典型工业过程控制系统

7经典工业过程控制系统

7.1锅炉设备控制7.2传热设备控制7.3加热炉燃烧过程控制7.4流体输送设备控制典型工业过程控制系统第1页7.1锅炉设备控制

锅炉是发电、炼油、化工等工业部门主要能源、热源动力设备。锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料锅炉。典型工业过程控制系统第2页锅炉设备工艺流程典型工业过程控制系统第3页锅炉由两大部分组成：第一部分为燃烧系统，由送风机、空气预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统，由给水系统、省煤器、汽包和过热器等组成。工作时，燃料和空气按一定百分比进入炉膛燃烧，燃烧释放热量经过蒸汽发生系统产生饱和蒸汽，再经过过热器将饱和蒸汽加热成满足一定质量(温度、压力)指标过热蒸汽输出，供给生产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生高温烟气经过过热器，将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水，再经过空气预热器预热锅炉送风，最终经引风机送往烟囱排入大气，每经过一个步骤，烟气温度都会有所降低，使燃料燃烧热量得到充分利用。典型工业过程控制系统第4页锅炉设备控制问题主要控制系统：（1）锅炉汽包水位控制； （2）锅炉燃烧系统控制； （3）过热蒸汽系统控制。典型工业过程控制系统第5页7.1.1锅炉汽包水位控制被控变量：汽包水位，用H(s)表示控制变量：汽包给水量流量，用G(s)表示主要干扰： 蒸汽负荷（蒸汽流量），用D(s)表示其它扰动：给水方面扰动；燃料量扰动；汽包压力改变通道对象： 非自衡、反向特征、非线性等特征典型工业过程控制系统第6页1）汽包水位对象特征干扰通道特征蒸汽流量扰动下汽包水位阶跃响应曲线控制通道特征给水流量扰动下汽包水位阶跃响应曲线传递函数表示？典型工业过程控制系统第7页1）汽包水位对象特征干扰通道特征蒸汽流量扰动下汽包水位阶跃响应曲线控制通道特征给水流量扰动下汽包水位阶跃响应曲线典型工业过程控制系统第8页反向特征对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面零点）条件为典型工业过程控制系统第9页(1)汽包水位单冲量控制单回路控制系统典型工业过程控制系统第10页单冲量汽包水位控制系统特点结构简单，投资少适合用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳场所为安全运行，可设置水位报警和联锁控制系统缺点：因为存在虚假水位反向特征，当负荷改变比较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统控制品质。另外，因为蒸汽负荷改变后，要在引发水位改变后才改变给水量，所以，控制不及时。典型工业过程控制系统第11页(2)汽包水位双冲量控制汽包水位主要干扰是蒸汽流量改变。双冲量水位控制系统利用蒸汽流量改变信号对给水量进行赔偿控制，从而不但能够消除或减小虚假水位现象对汽包水位影响，而且使给水控制阀调整更及时。典型工业过程控制系统第12页汽包水位双冲量控制前馈赔偿原理：假设调整阀为气关阀，C1=1，则调整器为正作用，而C2应取负号，详细数值可现场调整或依据阀门特征计算其初始值。双冲量控制系统（本质：前馈-反馈控制系统）典型工业过程控制系统第13页双冲量控制特点双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位影响，但对给水流量扰动影响未加考虑，所以适合用于给水流量波动较小场所。典型工业过程控制系统第14页(3)汽包水位三冲量控制

汽包水位是主被控参数，也称主冲量；给水流量为副被控参数，蒸汽流量是前馈赔偿主要扰动，给水流量与蒸汽流量也称为辅助冲量。它实际上是一个前馈-串级复合控制系统。典型工业过程控制系统第15页三冲量控制系统简化连接只采取一个控制器典型工业过程控制系统第16页7.1.2锅炉燃烧系统控制

锅炉燃烧控制系统与燃料种类、燃烧设备以及锅炉形式相关，以下以燃油锅炉燃烧控制系统为例。1）燃烧控制任务是使燃料燃烧所产生热量适应蒸汽负荷需求，同时确保锅炉经济、安全运行。第一，为适应蒸汽负荷改变，应及时调整燃料量；第二，为完全燃烧，应控制燃料量与空气量比值，使过剩空气系数满足要求；第三，为预防燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛负压。这三项控制任务相互影响，应消除或减弱它们关联。另外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低回火和防喷嘴背压过高脱火办法。典型工业过程控制系统第17页1)燃烧过程任务

和被控变量、操纵变量控制任务：锅炉蒸汽出口压力稳定；燃烧过程经济运行；锅炉炉膛负压稳定。被控变量：蒸汽出口压力；燃料量与送风量比值；炉膛负压。操纵变量：燃料量；送风量；抽风量。典型工业过程控制系统第18页2)燃烧过程控制方案一：串级-比值控制系统该方案包含以蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成串级控制系统；以及燃料量为主动量、空气量为从动量比值控制系统。该方案能够确保燃料量与空气量比值关系，当燃料量改变时，空气量能够跟踪燃料量改变，不过送入空气量滞后于燃料量改变。典型工业过程控制系统第19页燃烧控制方案二：串级-串级控制系统包含蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成串级控制系统，及蒸汽压力为主被控变量、空气量为副被控变量串级控制系统。系统中燃料量与空气量比值关系是经过燃料控制器和空气控制器正确动作间接确保，该方案能够确保蒸汽压力恒定。典型工业过程控制系统第20页方案三：逻辑提量/减量控制系统

该方案在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量，确保燃料完全燃烧。该方案既能确保蒸汽压力恒定，又可实现燃料完全燃烧。控制系统工作原理可参考选择性控制系统相关内容。典型工业过程控制系统第21页方案三：逻辑提量/减量控制系统

该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量串级控制系统。其中，两个并列副环含有逻辑比值功效，使该控制系统在稳定工况下能够确保空气和燃料在最正确比值，也能在动态过程中尽可能维持空气、燃料配比在最正确值附近，所以，含有良好经济效益和社会效益。典型工业过程控制系统第22页方案四：双交叉燃烧控制典型工业过程控制系统第23页方案四：双交叉燃烧控制

该方案以蒸汽压力为主被控变量，燃料和空气并列为副被控变量串级控制系统。其中，两个并列副环含有逻辑比值功效，使该控制系统在稳定工况下能够确保空气和燃料在最正确比值，也能在动态过程中尽可能维持空气、燃料配比在最正确值附近，所以，含有良好经济效益和社会效益。该方案可方便地在计算机控制装置或DCS中实现，图中，HLM和LLM分别是高限限幅器和低限限幅器；HSE和LSE分别是高选器和低选器。典型工业过程控制系统第24页3)烟气含氧量闭环控制系统

燃烧过程控制确保了燃料和空气比值关系，但并不确保燃料完全燃烧，燃料完全燃烧与燃料质量、热值等原因相关。不一样锅炉负荷下，燃料量和空气量最正确比值也会不一样，所以，需要有一个检验燃料完全燃烧指标，并依据户该指标控制送风量大小，衡量燃烧过程是否完全燃烧惯用控制指标是烟气中含氧量。典型工业过程控制系统第25页烟气含氧量闭环控制系统

烟气含氧量闭环控制系统是在原逻辑提量和减量控制系统基础上，将原来定比值改变为变比值。典型工业过程控制系统第26页4)炉膛负压控制及安全控制系统

为确保锅炉安全运行，必须确保炉膛一定负压。当炉膛负压过小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气外冒，影响设备和工作人员安全；当炉膛负压过大时，会使大量冷空气进入炉膛，增加热量损失，降低炉膛热效率。典型工业过程控制系统第27页炉膛负压控制

炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力，操纵变量是引风量。当锅炉负荷改变不大时，可采取单回路控制系统。当锅炉负荷改变比较大时，应引入扰动量前馈信号，组成前馈-反馈控制系统。典型工业过程控制系统第28页预防回火和脱火联锁控制系统典型工业过程控制系统第29页预防回火和脱火选择性控制系统典型工业过程控制系统第30页7.1.3蒸汽过热系统控制

蒸汽过热系统普通包含一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务：是使过热器出口温度维持在允许范围内，而且保护过热器使管壁温度不超出允许工作温度。影响原因：如蒸汽流量、燃烧工况、引入过热器蒸汽热焓(即减温水量)、流经过热器烟气温度和流速等改变都会影响过热蒸汽温度。控制特点：在各种扰动下，气温控制过程动态特征都有时滞性和惯性，且较大，这给控制带来一定困难，所以要选择好操纵变量和合理控制方案，以满足工艺要求。典型工业过程控制系统第31页蒸汽过热系统控制方法

惯用减温水作为操纵变量，过热器出口温度作为被控变量，组成单回路控制系统，但控制通道时滞和时间常数都比较大，所以也可引入减温器出口温度作为副被控变量，组成串级控制系统。有时，也可组成双冲量控制系统，即前馈-反馈控制系统，将减温器出口温度微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有改变时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。典型工业过程控制系统第32页过热器温度控制系统图串级控制系统与双冲量控制系统典型工业过程控制系统第33页采取DCS进行控制锅炉系统典型工业过程控制系统第34页7.2传热设备控制7.2.1概述 实现冷热两流体换热设备称为传热设备，或叫换热器。传热过程是工业生产过程中极其主要组成部分，对传热设备控制是过程控制一个主要方面。典型工业过程控制系统第35页7.1.1.1换热器结构类型

换热有直接与间接换热两种方式。直接换热：是指冷热两流体直接混合以到达加热或冷却目标。间接换热：冷热两流体用管子、板等间壁隔开，热量首先从温度较高热流体传给间壁，间壁再将热量传给温度较低冷流体。在工业过程中，间壁换热较为普遍。典型工业过程控制系统第36页常见间壁换热器结构型式典型工业过程控制系统第37页7.1.1.2换热器中热量传递方式

热量传递方向是由高温物体传向低温物体，两物体之间温度差是传热推进力，温差越大，传热速率(单位时间内传递热量)也就越大。热量传递有三种基本方式：导热(HeatConduction)、对流(Convection)和热辐射(ThermalRadiation)。在实际进行传热过程中，极少是以一个传热方式单独进行，而是由两种或三种方式综合而成，这不但表现在相互串联几个换热步骤中，而且同一步骤也常是如此。需详细问题详细分析。典型工业过程控制系统第38页7.1.1.3换热器对象动态特点

传热设备自动控制系统中被控变量大多为温度，其被控对象是经典多容对象，带有较大滞后，且含有较显著时变性、非线性及分布参数特点。 这么对象较难控制，性能指标通常不尽如人意，所以在设计其控制系统时，必须依据生产工艺要求，详细问题详细分析。典型工业过程控制系统第39页工业换热目(1)使工艺介质到达要求温度，以使工艺过程能很好地进行；(2)在生产过程中加入吸收热量或除去放出热量，使工艺过程能在要求温度范围内进行；(3)一些工艺过程需要改变物料相态；(4)回收热量。因为换热目标不一样，其被控变量也不完全一样，控制方案也不一样。典型工业过程控制系统第40页7.2.2换热器控制7.2.2.1被控量与操纵量选取被控变量：能够选温度、流量、压力、液位等参数，但用得最多还是温度。比如下列图中，分别选取出口温度与加热蒸汽流量(亦可为蒸汽压力)作为被控变量。典型工业过程控制系统第41页操纵量选择操纵量选择视详细传热设备特点和工艺条件而定：对于大部分蒸汽加热器操纵变量是采取载热体即加热蒸汽；而在一些场所，当被加热工艺介质出口温度较低，采取低压蒸汽作载热体;

传热面积裕量又较大时，为了确保温度控制平稳及冷凝液排除通畅，往往以冷凝液流量作为操纵变量，调整传热面积，以保持出口温度恒定。典型工业过程控制系统第42页7.2.2.2惯用换热器控制方案(简单)

为确保出口温度平稳，满足工艺生产要求，必须对传热量进行调整，传热量调整方法普通有四种。

1-调整载热体流量

2-调整传热平均温差

3-调整传热面积

4-将工艺介质分路典型工业过程控制系统第43页(1)调整载热体流量

经过控制载热体流量来调整传热量，使被加热工质温度满足工艺要求。这种方案最惯用。调整载热体流量典型工业过程控制系统第44页(2)调整传热平均温差ΔTm

经过调整氨气量以改变液氨压力与对应平衡温度，进而改变间壁两侧流体平均温差到达控制工艺介质出口温度目标。这种控制方案滞后较小，反应快速，应用亦较广泛。典型工业过程控制系统第45页(3)调整传热面积这种方案经过控制凝液排出量，从而改变了浸泡在凝液中发烧管换热面积，实现传热量调整。不过这种方案滞后较大，只有在一些必要场所下采取。典型工业过程控制系统第46页(4)将工艺介质分路

一部分工艺介质经换热器，另一部分走旁路。该方案实际上是一个混合过程，所以反应快速及时，但载热体流量一直处于高负荷下，这在采取专门热剂或冷剂时是不经济。然而对于一些热量回收系统，载热体是某种工艺介质，总流量原来不好调整，这时便不成为缺点了。

典型工业过程控制系统第47页7.2.2.3惯用换热器控制方案(复杂)

大多数情况下，当工艺介质较稳定时，采取单回路控制就能满足要求，若还满足不了工艺要求，则能够从方案着手，引入复杂控制系统，如串级、前馈等。典型工业过程控制系统第48页换热器出口温度串级控制方案

图(a)所表示蒸汽加热系统，当蒸汽阀前压力波动较大时，可采取工艺介质出口温度与蒸汽流量或蒸汽压力组成串级控制系统，图(b)。典型工业过程控制系统第49页换热器出口温度变比值串级控制方案 变比值串级控制引入了工艺介质流量前馈信息，一方面：前馈作用可大大降低生产负荷变化对出口温度控制质量影响，其次：可克服控制通道增益随负荷变化所造成非线性，从而更好地满足工艺生产要求。典型工业过程控制系统第50页7.3加热炉燃烧过程控制7.3.1概述

加热炉是钢铁、冶金、玻璃、炼油、石油化工等工业部门中经典加热设备。它消耗燃料在工厂中占有很大百分比，有时一个炉子甚至占全厂燃料耗量二分之一以上。所以，加热炉燃烧过程控制受到尤其重视。在加热炉许多控制系统中，燃烧控制是最主要，应满足节能降耗、预防环境污染等要求(最优燃烧区，大约在μ=1.02-1.10之间，这时热效率最高，污染公害最小。)。典型工业过程控制系统第51页空气过剩率μ与热效益、公害关系保持系统在最优燃烧区内运转，可望得到以下经济效果：降低排烟所含过量空气带走热损失，到达节能目标；降低燃烧空气量和排风量，能够节约通风机动力费用；降低NOx生成，降低空气污染；降低SO2生成，预防设备腐蚀；降低灰分，使除尘器小型化并节约维护费用。典型工业过程控制系统第52页7.3.2比值串级控制

为了确保燃料与空气有一定配比关系，普通在燃烧控制中，惯用控制方案是比值串级调整系统(特点适用场所)。比值串级系统与流量改变过程示意图1-燃料流量2-理想空气流量曲线3-实际空气流量曲线典型工业过程控制系统第53页7.3.3交叉限幅串级控制

串级比值调整不能保持适当空气燃料比，仅适合用于稳态情况下燃烧控制。因为实际生产过程负荷不可能一直处于稳定状态，就要寻求更加好燃烧控制方式，交叉限幅调整就是一个很好控制方案。

典型工业过程控制系统第54页图7-27燃烧交叉限幅控制系统在稳态时，这个系统实质上是一个含有两个并联副回路串级调整系统。其中，温度回路作为主回路，燃料流量回路和空气流量回路并联作为副回路。交叉限幅部分(虚线框内所表示)为是改进系统动态特征，使得在动态过程中系统也能在一定范围内维持空气-燃料比。典型工业过程控制系统第55页1)燃料流量调整回路

图7-27左半部分，高值选择器和低值选择器有两个主要选择比较参数D、B，是依据实测空气流量信号FA算出来。其中，D是不出现缺氧燃烧，燃料流量上限值，B是不出现过氧燃烧，燃料流量下限值：μ——空气过剩率；β(=A0FFmax/FAmax)——理论空气量系数，普通0.8~1.0。A0为单位燃料所必须理论空气量，FFmax、FAmax分别为燃料与空气测量表上限。K1、K2——系数，为5%左右。典型工业过程控制系统第56页信号选择关系

图7-27中炉膛温度调整器TC输出是系统要求燃料流量信号A。A和B经高值选择器得出信号C，C和D再经低值选择器得出信号E。这就是对应于要求燃料流量信号A，为了维持最正确燃烧，依据实测空气流量算出允许燃料流量信号E。注意：“要求燃料流量信号A”和“允许燃料流量信号E”

在稳态时是相同，在动态时是不一样，这正是交叉限幅控制方式独特之点。典型工业过程控制系统第57页燃料流量控制回路信号选择关系图典型工业过程控制系统第58页燃料流量控制过程在正常状态下，B<A<D(见图中0~t0段)，则燃料流量设定值E=A，要求燃料流量信号本身就成为燃料流量设定值。这时系统处于常规串级调整方式。当负荷急增，要求燃料流量设定值E按不出现缺氧燃料时燃料流量上限值D而迟缓上升，见图t0~t1段，从而维持了适当空气-燃料比。当负荷稳定，空气流量重新适应，于是又恢复正常状态B<A<D，E=A，见图中t1~t2段。负荷急减，要求燃料流量信号A马上下降，仍因为空气流量响应迟缓，使A<B。在高值选择器选择下，燃料流量设定值E按不出现过氧燃烧时燃料流量下限值B而迟缓下降，见图中t2~t3段，从而维持了适当空气-燃料比。典型工业过程控制系统第59页燃料流量控制过程总结系统在正常工作时，就是普通串级调整系统；一旦发生扰动，因为高、低值选择器限幅作用，使得系统能在一定范围内维持空气-燃料比，克服了普通比值调整方式不足。交叉限幅调整方式不但依据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还依据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅，这就组成了所谓“交叉限幅”。燃料流量和空气流量按给定关系相互制约结果，就更能确保在动态过程中，使空气-燃料比维持在恰当范围。在常规比值调整中，空气流量仅仅是被动地跟随燃料流量而改变，不可能依据当初空气流量对燃料流量进行限制。相比之下，“交叉限幅”优点就十分显著了。典型工业过程控制系统第60页2)空气流量调整回路

图7-27右半部分，这里也有两个主要参数F、H，是依据实测燃料流量信号FF算出来。其中，F是不出现过氧燃烧时空气流量上限值，H是不出现缺氧燃烧时空气流量下限值：

F=(1+K4)FF

，H=(1-K3)FF

K3、K4——系数，为5%左右。 该系统工作原理与燃料流量调整回路是相同。其信号选择关系示于图7-29。典型工业过程控制系统第61页空气流量控制回路信号选择关系图典型工业过程控制系统第62页结论

交叉限幅调整基本思绪是使燃料流量和空气流量调整回路参考各自对应实测流量，在允许范围内改变，到达动态时维持适当空气-燃料比目标。所以，交叉限幅调整不但在稳定时能保持适当空气-燃料比，而且在动态时也能维持适当空气-燃料比。能够这么说，常规比值调整是静态比值调整，而“交叉限幅调整”则是动态比值调整。典型工业过程控制系统第63页7.4流体输送设备控制

物料流和能量流都被称为流体，用于输送流体和提升流体压头机械设备称为流体输送设备，其中输送液体并提升压力机械称为泵，而输送气体并提升压力机械称为风机和压缩机。流体输送设备任务是输送流体，在工艺生产过程中，对流体输送设备控制，实质是实现物料平衡流量、压力控制，以及为保护输送设备安全控制。流量控制系统主要扰动是压力和阻力改变，尤其是同一台泵分送几支并联管道场所，控制阀上游压力变动更为显著，有时必须采取适当稳压办法。至于阻力改变，比如管道积垢效应等等，往往是比较迟缓。典型工业过程控制系统第64页7.4.1泵控制7.4.1.1离心泵控制 离心泵是使用最广液体输送机械。泵压头H和流量Q及转速n间关系，称为泵特征，特征曲线如图7-30所表示。图7-30离心泵特征曲线aa’—最高效率工作点轨迹，n1>n2>n3>n4

典型工业过程控制系统第65页

当离心泵装在管路系统时，泵所提供流量与压头，应与管路所需流量与压头相一致。如图7-31所表示，泵出口压力必须与以下压头与阻力相平衡：(1)将液体提升到一定高度所需压头，即升扬高度hL，这项是恒定；(2)管路两端静压差对应压头hP，等于，其值也较为平稳；(3)管路摩擦损耗压头hf，这项与流量平方几乎成百分比；(4)控制阀两端压头hV，在阀门开启度一定时，也与流量平方值成百分比，同时还取决于阀门开启度。典型工业过程控制系统第66页设HL=hL+hP+hf+hV，则HL和Q关系称为管路特征。当系统到达平衡状态时，泵压头H必定等于HL，这是建立平衡条件。从特征曲线上看，工作点C必定是泵特征曲线与管路特征曲线交点。工作点C流量应符合预定要求，它能够经过以下方案来控制。管路特征典型工业过程控制系统第67页(1)改变控制阀开启度，直接节流简便易行，缺点是在流量小情况下，总机械效率较低。所以这种方案不宜使用在排出量低于正常值30%场所。

(a)流量特征(b)控制方案图7-32直接节流典型工业过程控制系统第68页(2)改变泵转速采取这种控制方案时，在液体输送管线上不需要装设控制阀，所以不存在项阻力损耗，相对说机械效率较高，所以在大功率主要泵装置中，有逐步扩大采取趋势。但要详细实现这种方案，都比较复杂，所需设备费用亦高一些。FC典型工业过程控制系统第69页旁路控制可用改变旁路阀开启度方法，来控制实际排出量。方案简单，而且控制阀口径比较小。对旁路那部分液体来说，由泵供给能量完全消耗于控制阀，所以总机械效率较低。典型工业过程控制系统第70页7.4.1.2容积式泵控制容积式泵有两类：一类是往复泵，包含活塞式、柱塞式等；另一类是直接位移旋转式，包含椭圆齿轮泵、螺杆式等。因为这类泵共同特点是泵运动部件与机壳之间空隙很小，液体不能在缝隙中流动，所以泵排出量与管路系统无关。往复泵只取决于单位时间内往复次数及冲程大小，而旋转泵仅取决于转速。图7-35往复泵特征曲线典型工业过程控制系统第71页往复泵控制方案⑴改变原动机转速。此法与离心泵调转速相同。⑵改变往复泵冲程，在多数情况下，这种控制冲程方法机构复杂，且有一定难度，只有在一些计量泵等特殊往复泵上才考虑使用。⑶经过旁路控制。其方案与离心泵相同，是最简单易行控制方式。⑷利用旁路阀控制，稳定压力，再利用节流阀来控制流量，压力控制器可选取自力式控制器。典型工业过程控制系统