（机械工程专业论文）20th热力除氧器温度控制系统设计研究.pdf

上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 ( 在工业锅炉工况下，热力除氧器的适应能力较差，其自控系统无法满足除氧工艺 的要求。实际上，现有工业锅炉热力除氧器及其控制系统均无法正常工作，它成了工 业锅炉安全运行中的一大隐患，缩短了工业锅炉的使用寿命。，一， 本文从实际出发，以无锡威孚公司2 0 t h 热力除氧器为研究对象，研究设计一套 全新的温控系统，来满足工业锅炉复杂工况下热力除氧器除氧工艺对除氧器内温度的 要求。依据过程控制原理来确立系统的控制方案，采用了程序控制及水量调节器来降 低锅炉负荷变化而引起的系统干扰的频率，采用了前馈反馈控制系统来控制由给 水干扰引起的除氧器内温度的变化。j o ， 本文介绍y m 业锅炉热力除氧器计算机控制运行方案。该系统采用了变结构的改 进p i d 控制算法及数字滤波技术，使得系统稳定可靠，控制性能优良，采用了工控机 及p c 总线接口，使得除氧系统的各控制过程很容易实现。厂， 本文建立了热力除氧器温控系统的数学模型，确定了控制通道及扰动通道的传递 函数，根据绝对不变性原理计算出前馈装置的传递函数。倮用i t s e 准则对控制系统 进行整定计算，确定了控制器的各参数。根据以上计算得到的数学模型及仿真参数， 采用m a t l a b 语言及s i m u l i n k 动态仿真工具箱，建立了热力除氧器温控系统的仿真模 型，得出了温度变化的动态响应曲线，并对系统进行了鲁棒性仿真。i 结果表明，该系 统具有良好的控制品质，完全能够满足工业锅炉工况下的热力除氧，为以后的工程实 施提供了可靠的理论依据。该系统为工业锅炉热力除氧问题找到了一条切实可行的解 决途径，提高了工业锅炉运行的稳定性和安全性，具有良好的经济效益和社会效益。 关键词：工业锅炉，热力除氧，前馈一反馈控制，控制算法，计算机仿真 t h e d e s i g n a n dr e a s e a r c ho nt h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m o ft h et h e r m o m e c h a n i c a ld e a e r a t o r a p p l i e d t ot h ei n d u s t r i a lb o i l e r a b s r r a c r ：1 1 1 et h e r m o m e c h a n i c a ld e a e r a t o rc a l l tb ea p p l i c a b l et ot h ei n d u s t r i a l b o i l e r i t sc o n t r o ls y s t e m 啪tm e e tad e m a n df o rd e o x i d i z e t e c h n o l o g y a c t u a l l y a l lt h e e x i s t i n gt h e r m o m e e h a n i c a l d e a e m t o ra p p l i e dt ot h ei n d u s 伍a lb o i l e ra n dt h ec o n t r o ls y s t e m c a n tb e o l e 】r 鼬。dn o r m a l l y , w h i c hb e c o m e ai n c i p i e n tf a u l tt or e d u c et h eo p e r a t i n gl i f eo f t h ei n d u s t r i a lb o i l e r p i a c t i i l v ，i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h et h e r m o m e c h a n i c a ld e a e r a t o ro fw 谢w e i f ug r o u p c o mi s r e g a r d e da sr e a s a r c h i n go b j e c t af i r e n e wt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s d e s g i n e da n ds t u d i e dt om e e tad e m a n do ft h et e m p e r a t u r ei n s i d et h ed e a e r a t o rf o rt h e d e o x i d i z et e c h n o l o g yi nt h ec o m p l e xo p e r a t i o nm o d eo ft h ei n d u s l r i a lb o i l e r t h ec o n t r o l s c h e m eo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt op r o c e s sc o n t r o lp r i n c i p l e ，i nw h i c ht h e s e q u e n c ec o n t r o la n dt h ew a t e rr e g u l a t o ri sa d o p t e dt or e d u c et h es y s t e mi n t e r f e r e n c e f r e q u e n c yw h i c hi sb r o u g h tb yt h ec h a n g eo f t h eb o i l e rc h a r g e ，a n dt h ef e e d f o r w a r d - - f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mi sa d o p t e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r ec h a n g ew h i c hi sb r o u g h tb y f e e d w a t e ri n t e r f e r e i nt h e d i s s e r t a t i o n , t h ec o m p u t e r c o n t r o la n dt h e o p e r a t i o n a l s c h e m eo ft h e t h e r m o m e c h a n i c a ld e a e r a t o ra p p l i e dt ot h ei n d u s t r i a lb o i l e ri s p r e s e n t e d ak i n do f i m p r o v e dp i dc o n t r o la l g o r i t h ma n dd i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n o l o g yi sa d o p t e d t oe n s u r et h e s y s t a n s t ：a b l va n d r e l i a b i l i t y t h ei n d u s t r i a lc o m p u t e r a n dt h ep cb u si n t e r f a c ei sa d o p t e dt o c a r r y o u t e v e r yc o n t r o l l i n gp r o c e s s e se a s i l y i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h et r a n s f e rf u n c t i o no f c o n t r o ld u c ta n dp c i r l r b a n c ed u c ti sf i g u r e d o u tb yl o g i c a lh y p o t h e s i s ，a n dt h et r a n s f e rf u n c t i o no ff e e d f o r w a r di sf i g u r e do u tb y a b s o l u t ei n v a r i a n c ep r i n c i p l e ，s ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m o f t h et h e r m o m e c h a n i c a ld e a e h l t o fi ss e tu p e a c hi m r a n l e t e ro f t h ec o n t r o l l e ri sf i g u r e do u t b yr r s er u l e t h em 棚a bl a n g u a g ea n ds i m u l i n k t o o l b o xi sa d o p t e dt op r o c e s s s i m u l a d o nm o d e lo ft h et e m p e r a t u r ec o i i f f o ls y s t e mo ft h et h e r m o m e c h a n i c a ld c a c r a t o r , t 0 a t a i nt h es i m u l a t e i n gc u n 髑o f t e m p e r a t u r e sd y m m i cr e s p o n s ea n d t os i m u l a t er o b u s t n e s s t ot h es y s t e mb yt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n t r o lp a r a m e t e r s 1 1 1 er e s u l ti ss h o w st h a t t h es y s t e m 啪t a k eo ns u p e r i o rc o n t r o lq u a l i t yt os a t i e s f yt h et h e r m o m e c h a n i c a ld b o x i d i z e i nt h eo p e r a t i o nm o d eo fi n d u s t r i a lb o i l e r , a n dp r o v i d et h er e l i a b l yt h e o r e t i c a lf u n d a t i o nt o a c t u a l i z et h es y s t e ml a t e x t h e r e f o r e ，t h es y s t e mo b ns o l v et h ed e o x i d i z ep r o b l e mo ft h e i n d u s t r i a lb o i l e r , 明1 h a n s t a b i f i t ya n ds e c u r i t yo f t h ei n d u s t r i a lb o i l e r ，a n dt a k eo ns u p e r i o r e c o n o m i ca n ds o c i e t a lb e n e f i t s k e w o r d s ：f e e d f o r w a r d - - f e e d b a c kc o n t r o l ，c o n t r o la l g o r i t h m ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ei n d u s t r i a lb o i l e r , t h et h e r m o m e c h a n i c a ld e a e r a t o r 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 热力除氧器是锅炉的主要辅机之一。要保证锅炉安全、正常的运行，不使工艺过 程遭受破坏，即在正常使用年限内，锅炉不致因腐蚀过于剧烈而引起机械强度的过大 损失而不安全，或腐蚀产物过多而引使水循环发生故障，锅炉的给水除氧就显得十分 关键。 热力除氧器用在电站锅炉上是一项非常成熟的技术。电站锅炉的运行方式是连续 性的，负荷、汽压变动范围较小，其控制系统运行平稳，具有较好的控制品质。然而， 热力除氧器应用到工业锅炉上就矛盾重重，工业锅炉其运行方式多种多样，间断性时 开时停、负荷忽高忽低、汽压忽上忽下，除氧器内温度、压力的变化范围较大。现有 的除氧器控制系统不能适应锅炉负荷频繁的变化，经常失灵而不能正常使用，目前， 国内能正常使用工业锅炉热力除氧器的用户很少。 工业锅炉熟力除氧器不能正常运行是使用工业锅炉的工厂企业最感头疼的问题， 许多工程技术人员经过多年的实践研究，提出了多种解决方案，但没有得到真正的解 决。为此我们提出了一套全新的解决方案，并且重新设计了控制系统，以解决工程中 这较为棘手问题。 1 1 1 工业锅炉热力除氯器控制系统的现状 热力除氧器除氧效果的好坏，最主要的因素，是调节进汽量和给水量，保持除氧 器汽压、水温稳定。若进汽量调节不当，蒸汽不足，除氧器内汽压降低，温度降低， 则除氧效果变坏；进汽过多，汽压过高，则将水封装置中的水冲出，而排出蒸汽，造 成损失。若除氧器的负荷突然增加，也会造成水稳下降，而影响除氧效果。 ( 1 ) 给水流量的调节 现有的热力除氧器采用液位控制( 如图1 1 ) 来满足锅炉负荷的变化。锅炉负荷 的变化引起了除氧水箱的出水流量的变化，引起了除氧水箱的水位变化，现有系统通 过水位调节器来调节流入热力除氧器的回水及软水的流量，保持除氧水箱内水位的稳 定。但由于工业锅炉的负荷波动较大，现有的水位调节器经常失灵而不能使用。 常用对策：将水位调节器拆除，改成靠溢流来保持除氧水箱水位的稳定，因此除 氧水箱的水位仅有上限，锅炉负荷波动较大时，其可靠性较差，除氧水箱内的温度 无法满足除氧工艺的要求；同时软水基本上都流入热力除氧器，然后溢流至回水箱， 而软水的含氧量比回水大，因此除氧器的除氧效果就大为降低。 第一章绪论 ( 2 ) 进汽流量的调节 热力除氧器通过对除 氧器内汽压的控制来满足 除氧器对除氧温度的要 求。当锅炉负荷波动范围 不大时，除氧头内的汽压 与温度的变化几乎成线性 关系，因此通过控制除氧 头内的汽压能够达到控制 除氧温度的目的。而当锅 炉负荷急剧波动时，除氧 图1 1 除氧器液位压力控制系统 头内的汽压与温度的变化成非线性关系，如：锅炉负荷急剧上升时，除氧器给水大量 增加，除氧头内的温度急剧下降，而除氧头内汽压的变化不大。因此工业锅炉热力除 氧器仅控制汽压的变化是很难将除氧器内的温度控制在规定范围内。 ( 3 ) 威孚公司目前采用单回路的控制系统( 如图1 1 ) 来控制影响除氧效果的主要 参数一除氧器内的温度。我们知道除氧系统管路及除氧器本身比较复杂，其动态特 性较难确定。当锅炉负荷急剧变化时，该系统的主要干扰给水流量产生较大的变化， 而该系统的被调参数一除氧器内的温度尚未变化，蒸汽调节阔是不会产生调节作用 的。由于偏差是在干扰作用之后才产生，控制作用往往不及时，使得温度产生较大的 偏差，且偏差时间也较长。因此，工业锅炉热力除氧器的除氧效果往往很差。 1 1 2 适用千工业锅炉的热力除氯器控制系统设计思路 针对工业锅炉热力除氧器及其控制系统的特点，我们可以从下面几个方面来设计 研究热力除氧器的控制系统，以提高系统的控制品质，提高除氧器的除氧效果。 ( 1 ) 在工业锅炉的运行工况下，除氧系统的主要扰动一给水流量的波动大而频繁， 导致系统的控制品质非常之差，甚至于失控。唯一的方法是减少给水流量的波动频率， 减小给水流量的波动范围。 无锡威孚公司的用汽规律如表1 1 所示，从图中可以看出用汽量即锅炉负荷在某 一时间段内稳定不变的。为了减少给水流量的波动频率，可以采取程序控制的方法来 保持给水流量在某一时间段内稳定不变。同时，采用水量调节器来缓冲锅炉负荷的变 化丽引起的除氧水箱内的液位变化，当锅炉负荷小于除氧器负荷时，水量调节器能容 2 第一章绪论 纳多余的除氧水，反之能够补充除 氧器的供水，使除氧器能以预先给 定的负荷工作，不受锅炉负荷波动 的影响，使除氧器处于最佳工作状 态，起到良好的除氧效果。 ( 2 ) 采用温度控制系统来替代 压力控制系统，更好的满足热力除 氧工艺对温度的要求。通过分析计 表卜1 时间锅炉负荷( t h ) 7 ：1 5 8 ：3 04 8 ：3 0 l l ：0 09 5 1 1 ：o o 1 2 ：0 03 5 1 2 ：0 0 1 5 ：0 05 1 5 ：0 0 1 6 ：0 05 5 1 6 ：o o 2 4 ：0 0l 2 4 ：0 0 7 ：1 51 2 5 算，我们得到了以下结论，只要除氧器内的温度不超过1 0 7 ，除氧器的压力就不会 超过最大许用压力。因此，我们将温度的控制范围设定在1 0 4 3 。 ( 3 ) 除氧器内的主要干扰是给水干扰，其扰动幅值大而频繁、对被调参数影响较大、 反馈控制难于达到除氧工艺的要求，采用简单回路的控制系统通常不能满足除氧工艺 的要求。因此，我们采用复合控制系统来控制除氧器内的温度，并且按绝对不变性原 则进行设计，使得除氧器温控系统具有较好的控制品质。 1 2 本课题的设计研究任务 本课题主要讨论工业锅炉热力除氧器的温度控制系统。在满足经济性、实用性、 科学性的条件下设计一套稳定可靠热力除氧器的温度控制系统，适用于工业锅炉，将 除氧器内的温度稳定在1 0 4 x 2 左右，使除氧系统能起到良好的除氧效果。 ( 1 ) 确立热力除氧器的控制方案。对工业锅炉来说，除氧器的给水干扰幅值大而频 繁，对除氧器内的温度影响较大，简单回路的反馈控制系统难于达到除氧工艺的要求， 因此考虑采用前馈控制系统。 ( 2 ) 根据除氧系统的特点，选定各测量控制仪表，分析研究测量变送环节对除氧器 温控系统的影响。 ( 3 ) 设计一套计算机控制系统来控制除氧器内的温度。 “) 建立除氧器温控系统的动态数学模型，对控制系统进行整定计算。 ( 5 ) 利用m a t l a b 数值计算可视化软件及s i m u l i n k 仿真软件对除氧器温控系统 进行计算机仿真和动态响应曲线分析，同时分析和评价其动态性能。 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 2 1 控制方案的确立 工业锅炉一般的运行工况是负荷频繁宽幅的波动，其除氧系统的负荷亦随之宽幅 的波动，即除氧器的给水扰动幅值大丽频繁。而给水扰动对除氧器内的温度有较大的 影响，导致现有除氧器自控系统的控制品质较差，无法满足热力除氧器的除氧工艺要 求。 因此我们采用了如下控制方案： ( 1 ) 程序控制 程序控制的任务是对除氧头给水流量、除氧水箱的辅助进汽流量按一定的时间顺 序给定( 见表2 - 1 、表2 2 ) 。 为了减少给水的频繁宽 幅的波动，对给水流量进行尸气豪i i 蓊i 百面_ 丁i 忑琢趸两面蠢r 石西= i _ 爵了 程序控制，即在某一时间段广了西i i 百丁1 磊1 内给水流量是恒定不变的， i 1 6 ：0 0 2 4 ：0 0 l 1 0 2 5 i 而锅炉负荷变化引起的对l 2 4 ：0 0 7 ：15 1 0 i 供水需求变化是通过水量表2 2 调节器来调节的。该系统对l 除氧水箱进汽时间 l 除氧水箱进汽流量( 吨孙时) i 给水流量按一定的时间程i 7 ：1 5 7 ：4 0 l 2 i 序给定，即根据使用单位的l 7 ：4 0 1 6 ：0 0 7 ：4 0 j 0 j 生产特点，锅炉负荷的变化 规律，合理均衡的安排给水流量。并且可以通过生产过程中规律负荷的实际情况，设 定给水流量的大小、时间段及起至时阎等工艺参数。使得除氧器内的温度变得容易控 制。 ( 2 ) 除氧器温度控制 除氧器温度控制的基本任务是在工业锅炉负荷宽幅波动，除氧器给水流量扰动的 因素作用下，将除氧器内的温度控制在1 0 4 左右，从而满足热力除氧器除氧工艺的 要求，使工业锅炉安全、平稳的运行。 般来说，在扰动幅值大而频繁，对被调参数影响较大，反馈控制难于达到工艺 要求的场合，通常采用复合控制系统即前馈控制系统来提高系统的控制品质。因此， 在控制除氧器内的温度时，采用前馈一反馈控制系统，如图2 一l 所示。除氧器内的温 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 度为主信号，给水流量为前馈信号。 除氧器的温度是通过进汽调节阀i 来调节的，其调节过程如下：当锅炉负荷宽幅 波动引起除氧器给水流量宽幅波动时，给水流量信号的引入起着超前调节的作用( 即 前馈调节) 。它在除氧器内的温度、压力还未出现波动时，提前使进汽调节阀i 动作， 从丽减少了给水流量的波动而引起的温度的变化。当给水流量增加时，给水流量变化 产生的模拟信号通过前馈调节器的运算，输出控制信号，使进汽调节阀i 开大，增加 蒸汽流量，抵消了给水流量的增加引起的温度的下降；若此时出现温度的下降，温度 变送器的输出信号，经过温度调节器的运算，输出控制信号，共同加大蒸汽调节阀的 开度，迅速消除除氧头内温度的变化，使除氧头内的温度迅速向给定值靠拢。直到给 水流量与进汽流最达到平衡，除氧器内的温度回到1 0 4 c 为止。同样，当给水流量减 少时，该系统也能迅速达到给水流量与进汽流量的平衡，使除氧器内的温度回到1 0 4 。 出水阀 图2 - 1 热力除氧器温控系统方案图 其中：t e 一温度传感器；t t 温度变送器；t c 一温度控制器：一加法器：f c l 一 前馈控制器；f t 2 、f t 3 、f t 4 一流量变送器；f c 2 、t c 3 、f c 4 一流量控制器。 5 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 该自控系统的主要特点是：在某一时间段内，给水流量按给定值保持不变，控制 系统主要克服系统的内扰，控制比较平稳；当给水流量按给定程序阶跃变化时，前馈 调节系统能迅速改变迸汽流量的大小，在较短的时间内将温度控制在1 0 4 c 。因此， 能够保证除氧系统具有良好的控制品质。 2 2 除氧器温控系统的工程设计 2 2 1 除氧器的自控系统由下图表示： 图2 - 2 除氧器自控系统图 6 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 2 2 2 除氧器自控功能由下图表示 除氧器水温给水流量进汽流量进汽流量i 进汽阀i 给水阀进汽阀i i出水阀 热t e 电阻1 l 孔板ij l 孔板 1 孔板i 3 0 1 ll r _ jl r _ jl t 二= = _ j liil l 南肉南南一；i i ；订 n丸i|乜 亍li亍1 l亍 器j 器j 器j 器j 罢j】譬j j导j 导 j t t 3 0 1 ij f t 3 0 2 j1 f t 3 0 3 |j f t1 0 4 l陋t z3 0 1 i i f z ：3 0 2 i f z3 0 9 f z ：旧4 南声南声 剧剧剧幽 _ 一i上一j r t i p c4 8 6 工控机f “1 一l ijl1jl 1 o 丁ir1r l 南 雨南 南 f 服ff 服 斟斟斟副 键 计| l 显打 算 i 不 印 杌i 盘 l 器机 电1 源 工十工十工十工 弋 i 操 l 。磊u 操情 交流电源2 2 0 vj 作l 作i 作1 作 j 器 h 高。 一器 广一器 t k 3 0 1ff f k 3 0 3li f k 3 0 4 迸汽阀i给水阀进汽阀i i出水阀 图2 - 3 除氧器自控功能图 7 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 2 2 3 仪表的选型 为了确保除氧器自动控制的实现及控制系统高品质的运行，不仅要有正确的测量 和控制方案，而且还需要正确的选择和使用自动化仪表。除氧器温控系统采用的主要 检测传感仪表及调节阀如表2 - 3 所示。 表2 - 3 自控设备表 仪表安装操作条件 检测点名称仪表名称及型号规格 位号地点介质温度流量( 吨h ) 3 0 1 除氧器温度铂热电阻w z p 一4 3 0 p t l 0 0 除氧器中部水、蒸汽 1 0 - - 1 5 0 3 0 l温度变送：器d b w - - 4 2 4 0 b2 0 0 2 5 枷 3 0 l 电动执行机构z k z 一3 1 0 c 3 0 1 调节润”直通单座阀 d n l 2 5 蒸汽 1 2 0 3 0 2 给水流量标准节流元件孔板 d 给水管水1 0 q o c o 75 3 0 2 矢量差压变送器 o 一1 5 k p a 2 5 删 d b c 一3 1 2 a 一, - 4 】o k p a 3 0 2给水调节网电动执行机构z k z 一3 1 0 c 3 0 2调节周v p 直通单座阀 d n 6 5 水 o 3 0 3 0 3 辅助蒸汽进汽流量标准节流元件一孔扳 d n 8 0 辅助进汽管蒸汽1 2 0 o 2 3 0 3 矢量差压变送罂 o 1 5 k p a 甾棚 d b c 一3 1 2 a 一, - 6 0 k p a 3 0 3 辅助蒸汽调节润电动执行机构z k z 一3 1 0 c 3 0 3 调节阀v p 直通单座阀 m q 8 0 水 o 一3 0 c 3 似 蒸汽主进汽流量标准节流元件孔板 d n l 2 5 主进汽管蒸汽 1 2 0 o - - i2 9 3 0 4 出水调节闽电动执行机构脒z 一3 1 0 c 调节阀v p 直通单座阏 埘5水肌3 0 2 2 3 1 温度的测量与变送 除氧器内的温度一般不会超过o 2 0 0 ，因此采用p t l 0 0 铂热电阻。其特点是精 度高、性能可靠、抗氧化性好、物理化学性能稳定，输出的电阻信号便于远距离显示 或传送信号。 在0 8 5 0 c 范围内铂电阻与温度的关系为： r t = r o 【l + a t + b 饲 ( 2 1 ) 8 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 式中r 、r o t 和o 时的电阻值： a 、卜常数，a = 3 9 0 8 0 2 x 1 0 3i ： b = - - 5 8 0 1 9 5 1 0 41 2 ： 为了减小系统的动态误差，提高系统的控制品质，热电阻响应时间常数t 选用 1 0 s 级，这同时也为了改善被控对象的动态特性，使t t 尽可能小一些。 除氧器温度变送器采用d b w - - 4 2 4 0 b 热电阻温度变送器，测量范围0 2 0 0 c 。 变送器采用两线制直接式直流放大线路，它包括：高精度稳压源、高稳定度恒流源、 电桥、低漂移商增益运算放大器、功率放大器、反馈及量程以及滤波网络等七个部分。 受输出信号下限影响 4 m ap c ) 】，一般没有线形校正电路，因此该变送器的输出只与 电阻变化值r 成正比。 2 2 3 2 给水流量测量与变送 给水流量测量采用标准节流元件一孔板；流量变送器采用d b c 一3 1 2 a 一矢量 差压变送器，其工作原理如图2 _ 4 所示。 其中h 一差动变压器的输出 变化；f 4 一作用力；f f 一反馈力； p 一差压：s 一位移。 该变送器采用了4 2 0 m ad c 的信号制，构成了二线制变送器，同 时2 4 v 的电源供电提高了安全性。变 送器量程调整方便，可采用更换动圈 抽头和改变矢量角的办法调整量程， 且在矢量机构上附有自锁装置。变送 位 f 4 口 差移 叫副i a s动u检 i o4 | 杠卜_ 一 变测 例 压 放 罂 大 器 反 馈 蔷l 图2 - 4 变送器原理框图 器采用了较先进的固定支点的矢量机构，具有较高的可靠性和稳定性。 2 2 3 3 过程控制仪表 除氧器温控系统的过程控制由工业过程控制计算机实现，工控机的主要特点是： 1 可靠性高。因为工控机通常是控制连续生产过程，而一般的生产工艺是不允 许经常停机检修的，所以，必须采用安全措施以确保平均无故障时间达到几千甚至几 万小时。 2 实时响应性好。为了即时对付被控对象随时发生的事态，并保持诸多数据的同 时性，要求工控机在某一限定的时间内必须完成规定处理的工作。因此，必须具有实 9 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 时时钟和完善的中断系统。 3 环境适应强。工业现场干扰大，还有腐蚀、振动、灰尘等恶劣环境。因此，要 求工控机采取防尘、防腐、防振、抗干扰等措施。对温度的变化适应范围要宽。 4 系统的配套性好。工控机要求配套各种类型的i o 过程通道设备，如模拟量输 入、输出设备，数字量输入、输出设备，脉冲量输入、输出设备等。还要求配备各种 外部设备，如c r t 终端、操作台、打印机、外部存贮器和专用的控制键盘等。使人一 机对话十分灵活且方便。 5 系统可扩性好。生产过程控制规律往往分期扩大，要求工控机具有灵活可扩性， 做到一机在手，分期投入的效果。 6 软件功能强。具有实时操作系统和控制软件包，以及建立必要的数学模型。在 功能上有较强的实时响应性，有灵活多样的输入、输出方式，在线联机修改能力，有 一定的诊断和自恢复能力。 7 系统通信能力强。为了构成分布式管理和集散型控制系统，要求具有较强的通 信能力，以构成较大规模的控制系统。 8 后备措施齐全。包括供电后备，手动自动切换，存贮断电保护，以及建立冗 余后备和双工系统。 工业用计算机控制系统与它所控制的生产过程的复杂程度密切相关，不同的控制 对象和不同的要求，就有不同的控制方案。除氧器温控系统的计算机控制方案将在第 三章中讨论。 2 3 执行器的选择及研究 执行器有执行机构和调节机构两部分构成。执行机构把控制器的输出信号转换成 角位移或直线位移；调节结构把角位移或直线位移转换成流通面积的变化，从而改变 控制变量的数值。常用的调节机构有各种阀门和挡板，在除氧器稳控系统中采用调节 阀门。 2 3 1 执行机构的选择 除氧器温控系统的给水调节阀与进汽阀均采用z k z 一3 1 0 c 直行程电动执行机构。 电动执行机构接收工控机传来的4 2 0 m a 电流信号，通过电动机的正、反转产生推杆 的直行程。由于输入电流信号功率小，不可能驱动电动机转动，所以配备功率放大器， 构成一个以行程为被调参数的自动调节系统，如图2 - 4 所示。 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 室内现场 开关 输入信号 手 l 正反转电流厂_ ：二 ，由枷 一 4 2 0 m a一吲坠i 自 【一口lr 手。 、，：、 l j 品1 速 自弋= 7 4 2 0 m a 反馈 器 i 图2 - 5 电动执行机构的系统的组成 该执行机构实际上是一个整套系统，包括信号比较、功率放大、单相低速同步电 动机、减速传动机构和位置反馈电路等几部分组成。前两部分集中在伺服放大器中， 安装在室内；后三部分集中在执行机构中，安装在现场。 2 3 2 调节阀的选择 1 调节阀的结构形式 热力除氧器给水阀、进水阀及进汽阀均采用v p 直通单座阀。 2 调节阀的流量特性 调节阀的流量特性是：在阀前后压差恒定的条件下，流经调节阀的相对流量与阀 杆相对行程( 开度) 之间的关系，即 n， 暑s ，( 习 ( 2 2 ) 式中q 一流量； q 。一阀门全开流量： l 一行程； l 一阀杆的全行程。 其特性是有阀芯阀座 形状决定的，是调节机构 的固有性能。图2 5 所示 的是直通单座阀柱塞形阀 芯的形状与流量特性的关 系。 由于除氧器给水及进 汽管道系统的压力损失较 1 0 0 舶 s 6 0 曼 暑m 勿 ，。j 丘 乙 i， f r j ， | 眨二 02 0 4 0 6 0 8 01 0 0 l l ( 呦 ( a ) 调节阀的理想流量特性( b ) 不同流量特性的阁芯形状 图2 - 6 调节阀理想流量特性及其阀芯形状 卜快开；2 一直线：3 一抛物线；4 一等百分比 第二章工业锅炉热力除氧器温控系统 大，给水阀与进汽阀的可调范围要求大。开度变化及阀上压差变化相对较大，因此宜 害吲占 阻。， 黑：尺 1 ( 2 - 4 ) 0 1 0 0 在实际工作中，阀门两端压降是随流量变化而变化的，这时的流量特性称为工作 流量特性。如果系统总压降( a pa ) 不随阀的开度变化，则阀开度l o o 时的阀上压 s ：竺坐 廿急 ( 2 5 ) 阀阻比表示了这段管道和阀的阻力配置情况，其取值范围为o s l 。 在调节阀与阻力管道相串联的情况下，增大调节阀的开度，流量会有所增加，但 同时会导致管道上压损的增大，阀前后压差也会相应地减小。压差的减小又会对流量 造成影响，所以这时的流量与开度的关系( 即工作流量特性) 与理想流量特性不同。 设理想流量特性函数为f ，阀的阻力系数受开度控制，但管道阻力系数是常数。 可以证明，工作流量特性如下： 将等百分比的函数形式( 2 4 ) 得到不同s 值下的工作流量特性如图 2 7 所示。 s = l 时工作流量特性就是理想流 量特性，阀前后压差始终等于系统总 压差；当s 1 时，工作流量特性对 照理想流量特性发生畸变，s 越小， 巧 “ z 二一 上 。一 lli 0 3 0 4 k n ，1 l ，= nr 与、 j 一k o ( v - o 9 5 ) 、 、z ? 、 0 2 0 2 一 2 ， 、 0 i 0 一 、 ，k ( 1 l r = o 8 5 ) i k ( _ i l r = 0 9 5 ) 7 nn 图3 - 4p i d 控制器整定曲线 k p 控制器比例部分：t i 书! 制器积分时间常数 t d - 啦制器微分时间常数：k 厂馓分放大系数 1 | 1 2 3 一墨三兰丝型墨丝堡型壅皇墨鳖塞生墨 除氧系统的迟延时间t = 3 7 s ，广义时间常数t a = 1 7 s ，放大系数k o = 9 4 由图3 - 4 查得： = o 0 2 ；巧= o 0 8 ；如= 2 3 5 ；k = 1 0 9 由此可得控制器的参数为 k p - 控制器比例部分j 0 = 1 1 6 t i _ - 空制器积分时间 z ：1 2 7 8 t d - 璇制器微分时间 乃：0 3 4 啪制器微分增益 k 。：4 2 5 即控制器传递函数为 g ( 加1 1 6 + 志+ 丽4 2 5 s ( 3 一1 6 ) 2 4 第四章热力除氧器计算机控制 第四章热力除氧器计算机控制 4 1 运行控制方案 实行两级计算机控制方案。d d c 级直接用于热力除氧器温控系统的控制，主要 进行p i d 等各种直接数字控制，数据采集，监视报警等；s c c 级计算机主要对除氧器 给水流量、除氧水箱辅助进汽流量进行程序控制，即按给定的时间函数改变除氧器流 量控制部分的给定值，合理均衡地分配除氧器的给水流量，同时，指挥d d c 级工作， 调整d d c 级计算公式等。其控制运行过程如图4 1 所示 显示、 打印机输出 s c c 级计算机 除氧器工作过程热工 参数状态检测系统 除 氧 器 温 度 变送器 给 水 流 量 进 汽 流 量 i 除氧器工作过程 进 汽 流 量 肋c 级计算机 除氧器工作过程 状态控制系统 信号放大 i 操作器 l 执行机构 f 矾 稠| | 进 汽 阀 门 图4 - 1 热力除氧器计算机运行控制图 完成功能： 1 除氧器正常运行工况下监控、运行参数检测、定时纪录运行参数、报表输出、 工况计算和最佳控制。通过一定的数学模型，根据运行参数确定控制方案，进行最优 控制。 2 调整除氧器的运行负荷，即给水流量变化的时间函数，满足不同季节锅炉负荷 的变化；根据检测到的各种信号及程序执行中断情况，可自动进入故障分析程序，进