锅炉过热蒸汽的温度控制毕业设计(编辑修改稿)

锅炉过热蒸汽的温度控制毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲 线如图 25（ a） 所示。 当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点 与测量蒸汽温度的地点之间有着较大的距离，此 时过热器是一个有纯滞后的多容对象。 动态 曲线图如图 25（ b） 所示。 当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大。 综上所述，可归纳出以下几点： （ 1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一 种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。 而且改变任何一个输入参数 ，其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。 （ 2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，减 小 减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。 （ 3） 在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。 长春理工大 学 本科 毕业 设计 10 由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温 1 的响应比过热器出口汽温 2 快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以 1 作为导前信号构成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。 在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表 示为： 22202 2()() ( ) (1 ) nSKWS S T S  （ 23） 式中 ： 2K — 减温水流量扰动下导前汽温的放大系数； 2T —为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数； 2n — 阶数； 在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示 为： 0010 0()() ( ) (1 ) nKSWS S T S  （ 24） 式中： 0K 一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数； 0T —为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数； 0n — 阶数； 对象惰性区的传递函数可表示为： 11101 21()() ( ) (1 ) nSKWS S T S  （ 25） 式中： 1K —减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数； 1T — 为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数； 1n — 阶数； 总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大 的差别。 过热蒸汽温度调节的概念和方法 维持稳定的汽温是保证锅炉安全和经济运行所必须的。 汽温过高会使金属应力下降，将影响机组的安全运行；汽温降低则会机组的循环的效率。 因此，要求锅炉设置适当的调温手段，以 减小扰动 对汽温波动的影响。 对汽温调节方法的基本要求是：调节惯性或延迟时间小，调节范围大，对热循环热效率影响小，结构简单可靠及附加设备消耗少。 汽温的调节可归结为两大类：蒸汽侧的调节和烟气侧的调节。 所谓蒸汽侧的调节，是指通过改变蒸汽的热焓来调节温度。 例如喷水式减温器向过热器中喷水，喷 入的水的加热和蒸发要消耗过热蒸汽的一部分热量，从而使汽温下降，调节喷长春理工大 学 本科 毕业 设计 11 入的水量，可以达到调节汽温的目的。 烟气侧的调节，使通过改变锅炉内辐射受热面和对流受热面 的吸热量分配比例的方法或改变流经过热器的烟气量的方法来调节过热蒸汽温度。 从蒸汽侧调节汽温 汽 温调节通常采用喷水减温作为主要调节手段。 减温器通常采用给水作为冷却工质。 喷水减温的方法是将水呈雾状直接喷射到过热蒸汽中去与之混合，吸收过热蒸汽的热量使本身加热，蒸发，过热，最后也成为过热蒸汽的一部分。 被调温的过热蒸汽由于放热，所以汽温降低，达 到了调温的目的。 喷水减温调节操作简单，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。 当汽温偏高时，开大调节门增加减温水量；当汽温偏低时，关小调节阀门减少减温水量，或者根据需要将减温器撤出运行。 单 元机组的锅炉对汽温要求较高，故通常装置两级以上的喷水减温器。 第一级布置在分隔屏过热器之前，被调参数是屏式过热器出口汽温，其主要任务是保护屏式过 热器，防止壁管超温。 这级减温器只能作为主蒸汽温度的粗调节。 该锅炉第二级喷水减温器设在末级对流过热器进口 ，被调参数是主蒸汽出口温度，由于此处距主蒸汽出口距离近，且此后蒸汽温度变化幅度也不大，所以第二级喷水减温的灵敏度高，调节时滞也小，能有效的保证主蒸汽出口温度符合要求，因而该级喷水调节是主蒸汽的细调节。 第二级喷水减温器往往分两侧布置，以减小过热汽温热偏差。 喷水减温器调节汽温的特点是， 只能使蒸汽减温而不能升温。 因此，锅炉按锅炉额定负荷设计时，过热器受热面的面积是超过需要的，也就是说，锅炉在额定负荷下运行时过热器吸收的热量将大于蒸汽所需要的过热热量，这时就必须用减温 水来降低蒸汽的温度使之保持额定值。 由于喷水减 温设备简单，操作方便，调节又灵敏，所以仍得到广泛应用。 从烟气侧调节汽温 改变火焰中心位置。 改变火焰的中心位置可以改变炉内辐射吸热量和进入过热器的烟气速度，因而可以调节过热汽温。 当火焰中心位置抬高时，火焰离过热器较近，炉内辐射吸热量减少，炉膛出口烟温升高，则过热汽温将升高。 火焰中心位置降低时，则过热汽温降低。 改变火焰中心位置的方法有： （ 1）调整喷燃器的倾角。 在高负荷时，将喷燃器向下倾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使进入过热器区的烟气温度下降，减小过热器的传热温差，使汽温降低。 而在 低负荷时，将喷燃器向上倾斜适当角度，则可以使火焰中心位置提高，使汽温升高。 长春理工大 学 本科 毕业 设计 12 （ 2）改变喷燃器的运行方式。 当沿炉膛高度布置有多排喷燃器时，可以将不同高度的喷燃器组投入或停止工作，即通过上、下排喷燃器的切换，来改变火焰中心位置。 当汽温高时应尽量先投用下排的燃烧器，汽温低时可切换成上排喷燃器运行。 （ 3）变化配风工况。 用改变上、下排二次风分配比例的办法来改变火焰中心位置。 当汽温高时，可开大上排二次风，关小下排二次风，以压低火焰中心。 当汽温低时，则关小上排二次风，开大下排二次风，以抬高火焰中心。 若改变流经过热器的烟气量，则烟气流速必然改变，使对流传热系数变化，从而改变了烟气对过热器的放热量。 烟气量增多时，烟气流速大，使汽温升高；烟气量减少时，烟气流速小，使汽温降低。 改变烟气量即改变烟气流速的方法有： （ 1）采用烟气再循环。 改变再循环烟气量，可以同时改变流过过热器的烟气流量和烟气含热量，因而可以调节汽温。 （ 2）烟气旁路调节。 采用这种方法是将过热器处的对流烟道分隔成主烟道和旁路烟道两部分。 在旁路烟道中的受热面之后装有烟气挡板，调节烟气挡板的开度，即可改变通过主烟道的烟气流速，从而改变主烟道中 受热面的吸热量。 （ 3）调节送风量。 调节送风量可以改变流经过热器的烟气量，即改变烟气流速，达到调节过热汽温的目的。 调节送风量首先必须满足燃烧工况的要求，以保证锅炉机组运行的安全性和经济性。 由以上分析可知 喷水减温调节操作简单，调节又灵敏，只要根据汽温的变化适当的变更相应的减温水调节阀门开度，改变进入减温器的减温水量即可达到调节过热汽温的目的。 并且 对过热器的安全运行比较理想，尽管对象的调节特性不够理想， 但可以从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态 特性，提高调节系统的质量。 所以喷水减温还是目前被广泛使用的过热蒸汽温度调节方法。 本次设计就是采用喷水减温作为主要调节手段。 长春理工大 学 本科 毕业 设计 13 第 3 章 过热 蒸 汽温 度 控制系统的基本方案 过热气温控制中一般 应用 PID 控制器来进行调节 ，下面将简单介绍 PID 控制器和 PID 参数整定的方法。 过热汽温的控制方案很多， 传统的汽温控制系统有两种：串级汽温控制系统和采用导前微分信号的汽温控制系统。 由于过热汽温控制通道的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号，形成了上述的两种双回路控制系统。 下面将 分别加以介绍 并确定控制方案。 PID控制器 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节 [5]。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获 得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例积分微分（ PID）调节器 理想的比例积分微分（ PID）调节器由比例、积分和微分三种调节作用叠加而成，其动态方程为：   t0 di dtdeTe d tT1e1 (31) 其传递函数为： ( ) ( )( ) +1+11=sE=s sTsTsW diP I D  (32) 式中： 积分时间： pi IKT K； 微分时 间：ddpKT K ； 比例带： 1pK； 微分惯性时间常数： dD DTT K PID 调节器中，有三个可以调整的参数：即比例带 δ、积分时间 Ti 和微分时间 Td。 适当选择这三个参数的数值，可以获得良好的调节质量。 实际 PID 调节器的阶跃响应曲线如下图所示： 长春理工大 学 本科 毕业 设计 14 teoΔ e0tμo0eD0K1 eDPIP I D 图 31 实际 PID 调节器的阶跃响应曲线 实际 PID 调节器在阶跃输入下，开始时微分作用的输出变化最大，使总的输出大幅度地变化，产生一个强烈的超前调节作用，把这种调节作用看成为预调；然后微分作用消失，积分作用逐渐占主导地位，只要静态偏差存在，积分作用便不断增加 ，把这种调节作用可看成为细调，一直到静态偏差完全消失，积分作用才停止；而在 PID 的输出中，比例作用是自始至终与偏差相对应的，它是一种基本的调节作用。 PID 参数整定方法 先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程。 这时的比例度叫临界比例度 δk，周期为临界振荡周期 Tk。 记下 δk 和 Tk，然后按经验公式来确定调节器的各参数值。 临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用 衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。 （ 1） 4： 1 衰减曲线法 使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现 4： 1 的衰减比为止。 记下此时的比例度 δk 和振荡周期 Ts。 再按经验公式（见附录）来确定 PID 数值。 （ 2） 10： 1 衰减曲线法 有的过程， 4： 1 衰减仍嫌振荡过强，可采用 10： 1 衰减曲线法。 方法同上，得到 10： 1 衰减曲线，记下此时的比例度 δk和上升时间 Ts，再按经验公式（见附录）来确定 PID 的数值。 长春理工大 学 本科 毕业 设计 15 （ 1） 根据不 同调节系统的特点，先把 P、 I、 D 各参数放在基本合适的经验数值上，这些数值是由大量实践经验总结得来的（按 4： 1 衰减）。 （ 2） 看曲线，调参数，根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。 （ 1） 在自动或手动模式下对回路引入一个阶跃测试； （ 2） 软件自动收集过程数据，运用专家系统加以分析，并建立数学模型； （ 3） 使用建立的学模型自动计算出 具有 鲁棒 性 的 PID 参数。 目前国内应用最为广泛的方法是经验试凑法，但需要工程师的经验。 而国外应用最为广泛的方法是软件自 动整定法，方便、快捷、可靠。 串级温 度 控制系统 单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。 但随着工业技术的不断更新，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，都使得单回路控制系统 不能满足要求。 因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。 串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点及整定。