典型工业生产过程的先进控制_第14章.ppt

典型工业生产过程的高级控制，14.1典型生产过程控制，14.1.1电站锅炉过程控制，1、火电厂生产过程，火电厂外观，火电厂最基本的工序是用锅炉生产蒸汽，启动汽轮机发电。汽轮发电机组、锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。它的主要任务是根据负荷设备(汽轮机)的要求供应一定规格(压力、温度、流量和纯度)的蒸汽。其次，以锅炉汽包水位控制、过热蒸汽温度控制、锅炉燃烧控制为例，讨论了他们的控制方案。1-涡轮高压缸；2-涡轮中低压缸；3-鼓；4-无；5-年；6-发电机；7-冷凝器；8-补充物；9-凝结水泵；10-循环水泵；11-低压加热器；12-除氧器；13-给水泵；14-高压加热器；15-供水管理机构；16-脂肪介质；17-过热器；18-减温器；19-汽轮机高压蒸汽调节门；20-再加热装置；21-再生器减温器；22-汽轮机中压调节阀；23-介质思洛存储器；24-燃料控制机构；25-燃烧器；26-鼓风机；27-空气预热器；28-风闸；29-水冷壁管；30-感应风扇；31-年份挡板。14.1.1.1汽包水位调节，1 .控制汽包水位的重要性，在允许范围内控制锅炉汽包水位是锅炉运行的主要指标，也是锅炉提供符合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。2 .汽包水位控制方式，可能的控制方式是以汽包水位为主要控制参数、供水流量为辅助控制参数、蒸汽流量为前馈信号的三冲量前馈-反馈串级控制系统。该控制系统的原因分析如下。(1)单脉冲水位控制系统，汽包水位作为控制参数，将供水流量构成控制参数的单回路控制系统称为单脉冲控制系统。该系统结构简单，设计方便，克服供水自发干扰和负荷干扰的能力不足(假水位问题)，是缺点。即可从workspace页面中移除物件。即可从workspace页面中移除物件。)。(2)双冲量水位调节方案，如果根据蒸汽流量的变化纠正错误水位的误操作，则调节阀动作准确，减少适时赤道的波动，可以提高控制质量。如果使用蒸汽流作为前馈信号，则构成双冲量控制系统。、明显地，与单脉冲水位控制相比，该控制方案控制质量明显改善，但对供水系统的干扰仍然不能有效克服，需要重新引入供水流信号，建立三脉冲串级控制系统。(3)由主、副两个调节器和三个冲量(汽包水位、蒸汽流量、给水流量)组成的三个冲量串级控制方案。其中主调节器是水位调节器，辅助调节器是供水流量调节器，蒸汽流量是前馈信号。汽包水位三冲量串级控制系统流程图、三冲量前馈-反馈串级控制系统在克服虚假水位影响、保持水位稳定性、提高供水控制质量等几个方面优于上述两种控制系统，是现场广泛使用的汽包水位控制程序。14.1.1.2过热蒸汽温度控制，1 .控制要求和工艺特性、过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数，要求保持在5 的范围内。过热蒸汽温度控制系统的控制工作是保持过热器出口温度在允许范围内。蒸汽流量、热水减少、通过过热器的烟气温度和流速等影响过热蒸汽温度的外部因素很多。各种阶跃干涉对过热蒸汽温度的阶跃响应曲线见左图。多个干涉对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线(左图)表明，在各种阶跃干涉下，延迟和惯性大小不同的动态特性有时表示延迟和惯性。，2 .控制变量的选择和控制方案的确定不能用作控制变量，因为蒸汽流量的变化是负荷干涉；如果使用烟侧干扰作为控制变量，锅炉结构复杂，给设计制造带来困难，不能用作控制变量；如果将热水流用作控制变量，则简单易行。问题是温水流和过热蒸汽温度之间的延迟和惯性很大。工艺上，锅炉给水和温水经常一起使用一个总管，会导致微热水减少本身的波动。针对上述现有问题设计了简单的控制系统，不能满足生产工艺要求。为此，需要设计更复杂的控制系统，提高控制质量。一种可能的控制方法是设计级联控制系统，如下图所示。过热蒸汽温度串级控制，为了进一步提高控制质量，还可以配置作为前馈信号的负载干扰前馈-反馈串级控制系统。14.1.1.3锅炉燃烧过程控制，1 .锅炉燃烧过程的控制任务，锅炉燃烧过程的控制任务，必须使燃料产生的热量符合锅炉蒸汽生产的需要，同时保证锅炉安全经济的运行。具体课题可以分为：保持锅炉出口的蒸汽压力稳定。保障燃烧过程的经济性和环境保护要求。保持诺负压不变。确保燃烧过程的安全。燃料、供给和送风量。该控制系统的原则是，如果生产负荷发生变化，燃料、供给和送风量必须同时调整动作，以适应负荷变化，将燃料和送风量调整到一定比例，使炉膛负压保持一定效果。如果生产负荷相对稳定，燃料、供给和送风量也相对稳定，可以迅速消除外部干扰的影响。此外，为了防止因燃油流速过大而导致燃烧器背压过多的“脱火”现象或燃烧器背压过低而引起的“回火”现象，应设计相应的安全保护系统。2 .影响蒸汽压力控制程序、蒸汽压力的外部因素主要是蒸汽负荷的变化和燃料量的变化。在蒸汽负荷和燃料量波动小、燃烧的经济要求不高的情况下，可以采用控制蒸汽压力的简单控制方案；如果燃料量大幅度波动，燃烧经济性高，则应采用燃料量/风量对蒸汽压力的级联/比率控制方法。下图是燃烧过程的两个基本控制程序。在串级/比控制方案中，燃料量随蒸汽负载而变化，因此主动量与空气量(动量)一起形成单个闭环比控制系统，并将燃料量与空气量保持一定比例，以确保燃烧的适当性。燃烧过程的基本控制方案，图(a)所示的基本控制方案，将蒸汽压力调节器PC配置为级联控制的主调节器，输出是燃油流量调节器和空气流量调节器FC的设置值，燃油流量调节器和空气流量调节器配置了自己的辅助电路，以快速克服自干扰。图(b)所示的基本控制系统将蒸汽压力和燃料流配置为级联控制，供给气流随燃料量的变化而变化，从而构成比率控制，从而保证了燃料量和供给气流的比例，但该控制系统的缺点是，负荷变化时，供给气流的变化落后于燃料量的变化，导致燃烧不恰当。下图是燃烧过程的改进控制系统，在蒸汽负荷减少、压力增加时，通过低值选择器LS首先减少燃料量，然后减少空气量。随着蒸汽负荷的增加和压力的减少，您可以首先使用值选择器HS增加空气量，增加燃料量，从而在这两种情况下充分燃烧。，燃烧过程的改进控制系统，3 .燃烧过程的最佳控制体系、液体燃料的过剩风量与能量损失的关系、过剩风量通常用表示实际风量与理论风量之比的过剩空气率来表示。表明这是衡量经济燃烧的直接指标。但是，很难直接测量，因此通过计算可用且烟气中的氧含量、与存在的近似值的关系，计算出的最佳值。例如，的最佳值为1.08到1.15时，可用的最佳值为1.6%到2.9%。因此，烟气的含氧量可以作为衡量经济燃烧的间接指标。在该控制系统中，只要有指定为正常负荷下烟气氧气含量最佳值的氧气含量设置，就可以将过剩空气量稳定为最佳值，确保锅炉燃烧最经济、热效率最高。根据上述分析，在上图控制方案中，如果气流被修改为烟气氧气浓度，则可以配置如下图所示的烟气氧气含量的闭环控制系统。烟气含氧量闭环控制系统，在其他负荷运行时，为了使锅炉始终保持最佳燃烧状态，烟气含氧量的最佳值必须改变，因此需要进一步改进上图的闭环控制系统。蒸汽流和烟气最佳氧气含量之间存在非线性曲线关系，实际使用时可以使用下图所示折线近似。如图所示，负荷减少时，烟气的最佳氧浓度增加。也就是说，过剩的风量增加，反之亦然。将一个折线函数发生器添加到蒸汽流和最佳氧气含量近似关系、烟气含氧量闭环控制系统图中所示的闭环控制系统中，以补偿空气过剩量，并构成下图所示的最佳烟气氧气锅炉燃烧控制系统。具有最佳烟气氧浓度的锅炉燃烧控制系统。该系统在蒸汽流量发生变化时，将该变化的信号由函数生成器更改氧气含量调节器的设置，然后由氧气含量调节器补偿过剩风量，使锅炉燃烧过程在其他负荷下始终处于最佳过剩风量状态。4 .炉负压控制和安全保护控制程序，下图显示了锅炉燃烧过程中的负压和安全保护控制系统。如图所示，控制系统由三个子系统组成。(1)炉负压控制：通常可以通过控制进近气流来实现。(2)防火控制：一般可以使用自动选择性控制方案。(3)防“回火”控制：链条保护控制系统。炉负压控制及安全保护控制系统，14.1.2精馏塔过程控制，蒸馏过程的目的是利用混合液各成分的挥发度分离各组以获得规定纯度。14.1.2.1精馏塔的控制目标及变量分析，1 .控制目标、精馏塔的控制目标一般出现在产品质量、产品产量和能耗三个方面。(1)产品质量蒸馏操作的目的是将各组从混合液中分离到产品中，产品质量必须符合规定要求。(2)产品生产和经济效益任何产品都要以质量保证为前提，最大限度地增加产品的生产，降低成本，最大限度地提高经济效益。2 .变量分析、精馏塔入口、排放流程图、(1)不可控制的干扰：供应流和供应组成的变化是蒸馏过程的主要干扰量。其他干扰，如供应温度、供应焓等，可以通过自控系统保持相对稳定。(2)受控大小和受控量：在精馏塔控制中，控制变量和受控变量之间的配对关系有24种选择。(3)变量对原则：变量在创建对时首先解决产品组件中的变量对问题。14.1.2.2蒸馏塔控制程序，1 .一端的产品质量管理，所谓一端的产品质量管理，只要塔顶产品或塔底产品达到规定的纯度，另一端的产品纯度保持在一定范围内。分为塔产品成分控制和塔底产品成分控制(1)塔顶产品成分控制。例如，在分离甲醇的精馏塔中，其供应是甲醇、甲醛和水的混合液体，工艺必须分离甲醇。甲醇是轻的成分，因此是构成塔顶产品的控制问题。甲醇分馏的参数如下表所示。、根据变量配对的要求，常用的控制系统是用塔产品流控制塔产品成分；使用回流流量控制回流罐液位；塔底产品流控制塔底液位；蒸汽的热水壶(再沸器)使用塔顶产品流量作为控制量，控制自身流量，如下图所示。在这张图中，调节器的输出全部转换为电/气转换后的气压信号，通过气动阀门定位器放大功率，驱动气动薄膜调节阀。使用塔底产品组件控制程序，(2)塔底产品组件控制，确保控制质量；仅对塔产品执行流量控制。用回流控制回流罐水平，用蒸汽量控制塔底水平，确保蒸馏工作正常进行。塔产品组件控制程序，2 .要控制每一端的产品质量，如果塔顶和塔底产品必须分别满足特定的质量指标，就要同时控制塔两个产品的质量。在此控制方案中，采用背流控制塔产品组件、塔底流控制塔底产品组件，其目的是确保两端产品的控制质量；用塔顶流量调节回流罐水平，用蒸汽流量调节再锅炉水平，使蒸馏工作正常进行。双端产品质量控制方案，重新改变流量时，塔产品组件的变化，以及塔底产品组件的变化；同样，控制塔底部的加热蒸汽流量会引起塔内部的温度变化，不仅会改变塔底部的产品组件，还会影响塔顶部产品组件的变化。这是22的多变量耦合系统，精馏塔两端产品组件控制框图。显然，此时应进行分离设计，两端产品分离耦合控制方案，如图所示。该控制系统的设计思想如下。也就是说，为了使背流的变化只影响塔组件，不影响塔底部组件，设计理解耦合装置，使蒸汽阀提前启动，从而补偿；同样，为了确保汽量的变化仅影响塔底组件，而不影响塔顶组件，设计了通过预启动回流阀进行补偿的另一个解耦装置，实现了两端产品质量的解耦控制。双级产品质量的解耦控制体系、解耦设备数学模型、获取、基于不变原理的前馈补偿方法解耦控制系统框图、14.1.3加热炉过程控制、加热电炉、加热炉控制问题：控制变量：工艺介质的出口温度。控制变量：燃料油或燃料气体的流量。主要干扰：工艺介质的供应温度、流量、成分；燃料油/燃料气体压力、流量、成分(或热值)；燃料油雾化；空气充足的情况；火灾口阻力、炉膛压力等。对象特性建模方法：一般可近似为一阶纯滞后的定性分析实验测试。管式加热炉的单回路控制系统、管式加热炉的串级控制系统、14.1.4换热器的工艺控制、控制变量(1)加热/冷却介质的出口温度(无相变)；(2)加热/冷却所需的热量(有相变)，例如精馏塔底再沸器的蒸发量。控制变量(1)载波热流调整；(2)调节传热的平均温差。(3)调整传热面积；(4)把工艺介质分成不同的路，一个通过热，另一个绕过。，换热器控制程序，问题：如果上述单回路控制程序还不能满足工艺要求，如何改进控制程序，进一步提高控制质量？反应器种类、14.1.5反应器工艺控制、反应器入口温度控制、反应温度的单回路控制、反应温度的级联和分段控制、反应温度的分段控制和优化、反应温度分段控制和相关分析、聚合釜反应温度控制技术1、聚合釜反应温度控制技术2、聚合釜反应温度-压力级联控制、具有压力补偿的聚合釜内部温度目的，过程控制系统的工程设计是生产过程自动化项目建设中的重要组成部分，是自动化专业学生加强工程实践概念，利用过程控制工程知识进行综合综合综合教育的重要实践过程。过程控制系统的工程设计需要设计者掌握很多专业知识和设计工作程序。过程控制系统的工程设计与基本设计程序和方法相似，与具体的过