典型工业过程控制工程

1、7 7 典型工业过程控制工程 火力发电厂外观 在火力发电厂， 最基本的工艺过程是 用锅炉生产蒸汽，使 汽轮机运转，进而带 动发电机发电。 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）的需要，供应 一定规格（压力、温度 、流量和纯度）的蒸汽 。 重点以锅炉汽 包水位控制、过热 蒸汽温度控制、锅 炉燃烧控制为例讨 论它们的控制方案 。 1 1汽轮机高压缸 ；2 2汽轮机中、 低压缸；3 3汽包 ；4 4炉膛；5 5 烟道；6 6发电机 ；7 7冷凝器；8 8 补充水；9 9凝 结水泵；1010循 环水泵；1111低 压加热器；1212

2、除氧器；1313给 水泵；1414高压 加热器；1515给 水调节机构；1616 省媒器；1717 过热器；1818减 温器； 1919汽机高压调汽门；2020再热器；2121再热 器减温器；2222汽机中压调汽门；2323媒粉仓 ；2424燃料量控制机构；2525喷燃器；2626送 风机；2727空气预热器；2828调风门；2929水 冷壁管；3030引风机；3131烟道挡板。 1.1.汽包水位控制的重要性 将锅炉的汽包水位控制在一个允许范围内 ，是锅炉运行的主要指标，也是锅炉能提供符 合质量要求的蒸汽负荷的必要条件。 2.2.汽包水位的控制方案 一种可行的控制方案是以汽包水位为主 被控参数

3、、给水流量为副被控参数、蒸汽流 量为前馈信号的三冲量前馈反馈串级控制 系统。 采用这种控制方案的理由分析如下： （1）单冲量水位控制方案 以汽包水位为被控参数、给水流量为控 制参数构成的单回路控制系统称为单冲量控 制系统。这种系统结构简单、设计方便，缺 点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力 差（虚假水位问题。）。 （2）双冲量水位控制方案 如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位 的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少 水位的波动，改善控制质量。也就是说，若将 蒸汽流量作为前馈信号，就构成了双冲量控制 系统。 显而易见，该控制方案与单冲量水位控制 相比，控制质量已有明显改善，但它对于给水 系统

4、的干扰仍不能有效克服，需要再引入给水 流量信号构成三冲量串级控制系统。 （3） 三冲量串级控制方案 该控制系统由 主、副两个调节器 和三个冲量（汽包 水位、蒸汽流量、 给水流量）构成。 其中，主调节器为 水位调节器，副调 节器为给水流量调 节器，蒸汽流量为 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 在克服虚假水位的 影响、维持水位稳 定、提高给水控制 质量等多方面都优 于前述两种控制系 统，是现场广泛采 用的汽包水位控制 方案。 1控制要求与过程特性 过热蒸汽温度是影响安全和经济的重要参数， 要求保持在55的范围内。 过热蒸汽温度控制系统的控制任务是使过热器出

5、 口温度维持在允许范围内。 影响过热蒸汽 温度的外界因素很 多，例如蒸汽流量 、减温水量、流经 过热器的烟气温度 和流速等的变化都 会影响过热蒸汽的 温度。各种阶跃干 扰对过热蒸汽温度 的阶跃响应曲线如 左图所示。 不同干扰对过热蒸汽温度对象的阶跃响应曲线 由左图可知， 在各种阶跃干扰作 用下，其动态特性 都有时延和惯性， 只是时延和惯性的 大小不同而已。 2控制变量的选择与控制方 案的确定 由于蒸汽流量的变化是负荷干扰，因而不能作为控制变量； 若采用烟气侧干扰作为控制变量，则会使 锅炉的结构复杂，给设计制造带来困难，也不 宜作为控制变量； 若采用减温水流量作为控制变量则既简单 又易行。但存在

6、的问题是：减温水流量与过 热蒸汽温度之间存在较大的时延和惯性；在 工艺上，锅炉给水与减温水常常合用一根总管 ，这样会导致减温水自身波动频繁。 针对上述存在的问题，如果设计简单控制 系统则无法满足生产工艺的要求。为此，需要 设计较为复杂的控制系统，以提高控制质量。 一种可行的控制方案是设计串级控制系统，如下图所示。 过热蒸汽温度串级控制 为进一步提高控制质量，还可以考虑将负 荷干扰作为前馈信号，构成前馈反馈串级控 制系统。 1锅炉燃烧过程的 控制任务 锅炉燃烧过程的控制任务是使燃料所产生 的热量能够适应锅炉产汽的需要，同时还要保 证锅炉的安全经济运行。其具体任务又可分为 ：使锅炉出口蒸汽压力保持

7、稳定；保证燃 烧过程的经济性和对环境保护的要求；使炉 膛负压保持恒定；确保燃烧过程的安全性等 。 有三个可供选择的调节量，即燃料量、送 风量和引风量。 该控制系统的设计原则是：当生产负荷产 生变化时，燃料量、送风量和引风量应同时协 调动作，达到既要适应负荷变化、又要使燃料 量和送风量成一定比例、还要使炉膛负压保持 一定的效果；当生产负荷相对稳定时，应保持 燃料量、送风量和引风量也相对稳定，并能迅 速消除外界干扰对它们各自的影响 。 此外，为确保设备与人身安全，对因燃料 的流速过快而导致烧嘴背压过高产生的 “脱火 ”现象、或因烧嘴背压过低产生的“回火”现 象，都应设计相应的安全保护系统，防止上述

8、 现象的产生 。 2蒸汽压力控制方案 影响蒸汽压力的外界因素主要是蒸汽负荷的 变化与燃料量的波动。 当蒸汽负荷及燃料量波动较小、对燃烧的 经济性要求不高时，可以采用调节燃料量以控 制蒸汽压力的简单控制方案； 而当燃料量波动较大、对燃烧的经济性又 有较高要求时，则需采用燃料量/ /空气量对蒸 汽压力的串级/ /比值控制方案。 下图为燃烧过程的两种基本控制方案。 在串级/ /比值控制方案中，由于燃料量是 随蒸汽负荷而变化的，所以为主动量，它与空 气量（从动量）组成单闭环比值控制系统，使 燃料量与空气量保持一定比例，以确保燃烧的 充分性。 燃烧过程基本控制方案 图（a a）所示的基本控 制方案是将蒸

9、汽压力 调节器PCPC作为串级控 制的主调节器，其输 出同时作为燃料流量 调节器和空气流量调 节器FCFC的设定值，燃 料流量调节器和空气 流量调节器则构成各 自的副回路用以迅速 克服它们自身的干扰 。 图（b b）所示的基本控制 方案是将蒸汽压力与燃料 流量构成串级控制，而送 风量则随燃料量变化而变 化，从而构成比值控制， 这样可以确保燃料量与送 风量的比例，但该控制方 案的缺点是，当负荷发生 变化时，送风量的变化必 然落后于燃料量的变化， 导致燃烧不充分。 下图为燃烧过程的改进型控制方案 该控制方案在蒸汽负荷减小、压力增大时， 可通过低值选择器 LSLS先减少燃料量，后减少空气 量；而当蒸

10、汽负荷增加、压力减小时，可通过高 值选择器 HSHS先加大空气量，再加大燃料量，从而 可使两种情况下的燃烧均较为充分。 燃烧过程的改进型控制方案 3燃烧过程的最优化控制方案 液体燃料的过剩空气量与能量损失的关系图 过剩空气量常用过剩空气率 TP qq 1 来表示， 为实际空气量和理论空气量之比， 一般情况下， 。由此可知， 是衡量经济燃烧的一种直接指标。但由于 很难直接测量，因而可用 与烟气中含氧量 a存在的近似关系，计算出 a的最优值，即 a a a 22. 0 1 22. 0 22. 0 例如，当 的最优值为1.081.081.151.15时，可得 a的最优值为1.6%1.6%2.9%2.

11、9%。 因此，烟气中的含氧量 a可作为一种衡量经济燃烧的间接指标。 在该控 制系统中， 只要把含氧 量成分控制 器的给定值 按正常负荷 下烟气含氧 量的最优值 设定，即可 使过剩空气 量稳定在最 优值，从而 保证锅炉燃 烧最经济， 热效率最高 。 根据以上分析可知，只要在上图控制方案上 对进风量用烟气含氧量加以校正，就可构成如下 图所示的烟气含氧量的闭环控制系统。 烟气含氧量的闭环控制系统 要使不同负荷运行时的锅炉总是处于最佳燃 烧状态，则烟气含氧量的最优值还需随之变化， 这就需要对上图的闭环控制系统进一步加以改进 。 蒸汽流量与烟气中最优含氧量之间呈一非 线性曲线关系，在实际使用时可用下图所

12、示的 折线来近似。 由 图可知 ，当负 荷下降 时，烟 气中最 优含氧 量增大 ，也即 意味着 过剩空 气量增 大，反 之亦然 。 蒸汽流量与最优含氧量近似关系 在烟气含氧量的闭环控制系统图所示的闭 环控制系统中增加一折线函数发生器，对空气 过剩量进行修正，构成如下图所示的最佳烟气 含氧量锅炉燃烧控制系统。 最佳烟气含氧量的锅炉 燃烧控制系统 在该系 统中，当蒸 汽流量变化 时，其变化 的信号经函 数发生器改 变含氧量成 分调节器的 设定值，然 后再由含氧 量成分调节 器校正过剩 空气量，使 锅炉燃烧过 程在不同负 荷下，始终 处于最佳过 剩空气量的 状态。 4炉膛负压控制与安全保护控制方案

13、下图所示为锅炉燃烧过程炉膛负压及安 全保护控制系统。由图可知，该控制系统又由 三个子系统构成。 （1 1）炉 膛负压控 制：一般 可通过控 制引风量 来实现。 （2 2） 防“脱火 ”控制： 通常可以 采用自动 选择性控 制方案。 （3 3） 防“回火 ”控制： 是一个连 锁保护控 制系统。 炉膛负压控制与安全保护控制系统 精馏过程的目的是利用混合液中各组分 挥发度的不同，将各组分进行分离以达到规 定的纯度。 1控制目标 精馏塔的控制目标通常表现在产品质量、产品产量及能量消耗三个方面。 （1 1）产品质量 精馏操作的目的是将混合液 中各组分分离为产品，产品 质量必须符合规定的要求。 （2 2）

14、产品产量与经济效益 任何产品都要求 在确保质量的前提下，尽可 能提高产品的产 量和降低成本、最大限度地 提高经济效益 。 2变量分析 精馏塔的进、出料流程图 （1 1）不可控 干扰：进料流量 及进料成分的变 化是精馏过程中 的主要干扰量。 其它干扰如进料 温度、进料热焓 等，可以通过各 自的控制系统使 它们保持相对稳 定。 （2 2）被控量 与控制量：在精 馏塔控制中，控 制变量与被控变 量之间的配对关 系共有2424种选择 。 （3 3）变量配 对原则：在变量 配对时首先要解 决产品成分的变 量配对问题。 1一端产品质量控制 所谓一端产品质量控制，是指塔顶产品或 塔底产品要达到规定的纯度，而

15、对另一端的产 品纯度只要保持在一定范围内即可。它分为塔 顶产品成分控制和塔底产品成分控制两种 （1）塔顶产品成分控制 例如，在对甲醇进行分离的精馏塔中，其 进料为甲醇、甲醛和水的混合液，工艺要求把 甲醇分离出来。因甲醇为轻组分，所以这是一 个塔顶产品成分的控制问题。某甲醇分馏的参 数表如下表所示。 y 1 y 2 y 水的成分 甲醛成分 =0.0032=0.986 =0.046 甲醇成分 387.517.5400 流量/kg/s 塔底馏出物塔顶馏出物进 料 y 1 785.0 196.0 2 1 792.0 205.0 y 1 1 008.0 006.0 y 参数工况 成分 根据变量配对的要求

16、，通常采用的控制方案 是：用塔顶产品流量控制塔顶产品成分；用回流 量控制回流罐液位；用塔底产品流量控制塔底液 位；蒸汽的热釜（再沸器）进行自身流量的控制 ，如下图所示 选用 塔顶产品 流量作为 控制量。 在图中， 调节器的 输出均通 过电/ /气 转换后变 成气压信 号，经气 动阀门定 位器进行 功率放大 ，进而推 动气动薄 膜调节阀 。 塔顶产品成分控制方案 （2）塔底产品 成分控制 由 图可知 ，用塔 底产品 流量控 制塔底 产品成 分，以 保证控 制质量 ；对塔 顶产品 只进行 流量控 制；用 回流量 控制回 流罐液 位，用 蒸汽量 控制塔 底液位 ，使精 馏操作 能正常 进行。 塔底产

17、品成分控制方案 2两端产品质量均需控制 当塔顶及塔底产品分别需要满足一定质量 指标时，则需要对塔的两端产品质量同时进行 控制。 在该控 制方案中， 用回流量控 制塔顶产品 成分，用塔 底流量控制 塔底产品成 分，其目的 是保证两端 产品的控制 质量；用塔 顶流量控制 回流罐液位 ，用蒸汽流 量控制再沸 器液位，使 精馏操作能 正常进行。 两端产品质量控制方案 当改变 回流量时， 不仅影响塔 顶产品组分 的变化，同 时也引起塔 底产品组分 的变化；同 理，当控制 塔底的加热 用蒸汽流量 时，也将引 起塔内温度 的变化，从 而不但使塔 底产品组分 产生变化， 同时也将影 响到塔顶产 品组分的变 化

18、。可见， 这是一个2 22 2 的多变量耦 合系统. . 精馏塔两端产品成分控制框图 显然，此时应进行解耦设计，两端产品成分解耦控制方案如图所示。 该控制方案的设计思想是：为使回流量的变化 只影响塔顶组分而不影响塔底组分，设计了解耦 装置 ，使蒸汽阀门预先动作，予以补偿；同 样，为使蒸汽量的变化只影响塔底组分而不影响 塔顶组分，设计了另一个解耦装置 ，使回流阀 预先动作，予以补偿，从而实现了两端产品质量 的解耦控制。 21( ) D s 12( ) D s 两端产品质量的解耦控制方案 关于解耦装置数学模型 、 的取得 ，可根据不变性原理的前馈补偿法进行设计 21( ) Ds 12( ) Ds

19、前馈补偿法解耦控制系统框图 7.1.3 加热炉的过程控制 加热电炉 加热炉的控制问题： 被控变量：工艺介质的出口温度。 控制变量：燃料油或燃料气的流量。 主要干扰： 工艺介质的进料温度、流量、组分；燃料油/燃料气的压力、流量、 成分（或热值）；燃料油的雾化情况；空气充分情况；火嘴的阻力， 炉膛压力等。 对象特性建模方法：定性分析+实验测试，通常可用一阶加纯滞后环 节来近似。 管式加热炉的单回路控制系统 FC TC PC PC 回油 燃料油 雾化蒸汽 工艺介质 管式加热炉的串级控制系统 TC TC 燃料油 进料 出料 FC TC 进料 出料 燃料油 TC 进料 出料 燃料油 PC TC 进料 出

20、料 燃料油 7.1.4 换热器的过程控制 被控变量 (1) 被加热/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），如精馏塔底再 沸器的蒸发量。 控制变量 (1) 调载热体的流量；(2) 调节传热平均温差； (3) 调传热面积； (4) 将工艺介质分路，一路经换 热，另一路走旁路。 换热器的控制方案 凝液 蒸 汽 TC TC LC 氨 气 液 氨 TC 蒸 汽 凝液 TC 载 热 体 工艺 介质 问题：若上述单回路控制方案仍未能满足工艺要求，如何改进 控制方案，以进一步提高控制质量？ 反应器种类 再 生 器 提 升 管 反 应 器 沉 降 器 待生催化剂 再生催化剂 空

21、气 烟气 进料油 反应 油气 气体 固 相 经 提 升 或 再 生 7.1.5 反应器的过程控制 反应器的入口温度控制 TC 进料 出料 TC 进料 出料 反应温度的单回路控制 出料 进料 冷却剂 TC 出料 进料 冷却剂 TC 反应温度的串级与分程控制 出料 进料 冷却剂 TC TC 出料 进料 TC 蒸汽 冷水 反应温度的分段控制与优化 TC TC TC 冷却剂 冷却剂 冷却剂 T y 第一床层 第二床层 第三床层 冷却 冷却 反应温度分段控制与关联分析 水 物料 ( a ) TC TC TC 水 进料TC TC TH 出料 ( b ) 聚合釜反应温度控制方案一 出料 进料 T2C T1C

22、 加热器 冷却器 热水阀 冷水阀 T1, sp T1 T2 冷却水 蒸汽 热水 冷水 Tf TC 聚合釜反应温度控制方案二 出料 进料 T2C T1C 加热器 冷却器 加热阀 冷却阀 T1, sp T1 T2 热水 蒸汽 60 H2O 1 H2O Tf 聚合釜反应温度-压力串级控制 TCPC 冷却水 PT1 T1, sp 具有压力补偿的聚合釜内温控制 ( a ) 控制方案( b ) 温度补偿装置 T1 P a + 微分 环节 一阶滤波 环节 Tc 冷水 PT1 TC Tc 温度补偿 RY 原料油RF 回炼油 回炼油浆 F-201 雾化蒸汽 反应油气 烟气 主风 反 应 器 再 生 器 汽提蒸汽

23、 预提升蒸汽 瓦斯气 TC FC FC FC FC FC FC LC PdC FC TRG TRA LRA OFG TF 催化剂 RC PdC TC LS PV 催化裂化反应再生系统的控制 1目的 过程控制系统的工程化设计既是生产过程 自动化项目建设中的一项极其重要的环节，也 是自动化类专业的学生强化工程实际观念、运 用过程控制工程的知识进行全面综合训练 的重要实践过程。 过程控制系统的工程化设计要求设计者既 要掌握大量的专业知识，还要懂得设计工作的 程序。 过程控制系统的工程化设计，不管具体过 程和控制方案如何，其基本的设计程序和方法 则是相似的。 2主要内容 在熟悉工艺流程、确定控制方案的

24、基础 上，完成工艺流程图和控制流程图的绘制； 在仪表选型的基础上完成有关仪表信息的文件编制； 完成控制室的设计及其相关条件的设计； 完成信号连锁系统的设计； 完成仪表供电、供气系统图及管线 平面图的绘制以及控制室与现场之间水、 电、气（汽）的管线布置图的绘制； 完成与过程控制有关的其它设备、材 料的选用情况统计及安装材料表的编制； 完成抗干扰和安全设施的设计； 完成设计文件的目录编写等。 在确定了过程控制系统工程化设计的主 要内容以后，可分两步进行工程化设计，即 立项报告设计和施工图的设计。 1设计前的准备工作 （1）调查研究 （2）规划目标 （3）收集资料 为了使设计的立项报告科学合理、切实

25、 可行，能够比较顺利地被审批通过，必须认 真做好设计前的准备工作。 2立项报告 的设计 1 1）系统控制方案的论证与确定； 2 2）说明采用了哪种技术标准与技术规范 作为设计的依据； 3 3）说明设计的分工 范围 ； 4 4）说明所设计的控制系统在同行业中的自 动化水平以及新工艺、新技 术的采用情况等 ; ; 5 5）提供仪表设备汇总表、材料清单以及主 要的供货厂家、供货时间与 相应的价格，并和概算专业人员共同做 出经费预算及使用情况的说 明; ; 6 6）提出参加该项工作的有关人员和完成该项 工作所需时间以及存在的 问题及解决的办法等； 7 7）预测所设计的控制系统投入正常运行后所产生的经济

26、效益. . 当立项报告设计的审批文件下达后，即可进 行施工图的设计。施工图是进行施工用的技术文 件与图纸资料，必须从施工的角度解决设计中的 细节部分。 现以常规仪表控制系统和集散控制系统（DCSDCS ）为例，简要介绍施工图的设计内容。 1常规仪表控制系统施工图的设计 （1） 图纸目录; （2） 说明书; （3） 设备汇总表; （4） 设备装置数据表; （5） 材料表 ; （6） 连接关系表; （7） 测量管路和绝热、伴热方式表; （8） 铭牌注字表; （9） 信号原理图; （10）平面布置图; （11） 接线（管）图; （12）空视图 ; （13） 安装图; （14）工艺管道和仪表流程图;

27、（15） 接地系统图; （16）任选图的设计;（略）。 2集散控制系统（DCS）施工图 的设计 集散控制系统（DCSDCS）施工图的设计内容主要有： （1） 文件目录; （2）集散控制系统技术规格说明书; （3） 集散控制系统I/O表; （4）连锁系统逻辑图; （5） 仪表回路图; （6）控制室布置图; （7） 端子配线图; （8）电缆布置图; （9） 仪表接地系统图; （10）集散控制系统监控数据表; （11）集散控制系统配置图; （12）端子（安全栅）柜布置图; （13）机房设计; （14）集散控制系统组态文件的设计; 仪表及控制系统的干扰是普遍存在的，若不 对仪表或系统存在的干扰采取措施

28、加以消除，轻 者会影响仪表或系统的精度，重者使其无法工作 ，甚至会造成安全事故。所以，分析干扰的来源 ，采取相应的消除措施，也是工程化设计的一项 重要内容。 仪表及控制系统的干扰主要来自 以下几个方面： 1电磁辐射干扰; （1 1）电源引入线传输干扰; ; （2 2）信号引入线传输干扰; ; 3接地系统的干扰; 4系统内部 干扰. 2引入线传输干扰; 针对上述种种干扰，通常采用如下抗干扰措施： 1隔 离; 4避雷保护; 在上述种种抗干扰措施中，有相当部分是和接地系统有关的。 1接地系统的作用及类型 接地系统的主要作用是保护人身与设备的 安全和抑制干扰。不良的接地系统，轻者使仪 表或系统不能正常工作，重者则会造成严重后 果。 2屏 蔽 ; 3