发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 过程控制过程控制 课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目： 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统设计发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统设计 院（系）：院（系）： 电气工程学院电气工程学院 专业班级：专业班级： 自动化自动化093093 学学 号：号： 090302075090302075 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号090302075 学生姓名专业班级自动化093 课程设计 （论文） 题目 发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数 进度计划 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘 要 本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉过热蒸 汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。所以本设计采用串级控制系 统，这样可以极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统能在一个较为 良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护 过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 在本设计用到串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象 为减温器和过热器之间的蒸汽温度。通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽 温度的目的 关键词：串级控制系统 ；过热蒸汽温度；温度控制； 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论.1 第 2 章 生产工艺概述.2 2.2 过热器的介绍.3 2.3 过热蒸汽温度控制对象的动态特性.4 第 3 章 过热蒸汽温度控制原理简介.10 3.1 简单蒸汽温度控制系统.10 3.2 复杂蒸汽温度控制系统.11 3.3 采用串级调节系统的条件.11 3.4 串级控制系统的特点.13 第 4 章 过热蒸汽温度控制系统的设计.15 4.1 系统控制参数的确定.15 4.1.1 主变量的选择.15 4.1.2 副变量的选择.15 4.1.3 操纵变量的选择.15 4.2 执行器的选择.16 4.3 控制仪表的选择.16 4.3.1 温度变送器的选择.16 4.3.2 温度传感器的选择.16 4.4 主、副控制器控制规律的选择.17 4.5 控制器正、反作用选择.17 第 5 章 系统仿真.18 5.1 串级控制系统MATLAB仿真分析 .18 5.2 蒸汽温度控制系统仿真分析.19 第 6 章 总结.22 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 蒸汽温度是锅炉安全 高效 经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求 严格。过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而 毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境 恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复 杂，效率比较低，而且可靠性也不高。 本次课设设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系 统包括一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热汽和 再热蒸汽温度的的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济 运行时非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范 围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超允许的工作温度。 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度的最高点，过热蒸汽温度过高或是过 低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下 降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值 的暂时偏差不超过+-10 摄氏度，长期偏差不超过+-5 摄氏度。 如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的 蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。据估计，温度每降低 5 摄氏度，热经济性将下降 约 1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽 轮机的安全运行。一般规定过热气温下限不低于其额定值 10 摄氏度。通常，高 参数电厂都要求保持过热汽温在 540 摄氏度的范围内。 由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以 下两个方面： 1 由于过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求 存在很多矛盾，所以影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽量、减温水给水量、 烟气侧的过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。 2 随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和 惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。 本科生课程设计（论文） 2 第 2 章 生产工艺概述 2.1 锅炉生产工艺介绍 锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可提供生产过 程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用 的燃料的种类、燃烧设备、锅体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有 各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图 1.1 所示 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，生产 饱和蒸汽 Ds，然后经过过热器成一定气温的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管。压力 为 Pm 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 中产生烟气，将饱和的蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后 经引风机送往烟筒排入大气。 锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽， 同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如 下主要的控制系统： a) 锅炉气包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积 水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内； b)锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要求满足燃烧所产生的热量，适应 蒸汽负荷的需要，使燃烧与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉 的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围； c)过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度在保持在允许范围内， 并保证管壁温度不超过工艺允许范围； d) 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。 本科生课程设计（论文） 3 图 1.1 锅炉设备主要工艺流程 2.2 过热器的介绍 过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。过热 器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力，蒸发量、刚才的耐高温性能及 燃料与刚才的比价等因素，对电站锅炉来说，低压锅炉的温度一般为 350375 摄 氏度，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在 700 摄氏度上下， 中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热汽温为 450 摄氏度，这时的炉膛辐 射传热的烟温可达 1000 摄氏度左右。高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水的热 量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，这 时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。 为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要 求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影响 汽轮机的安全。但蒸汽温度的增高需受到过热器刚才高湿强度性能的限制，因而 采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置 在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继 续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许的范围内。超高压 机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高 68%，在实际设备中，由 本科生课程设计（论文） 4 于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。 由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢 和各种铬合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管子 承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆 裂等事故。 2.3 过热蒸汽温度控制对象的动态特性 过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温 之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工 况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的 温度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素还 可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流 量变化(负荷变化)，加热烟气的热量变化和减温水流量变化(过热器入口汽温变 化)。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对 象动态特性。 1 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的 原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形 式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅 炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎 同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几 乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为： (21) 式中： K棚炉负荷扰动时被控对象的放大系数； T一负荷扰动后对象的滞后时间； TD_对象的时间常数。 从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延 迟和惯性都比较小，即时间常数TD和滞后时间T都比较小，且T几较小。动 态特性曲线如图 2。 本科生课程设计（论文） 5 图2锅炉负荷扰动下过热器出口汽温的阶跃响应曲线 2烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性 烟气传热量扰动引起的原因很多，如给粉机给粉不均匀、煤中水分改变、蒸 发受热面结渣、过剩空气系数改变、汽包给水温度变化、燃烧火炽中心位置改变 等。当烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化 也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变 化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影 响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度， 故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一 个二阶系统，即： 式中：o。为烟气温度 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3所示。 本科生课程设计（论文） 6 图 3 烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 2过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 3减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性 常见的减温方式有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。 减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段；另一方面 又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比， 延迟时间能减小14。当减温水流量扰动时，改变了高温过热器入口汽温，从而 影响了过热器出口汽温。在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，喷水量扰动是系 统的基本扰动。从喷水减温的工艺过程可知，以喷水量为输入，过热蒸汽温度为 输出，对象具有分布参数的特性，即管内的蒸汽和管壁可视为众多的单容对象串 联组成的多容对象，喷水量的变化必须通过这些单容对象，才能影响到过热器出 口蒸汽温度。由于大型锅炉的过热器管路很长，减温水流量扰动时，汽温的反应 是较慢的。因此，与蒸汽量扰动和烟气传热量扰动的情况相比，减温水流量扰动 时，汽温的反应比较慢，对象具有大得多的惯性和延迟，这是此对象难以控制的 原因。其动态特性曲线如图4所示。从图中可以看出，其特点也是有迟延、有惯 性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水 流量扰动时，汽温反应较慢。 本科生课程设计（论文） 7 对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间r=30- 60s， 时间常数 TolOOs，而当烟气侧扰动时 f1020s，ZlOOs 图 4 减温水扰动下过热器出 IZl 汽温的阶跃响应曲线 由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温0 l的响应比过热器 出121汽温0 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0l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： 式中： Kl一减温水流量扰动下导前汽温的放大系数； Tl一为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数； n1一阶数； 在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为 本科生课程设计（论文） 8 式中： l甜一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数； To_为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数； nor阶数： 对象惰性区的传递函数可表示为： 2 过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 式中： K2减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数； T2一为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数； 112-一阶数； 由于惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的Kl、 Tl、111和硒、T o、no来求取，计算公式如下： 本科生课程设计（论文） 9 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(T， p)有较大的差别 本科生课程设计（论文） 10 第 3 章 过热蒸汽温度控制原理简介 过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了 使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置 在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃 料性质变化而引起的气温变化，为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热 器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前， 这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。温度器共有四只，每级安装 两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源为自制冷凝水。目前，过热汽 温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断 发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温 控制系统有两种：单回路控制系统和串级气温控制系统。 3.1 简单蒸汽温度控制系统 简单回路控制蒸汽温度系统主要由调节器和控制对象组成。它们的特性将决 定控制系统的控制质量，因此讨论控制对象的特征参数和调节器的调节参数对控 制质量的影响是非常必要的。对象动态特性是确定系统结构、调节器的控制规律、 设置调节器参数的依据，那么根据对象动态特性和生产过程对控制质量的要求， 确定调节参数的数值是控制系统投入前要做的一项重要工作。当然控制系统设计 是否合理、控制仪表的安装和调试是否正确等是控制系统能否使用的保障。简单 控制回路的结构示意图如图5所示： 从图5可知该系统主要由被控对象过热器管道，执行机构气动喷水 阀门(执行器)，检测变送部件热电偶或温度变送器，控制系统核心部件 本科生课程设计（论文） 11 控制器(调节器)组成。其中，被调量(测量值)蒸汽温度，调节量(控制信号 卜喷水流量，干扰信号炉膛燃烧工况。 简单蒸汽温度控制系统原理方框图如图6所示 图6简单控制系统原理方框图 2 过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 当蒸汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，则系统处在动态平衡状 态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化使蒸汽温度上升，造成给定值和测量值产生 偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀 门开大，则减温水流量增大。测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。 3.2 复杂蒸汽温度控制系统 简单控制系统虽然是一种最基本的，使用最广泛的控制系统，但是随着火电 厂锅炉机组越来越向大容量、高参数和高效率的方向发展，生产系统日益复杂、 系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，对于这些复杂较难控制的 过程，控制质量要求很严的参数，简单控制系统就无能为力了。因此，需要改进 控制结构，增加辅助回路或添加其它环节，组成复杂控制系统。目前关于蒸汽温 度控制系统主要有串级控制、前馈控制和多变量解耦等控制，其中最普遍的是串 级控制系统。 3.3 采用串级调节系统的条件 串级调节系统需满足如下两个条件： (1)控制对象可以分段。如图7所示的对象，在物理上可分为两段，两段的传 本科生课程设计（论文） 12 递函数分别为Wol(S)，和W02(S)，整个对象的传递函数为W(S)=WoKS)W02(S)。 其中Wol(S)称作对象的导前区，W02(S)称为对象惰性区. 图7串级系统控制对象方框图 (2)中间信号可测。在图7中，中间信号0 2必须是可以测量的。0 l为被调 量，一般为系统的给定值，火电厂过热蒸汽温度控制系统符合这两个条件。 2 串级调节系统的分析 根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸 汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以减温器出口蒸汽温度为副参数， 主蒸汽温度为主参数的串级控制系统，系统结构如图8所示。 系统中以减温器的喷水为控制手段，在单回路控制主汽温0 l(即将0 1作为 主信号反馈到调节器，由调节器直接去控制阀门开度)的基础上增加一个对减温 水流量变化反应快的中间温度信号0 2作为导前信号，增加一个副调节器，如图8 所示的串级控制信号系统。副调节器根据0 2信号控制减温水阀，如果有某种扰 动，蒸汽温度0 2比0 l提早反映，使扰动引起的0 2波动很快消除，从而使过热 蒸汽温度基本不受影响。热蒸汽温度基本不受影响。 图8主汽温串级控制结构框图 根据在减温水量WB扰动时，过热蒸汽温度0 l有较大的容积迟延。而减温器 出口蒸汽温度0 2比过热蒸汽温度响应快得多，且它的变化又可以预测过热蒸汽 本科生课程设计（论文） 13 温度的变化趋势，有明显的导前作用，故可引入以0 2信号为导前信号。以0l为 被控量信号的串级控制系统，系统对应的原理框图如图9所示。系统中有主、副 两个调节器，主调节器WTl(S)接受过热蒸汽温度信号0 l，用于维持过热蒸汽温 度，使其等于给定值；副调节器WT2(S)接受主调节器的输出信号和减温器出口温 度信号0 2，副调节器的输出控制执行机构Kz的大小，从而控制减温水调节阀门 的开度。从两图中可以以看出：串级过热蒸汽温度控制系统由内、外两个闭合的 控制回路构成。内回路由对象的导前区【W02(S)】 ，导前蒸汽温度变送器Y e2】 ， 副调节器【WT2(S)】 ，执行器Kz】和减温水调节阀(Ku)组成的；外回路(主回路) 由对象的惰性区【Wol(S)，过热蒸汽温度变送器(Y o 1)，主调节器WTl(S)】 ， 以及副回路组成。 2 过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 图9串级过热汽温控制系统原理方框图 3.4 串级控制系统的特点 串级控制系统具有以下特点 (1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力系统的开环放大倍数越大，稳 态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个 优点越显著。 (2)串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系 统的工作频率，当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比例作用 时，串级控制系统由于改善了对象的特性，从而使整个系统的工作频率比单回路 系统的工作频率有所提高，而且当主、副对象特性一定时，副调节器放大倍数越 大，则工频率越高。当主调节器采用其它调节规律时，上述特点也是适用的。这 一特点说明即使在外扰作用下，由于副回路减小了对象的时间常数，使整个系统 本科生课程设计（论文） 14 的工频得以提高，因此仍能改善整个系统过渡过程的品质。 (3)串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主回路是一个定值 系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出，是一个随机变化 的量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器 的给定值，副调节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性，也就 是一种自适应能力。而采用单回路控制统就没有这种随动控制系统的作用。这种 自适应能力可以从系统的稳态偏差上出来，串级控制系统的稳态偏差比单回路控 制系统的稳态误差要小得多，就在于前者具有一定的自适应力。 2.5 串级控制系统主副回路确定 串级控制系统主副回路和主副调节器选择为充分发挥串级控制系统的上述优 点，设计控制系统时，还应当合理选择副回路及主副调节器的规律。主副回路的 选择原则 副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧 烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用保 证主参数的稳定，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统的抗干扰能力；主、 副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工作频 率提高了，但这与主、副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些， 效果好一些。主、副对象之间的动态联系十分紧密。如果在干扰作用下，主、副 参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡更 加剧烈，这就是所谓的“共振效应，显然应力求避免。主、副回路调节器调节 规律的选择原则主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高 的情况下为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可采用比例控制。 要求主参数波动范围很小，且不允许有余差(稳态误差)，此时副调节器可采用比 例控制主调节器采用比例积分或比例积分微分控制。 再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节器为主导， 保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，互相配合，若干扰来 自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再进一步进行细调。相对于过于简 单的单回路控制系统，串级控制系统的控制质量明显优越。具体体现在： 1 由于副回路的存在没减少了控制对象的时间常数，缩短了控制通道，使控 制作用更加明显； 2 在一定程度上提高了整个系统的工作频率，使振荡周期明显缩短，调节时 间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了； 3 整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服能 力，这是单回路控制系统所不能实现的； 本科生课程设计（论文） 15 4 对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。 综上所述，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。 第 4 章 过热蒸汽温度控制系统的设计 4.1 系统控制参数的确定 4.1.1 主变量的选择 根据串级控制系统选择主变量的原则：在条件允许的情况下，首先应 尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有些单 值对应关系的间接单数作为主变量；最后，所选择的主变量必须足够的变化灵敏 度。所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。该参数可以 直接反映本系统的控制目的。 4.1.2 副变量的选择 副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大， 最强烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特 性的作用，保证主参数的稳定，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参 数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。同时要求主、副对象的时 间常数应适当匹配。且应保证副变量的选择能实现生产工艺上的合理性，可 能性和经济性。 终上所述，应该选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。 4.1.3 操纵变量的选择 控制变量和扰动变量时工业过程的两大输入变量。其中，干扰时刻存在 的，它是影响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服烦扰 的影响，是系统能重新稳定运行的因素，选择操纵变量的基本原则为： 1选择对所选定的被控变量影响较大的舒服变量作为操纵变量； 2在 1 的前提下，选择变化范围较大作为控制变量，以便于控制； 3 在 1 的基础上选择被控制变量作用效应较快的输入变量作为控制变量， 是控制系统响应较快； 本科生课程设计（论文） 16 4综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量。 4.2 执行器的选择 在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大 小和方向，改变阀门的开度，来实现调节流体流量的装置。 调节阀的口径大小，直接决定着控制介质流过他的能力。为了保证系统 有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的 比例。在正常情况下一般要求调节阀开度应处于 15%85%之间，具体应根据实 际需要的流通能力大大小进行选择。 调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节，即以 压缩空气为动力源的气动调节阀，以电动力源的电动调节阀，以液体介质压力 为动力的电液动调节阀；由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。 此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制目的，过热蒸汽在过 热器内与减温水进行热交换被冷却，调节阀安装在减温水的管道上，用换热后 的蒸汽温度来控制减温水的水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安 全些，宜选用气关式调节阀。 4.3 控制仪表的选择 4.3.1 温度变送器的选择 温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动 II 型、III 型。 在串级系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。 电动 II 型、III 型 仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信 号而言是存在差异的。具体变现在：电动 II 型的典型控制信号为 010mADC 动 III 型的典型控制信号是 420mADC。另外，与 II 型仪表相比 操作、维护更为方 便简捷，同时仪表还有较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时 都可以进行转换，而且保证无干扰。综上所述，在本设计中需选用电动 III 型仪 表。 本科生课程设计（论文） 17 4.3.2 温度传感器的选择 温度传感器有热电偶和热电阻两种，在本设计中，最好选用热电偶温 度传感器。原因在于热电偶的测温范围广，耐高温，精度高，结构简单，更 换方便，压簧式感温原件，抗震性能好，可以将热转换为电能，用所产生的 热电势测量温度。 具有采用 K 型热电偶，原因在于： 1K 型热电偶可以直接测量各种生产中从 0 摄氏度到 1300 摄氏度范围的 液体蒸汽和气体介质以及固体的便面温度。 2 K 型热电偶具有线性好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性 好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。 4.4 主、副控制器控制规律的选择 由于在控制系统中，主、副调节器的任务不同，对他们各自的选择也应有不 同的考虑。 主调节器的主要任务是确保被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制 的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调 节器必须具有积分作用，一般都采用 PI 调节器。如果控制对象惰性区的容积 数目较多，同时又有主要扰动落回在副回路以外的话，就可以考虑采用 PID 调节器。 副调节器的任务是要快速动作以消除进入副回路内的扰动，而且副参数 并不要求误差，所以一般都选 P 调节器，也可采用 PD 调