1、另外，在线故障预测与诊断、容错控制等可以进一步提高生产过程的安全性。（2）稳定性 指系统抑制外部干扰、保持生产过程运行稳定的能力。变化的工业运行环境、原料成分的变化、能源系统的波动等均有可能影响生产过程的稳定运行。在外部干扰下，过程控制系统应该使生产过程参数与状态产生的变化尽可能小，以消除或者减少外部干扰可能造成的不良影响。（3）经济性 在满足以上两个基本要求的基础上，低成本高效益是过程控制的另外一个重要目标。为了打到这个目标，不进需要对过程控制系统进行优化设计，还需要管控一体化，即一经济效益为目标的整体优化。工业过程控制可以分为连续过程工业、离散过程工业和间隙过程工业。其中，连续过程工业占的
2、比重最大，涉及石油、化工、冶金、电力、轻工、纺织、医药、建材、食品等工业部门，连续过程工业的发展对我国国民经济意义最大。过程控制主要指的就是连续过程工业的过程控制。锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备，它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机，压缩机、泵类驱动透平的动力源。随着石油化学工业规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率的方向发展。为确保安全，稳定生产，对过路设备的自动控制就显得尤为重要。2、锅炉的工艺流程及控制要求2.1锅炉的工艺流程由于锅炉设备使用的燃料、燃烧设备、炉体形式
3、、锅炉功用和运行要求的不同，锅炉有各种各样的流程。常见流程如图2.1所示。由图可知，蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽,然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽，汇集至蒸汽母管。压力为的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。2.2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和
4、完全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3 、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6 、炉膛负压保持在一定的范围内。根据上述要求，锅炉设备的主要控制系统见表2.1.表2.1 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉给水控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内产生的蒸汽和给水的无聊平衡过路燃烧控制系统蒸汽压力烟气成分炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃烧的完全和经济性锅炉运行的安全性过热蒸汽控制系统过热蒸汽温度喷水流量过
5、热蒸汽的温度和安全性3、锅炉炉膛温度的动态特性分析火电厂的锅炉炉膛由于采用的燃料为煤粉，在燃烧过程中，炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程，炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后、时变、非线性和不对称性等特点。在过程控制中，为了方便设计，同时又在一定的要求范围内，我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统。可以用以下传递函数描述。具有时滞的一阶环节 具有时滞的二阶环节 在现场环境中，炉膛内的温度变化是时时刻刻的，很难用一个固定的数学公式将炉温的变化规律总结出来。但是我们要对炉膛内的温度进行控制就必须要对炉膛内的温度变化进行一个规律的总结，所以在规定的要求范围内，对一些情况进行
6、近似处理是很合理和必要的。在通常情况下，我们给定炉膛一个温度值，作为系统的给定，使锅炉炉膛在这个给定的温度状态下工作。这个温度的变化又是和炉内的燃料燃烧量和炉体的总散热量相关的。对于火电厂锅炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。它不是一个单一的问题，是一个系统问题（容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和）。纯滞后产生的根源也要从整个测量系统来考虑，并且与温度的高低有关。热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞后。随着温度的升高，辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短，传热速度加快。所以纯
7、滞后的时间会随温度升高而减小。由于火电厂锅炉使用的燃料是煤粉，即锅炉能量的来源方式是通过化学燃料的燃烧获得能量的，同时，炉膛内能量的散发形式又是以炉膛的炉体热量散失，对汽包进行热量传导进行散失等多种途径进行的，所以炉膛内的温度的变化是一个相当复杂的过程，是一个非线性变化的过程。从模型参数上看，在锅炉炉膛的整个温度调节范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间通常是与工作温度与负载变化有关的变参数，而且参数变化量与温度变化量之间是非线性关系。由于锅炉炉膛内的温度是高温段的，在高温段，温度变化的纯滞后时间和过程增益将比低温段有显著减少，而时间常数则显著增大。锅炉作为一种高负荷运转的设备，特别是火
8、电厂内的锅炉，长期处于高负荷运转下，随着运行时间的变化，其各项性能都会逐渐发生变化，特别是随着使用时间的增长，炉子的保温隔热材料会逐渐老化，炉膛内部由于长期处于高温环境中，炉体的保温、密封性能变差，通过炉体向外散失的热量增大。此外，锅炉初次使用和久停后再用时，由于绝热保温材料中的水分大，炉膛温度的特性差别也是很大的。另外，随着季节的变换，锅炉运行的外部环境温度也是经常变化的，冬天外部环境相对较冷，炉体的散热较快；夏天气温炎热，炉体的散热相对会较慢。如此种种因素都会引起炉膛温度特性的变化，但变化的速度十分缓慢而不明显。火电厂锅炉炉膛温度具有大惯性、大滞后特性。在炉膛的整个温度范围内，对象的增益、
9、容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。从传热原理可知，这些参数也与负荷变化有关。在锅炉设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的PID调节器也能控制得很好，但不能经受太大的扰动，也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号。对于常规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动。根据以上分析，可以认为火电厂锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在整个炉膛的温区内，其动态参数随锅炉的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉膛的动态特性近似线性的。4、方案设计4.1炉膛温度控制的理论数学模型根据以上分析可知，炉膛温度问题
10、是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即: （1） 其中K。为过程的增益，为过程的纯滞后时间，To为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数。K。随锅炉炉膛内温度升高而减小，To随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。4.2炉膛温度控制方法的选择双交叉燃烧控制是以锅炉炉膛温度为主被控量、燃料和空气并列为副被控变量的串级控制系统。其中
11、，两个并列的副环具有逻辑比值功能。使该控制系统在稳定工作的情况下保证空气和燃料的最佳比值，也能在动态过程中尽量维持空气、燃料在最佳比值附近，因此，具有良好的经济效益和社会效益。在煤粉流量调节回路中，炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤粉流量PID的设定值。空气流量调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，
12、选中者乘上流量补偿系数，送到空气PID作为设定值。其系统组成原理图如图4.1所示。4.3 系统单元元件的选择4.3.1温度检测变送器的选择在本次设计中，选用热电阻温度变送器，它的量程单元的原理图如图4.2。图4.2热电偶温度变送器量程单元原理图热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为420mADC电流信号或15VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度t与整机输出或间的线性关系。由图可见，热电偶温度变
13、送器的量程单元由信号输入回路A，零点调整及冷端补偿回路B，以及非线性反馈回路C等部分组成。输入信号为热电偶产生的热电势，输入回路中限流电阻、和限压稳压管为安全火花防爆元件；电阻还与电容组成低通滤波器。零点调整、量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿。所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路；同时把调零电位器移动到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器等组成的线性化电路起线性化作用。由于锅炉炉膛内的温度值较高，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，这里，我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。DBW-1150型热
14、电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。技术参数：输入：标准热电偶出：输出电流：420mADC输出电压：15VDC输出电阻：250允许负载变化范围：100量 程：01600冷端补偿误差：1温度漂移：0.1基本误差/1绝缘电阻：电源、输入与输出端子间100M绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟工作条件：环境温度：050相对湿度：90%（RH）电源电压：24VDC5%功耗：2W防爆等级：（ib）IICT6重量：2Kg4.3.2
15、流量检测变送器的选择由于流量变送的对象是煤粉和热空气，所以在选择流量变送装置的时候，必须是能够检测气体流量和和粉末混合气体的流量的。另外，由于空气是热空气，所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作，所以这里选用的流量变送器为LUGB型涡街流量计。LUGB型涡街流量计根据卡门（karman）涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000爆炸性环境用防爆电气设备有关规定，防爆标志为“Exi
16、aIICT6”，该仪表适用于工厂C级T6组及其以下的爆炸场所。在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。产品特点：可测量蒸汽、气体、液体的体积流量和质量流量无机械运动部件 测量精度高 结构紧凑 维护方便压力损失小 量程范围宽 量程比达1040倍采用消扰电路和抗振传感头 仪表具有抗环境振动性能可测介质温度达+350（+450）公称口径： DN10DN500测量介质： 气体、液体、蒸气可测介质温度： -40150；-40280；-40350；-40450公称压力： 2.5MPa（2.5 MPa协商供货）精度等级： 1级，0.5级（注：0.5级
17、量程范围1：7）输出信号： 电压脉冲：低电平1V，高电平6V，脉冲宽0.4ms，负载电阻150 420mA转换精度0.5%满度值，负载电阻19V350，24V500，30V750 现场液晶显示：瞬时流量6位显示，（m3/h或kg/h，t/h），转换精度0.1%；累计流量8位显示，（m3，kg，t），转换精度0.1%供电电源： 电压脉冲输出：+12VDC或+24VDC 420mA输出：+19VDC+30VDC电池供电3.6V，1节1号锂电池，使用寿命大于3年；外部供电+12VDC或+24VDC可实现带背光的液晶显示（订货注明）环境温度：-30+65 420mA输出：-10+55 现场液晶显示 -
18、25+55防爆标志： ExiaIIBT6表体材料： 1Cr18Ni9Ti（其它材料协议供货）；45号钢（法兰连接型）全智能型仪表： 输出信号：标态的体积流量或质量流量 现场液晶显示：循环显示6位瞬时流量、压力、温度；8位显示累积量4.3.3主、副控制器正反作用的选择副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正，反作用。主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致。本设计中,主控制器和副控制器都要反作用。4.3
19、.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器因为主回路是一个定制系统，主控制器起着定制控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用。在这里采用的是PID调节器，它综合了比例控制、积分控制和微分控制三种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，微分部分可以稳定调节精度。因为副回路是一个随动系统，其给定值随主控制器输出的变化而变化，同时两个并列的副环具有逻辑比值关系，其变化是双交叉的，为了能快速跟踪，同时比例调节，应该采用PI调节。4.3.5控制器仪表的选择采用模拟控制器:DDZIII型调节器，DDZ基型控制器框图如图4.3 。由控制
20、单元和指示单元两部分组成。控制单元包括输入电路、比例积分微分电路、手动电路、保持电路。指示单元有两种，因此基型控制器也分两种，即全刻度指示控制器和偏差指示控制器。控制器的输入信号为15V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为15V，外设定信号为420mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为420mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手
21、指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的数值，只要操作杆不动，就保持这一数值不变。由于有保持电路，使自动与软手动相互切换，硬手动只能切换到软手动，都是无平衡无扰动切换，只有软手动和自动切换到硬手动需要事先平衡才能实现无扰动切换。如果是全刻度指示控制器，测量信号的指示电路和设定信号的指示电路分别把15V电压信号转化为15mA电流信号用双针指示器分别指示测量信号和设定信号。当控制器出现故障需要把控制器从壳体中取出检查时，可以把便携式手动操作器插入手动操作插孔，以实现手动操作。图4.3中的420mA输出信号通过精密电阻转化为15V电压反馈到控
22、制器的输入端，使控制器形成了自闭系统，提高了控制器的运算精度。根据火电厂生产设计要求，采用WHSPL型调节器。调节器输入通道5路，信号标准4-20mA（1-5VDC）或0-10 mA（0-2.5VDC）。调节器输出通道1路，信号标准4-20mA或0-10 mA。跟踪输入通道1路，信号标准1-5VDC（DDZ-III型）或0-2.5VDC（DDZ-II型）。模拟输入通道的输入阻抗为250。故障接点输出1路，晶体管集电极开路输出。手/自接点输入1路，无电压开关接点，接点容量0.5A。手动：ON，自动：OFF。电源：22010%AC，0.2A。每个通道都可以用拨码开关设定为是否进行开方运算，阻尼时间
23、可通过面板修改。PID参数范围： （1）给定值-6.9%106.9% （2）比例带0.0799.9% （3）积分时间0.099.9%分 （4）微分时间0.099.9%分 （5）采样周期200毫秒安装方式：表盘安装，仪表自带悬挂装置。仪表外尺寸:80160260mm。4.3.6控制阀的选择按所用能源形式的不同，执行器分为电动、气动和液动三类。本设计主要是采用气动执行器，为了安全考虑，采用气开式。它由气动执行机构和控制机构两部分组成。气动执行机构又分为薄膜式和活塞式，它们都是以压缩空气为能源，具有控制性好，结构简单，动作可靠，维修方便，防活防爆和价廉等优点，并可以方便地与气动仪表配套使用。气动执行
24、器也称为气动调节阀，介绍典型产品气动薄膜调节阀地结构和工作原理。气动薄膜调节阀的结构可以分为两部分，上面是执行机构，下面是调节机构。从所学的知识可以了解到，它主要由膜片、弹簧、推杆、阀芯、阀座等零部件组成。当来自控制器的信号压力通入到薄膜气室时，在膜片上产生一个推力，并推动推杆部件向下移动，使阀芯和阀座之间的空隙减小，流体受到的阻力增大，流量减小。推杆下移的同时，弹簧受压产生反作用力，直到弹簧的反作用力与信号压力在膜片上产生的推力相平衡为止，此时，阀芯与阀座之间的流通面积不再改变，流体的流量稳定，可见，调节阀是根据信号压力的大小，通过改变阀芯的行程来改变阀的阻力大小，达到控制流量的目的。为了满
25、足火电厂的安全生产要求，在此次设计中使用VBD气动端面密封蝶阀，VBD气动端面密封蝶阀是一种重量轻，结构简单的后座式端面密封蝶阀。阀体、阀板均用钢板焊接或铸造加工而成。适用于低压状态的空气或其他气体的流量、压力控制。本产品符合GB/T4213-92标准。型式： 扁平式焊接或铸造阀体公称通径： 1252000mm（580） PN0.25、0.6、1.0、1.6MPa JIS2K、 JIS5K、JIS10K ANSI 150连接型式： 法兰式：1252000mm（880）密封面型式：RF材料： 25#、SUS304、SUS316、高温耐热钢Ni25Mo等标 准 型： 适用-5200，公称通径DN5
26、50以下。外部轴承型： 公称通径DN600以上；公称通径DN550以下，温度200600。压盖形式： 螺栓压紧式填 料： 聚四氟乙烯、 聚四氟乙烯石棉（常温用）、 柔性石墨（中温、高温用）阀内组件额定行程： 全开60或全开90阀板材料： 25#、SUS304、SUS316等旋转轴材料：SUS630、SUS304、SUS316阀体、阀板密封形式 端面密封型执行机构型式 气缸活塞执行机构供气压力500kPa气源接口G1/8、G1/4、G3/8、G1/2环境温度070阀作用型式根据执行机构与旋转轴之间键连接位置不同，可实现阀的气关式或气开式阀门安装方式 阀杆应水平地安装在配管上。若安装方式发生变化，
27、请予以注明。附件定位器、空气过滤减压器、保位阀、行程开关、阀位传送器、手轮机构等5、控制系统的工作原理目前在火力发电厂中，锅炉炉膛温度的控制虽然已经普遍采用了计算机控制，但最常用的控制方法仍是普通PID控制，包括单回路、串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法。在此次设计中我们采用串级回路控制方法。串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的锅炉炉膛，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节，以避免扰动对燃料流量的影响。在系统稳定状态时，温度PID的输出以A1送到煤粉流量调节回路PID作为设定值，以B1送到空气流量调节回路PID作为设定值。在负荷剧增（温测温给）时,温度PID的输出剧增.对于空气流量调节回路,随着B1开始增加时,B1B2时,低选器选中B2,B1被中断,同时B3B2,高选器选B2,B2
