也可视为一种前馈补偿方案，补偿器就是比值器。此方案对于蒸汽负荷方面的扰动具有很好的抑制作用，但是由于没有真正监视水位的变化情况，所以由其他扰动引起的水位变化完全不得而知，也就不可能对其他的扰动影响进行调节，所以只能是一种探讨型方案，不能应用在实际系统中。第7章自动化仪表应用实例1.12大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制3)双冲量控制系统综合单冲量控制系统和比值控制系统的特点，不难设计出如图7.7所示的双冲量控制系统。该系统是在单冲量控制系统的基础上适当引入了对蒸汽流量的监视，起到对水位的补充校正作用，就可以大大减弱假水位引起的调节器误动作。图7.7(a)是双冲量控制系统的原理图，图7.7(b)是其框图。由图知，这其实是一个前馈与单回路的复合控制系统。其控制思路是：测量出蒸汽负荷的大小，根据物料平衡原理，只要给水量与蒸发量完全相等，那么水位将保持不变，从而克服假水位的影响，也就是利用前馈控制抑制负荷扰动；其他干扰因素引起的水位变化则由反馈控制来克服。这样的设计思路不仅能削弱调节器的误动作，还能使调节阀动作及时、水位波动减弱，起到改善控制品质的作用。图7.7(a)中的加法器输出是图7.7双冲量控制系统原理图与框图第7章自动化仪表应用实例1.13大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制由框图可知，起着静态前馈控制器的作用，按前馈控制器设计原理，有01C2S0PKPKPC(7-3)PDPD20MDvPHMDVPH()()()()sGsKKGsGsGsKKK(7-4)因为KPD一般为负、KMD和KPH均为正，所以K2的符号取决于调节阀的符号。当采用气开阀时，KV为正，K2则为正；当采用气关阀时，则相反。调节阀气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。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选用气开阀为宜；如果蒸汽仅用作加热剂，为保护锅炉采用气关阀为宜。式(7-4)提供了求取K2的原理算式。事实上，由于锅炉的情况特殊，K2一般不按照该式求取，而是按以下思路求取。设阀门安装特性工作点斜率为KV，则VWKP(7-5)第7章自动化仪表应用实例1.14大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制式中，ΔP——阀门输入信号变化量；ΔW——阀动作后引起的给水流量变化量。假定蒸汽流量的测量变送为线性(如孔板加开方器)，则由物料平衡关系可以得到静态补偿关系，即在蒸汽量负荷变化时，应使Smaxminmaxmin()DPZZDD(7-6)WD(7-7)将式(7-6)代入式(7-7)得maxminSmaxminDDWPZZ(7-8)而由框图7.7(b)知S2VWPKK(7-9)由上述两式可得maxmin2Vmaxmin()()DDKKZZ(7-10)第7章自动化仪表应用实例1.15大中型工业锅炉汽包液位的检测与控制需要说明的是，蒸汽流量信号的引入只是削弱了由假水位现象引起的调节器误动作，并没有削弱假水位现象，假水位现象是大中型锅炉汽包必然存在的物理过程，想要对它进行限制或削弱是很困难的。同时，负荷扰动引起的水位变化速度比给水变化引起的水位变化速度要快得多，所以即使利用给水对符合扰动进行调节，也会产生较大的水位波动，因此必须对符合符合变化的幅度加以限制。4)三冲量控制系统在双冲量控制系统中，还存在一些问题：对蒸汽流量的测量不可能完全准确；给水流量是否与蒸汽流量相等无法得知；控制阀的工作特性不一定成为线性，对蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；不能克服给水