《生产过程自动化》-13

13.1传热设备的特性1.概述传热设备种类很多，主要有换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器、加热炉、蒸发器(蒸发是通过传热使挥发性溶剂与不挥发性溶质分离的操作，因此有时也把蒸发器作为一种传热设备)。

(1)传热设备的类型热量的传涕方式有三种:热传导、热对流和热辐射。热量的传递方式有三种:热传导、热对流和热辐射。在实际进行的传热过程中，很少有以一种传热方式单独进行的，而是两种或三种方式综合而成。根据进行热交换的两种流体的接触关系分为三类:直接接触式、间壁式和蓄热式。在石油、化工等工业过程中，一般以接换热较常见。按冷、热流体进行热量交换的形式分为两类:一类是在无相变情况下的加热或冷却，另一类是在相变情况下的加热或冷却。按传热设备结构形式来分，则有列管式、蛇管式、夹套式和套管式等，如图13-1所示下一页返回13.1传热设备的特性

主要的传热设备可归类于表13-1。表中的前四类传热设备以对流传热为主要传热方式，有时把它们统称为一般传热设备。加热炉、锅炉为工业生产中较为特殊的传热设备，它们有独特的结构和传热方式，在生产过程中又具有重要的用途。上一页下一页返回13.1传热设备的特性

(2)传热设备的控制要求由于传热设备的传热日的不同，被控变量也不完全一样。生产过程中进行传热的日的主要有以下三种①使工艺介质达到规定的温度。对工艺介质或工艺过程进行加热或冷却，使工艺过程在规定的温度范围内进行。②使工艺介质改变相态。根据工艺过程的需要，或是加热使工艺介质汽化，或是冷凝除热，使气相物料液化③回收热量根据上述传热日的，对传热设备实施控制主要是热量平衡的控制，可取温度作为被控变量。有些传热设备还需要设置约束条件控制系统，以便保护生产过程和设备的安全运行。上一页下一页返回13.1传热设备的特性

(2)传热设备的控制要求由于传热设备的传热目的不同，被控变量也不完全一样。生产过程中进行传热的目的主要有以下三种。①使工艺介质达到规定的温度。对工艺介质或工艺过程进行加热或冷却，使工艺过程在规定的温度范围内进行。②使工艺介质改变相态。根据工艺过程的需要，或是加热使工艺介质汽化，或是冷凝除热，使气相物料液化③回收热量根据上述传热日的，对传热设备实施控制主要是热量平衡的控制，可取温度作为被控变量。有些传热设备还需要设置约束条件控制系统，以便保护生产过程和设备的安全运行。上一页下一页返回13.1传热设备的特性

(3)传热设备的特性传热设备的特性应包括它的静态特性和动态特性。静态特性是稳态时该设备输入、输出变量之间的关系;动态特性是指其动态变化过程中输入、输出变量之间的关系。传热设备的静态特性分析主要指传热设备被控对象的增益变化规律。研究静态特性的目的如下。①作为扰动分析、操作变量选择及控制方案确定的基础;②求取放大倍数，作为系统分析和控制器参数整定的依据;③分析不同条件下被控对象增益的变化规律与操作变量的关系，作为控制阀流量特性的依据。上一页下一页返回13.1传热设备的特性2.传热设备工艺计算

(1)热量衡算式在传热设备中流体不发生相变时，通过传热过程的热量传递，使载热体(亦称为热流体)温度下降，使被加热流体温度升高。因此热量计算式

q=GC(θo-θi)(13-1)

式中，q是传热速率，J/h;G是质量流量，kg/h;C是比热容，J/(kg.℃);θo、θi分别为进、出传热设备的流体温度，℃，其中，下标i表示该变量是进人传热设备的流体参数，下标。表示该变量离开传热设备的流体参数。当传热设备中流体发生相变，这时，流体温度不变，热量是由于流体相变时的汽化热或冷凝热所产生的。热量计算式为

q=Gγ(13-2)

式中，G是发生相变的流体的质量流量(汽化量或冷凝量)，kg/h;γ是流体的相热变(气化热或冷凝热)，J/kg;q为传热速率，J/h。上一页下一页返回13.1传热设备的特性

热量衡算式是根据能量平衡原理列写的传热设备中两流体之间热量的关系式。当忽略传热设备热的损失，根据能量平衡关系，冷流体所吸收的热量，应等于载热体放出的热量。根据传热设备两侧是否发生相变，可以列出以下三种基本热量衡算式。①两侧流体均相变，如式(13-3)所示:GHγH=GCγC(13-3)

式中，下标H表示载热体参数;C表示冷流体参数;G是相应流体的质量流量，kg/h;γ是相应流体的相变热，J/kg.②仅一侧流体相变，又分为两种情况:式(13-4)是载热体发生相变计算式;式(13-5)是冷流体发生相变的计算式.GHγH=GCCC(θCo-θCi)(13-4）

GCγC=GHCH(θHi-θHo)(13-5）式中，C表示比热容，下标与其他参数同上所述.上一页下一页返回13.1传热设备的特性

③两侧流体均不发生相变，如式

GHCH(θHi-θHo)=GcCC(θCo-θCi)(13-6)(2)传热速率方程式传热的推动力是传热物体之间存在的温差。热量传递是从温度高的物体向温度低的物体传递，温度差越大，传递速率越大。热量传递速率表示为

q=KAΔθ(13-7)

式中，K是传热总系数，J/(℃·m2·h);A是平均传热面积，m2;Δθ是平均温差，℃，通常采用算术平均值或对数平均值;q是传热速率,J/h。平均温差Δθ对于逆流、单程的情况为对数平均值。上一页返回13.2一般传热设备的控制1.换热器的控制

(1)换热器的特性

图13-2所示为一个逆流单程的换热器，图中G1为工艺介质的流量，G2为载热体的流量。θ1i、θ2i分别为工艺介质及载热体的入口温度，θ1o、θ2o分别为工艺介质及载热体的出口温度，而C1、C2各为工艺介质与载热体的比热容。这里被控变量是冷流体出口温度θIo;操作变量是热流体流量G2;主要扰动因素有入口温度θ1i、冷流体流量G1、热流体人口温度θ2i。

1)对象静态特性对于图13-2所示的换热器，其静态特性主要是输入变量θ1o、θ2i、G1、G2对输出变量θ1o、θ2o静态关系，控制系统设计被控变量选择只考虑工艺要求的被加热介质出口温度，而不选载热体出口温度。图13-3所示为输入变量θ1i、G1、θ2i、G2对输出变量θ1o的方框图。下一页返回13.2一般传热设备的控制

图中所示为换热器被控变量、操作变量和扰动变量之间的静态系，Ki表示各通道增益。在推导某一通道增益时，假设其他变量不变。如果用函数形式来表示，则为θ1o=f(θ1o、θ2i、G1、G2)，对象静态特性就是要确定θ1o与θ1o、θ2i、G1、G2之间的函数关系。由热量平衡关系式，在忽略热损失的情况下，冷流体所吸收的热量应等于热流体放出的热量

q=G1C1(θ1i-θ1o)=G2C2(θ2i-θ2o)(13-8)

式中，q是传热速率，J/s;G是质量流量，kg/h;C是比热容，J/(kg.℃);θ是温度，℃。传热速率方程式由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率应为

q=KAΔθ(13-9)

式中，K是传热系数，kcal/(℃·m2·h);A是传热面积，m2;Δθ是平均温差，℃。其中平均温差Δθ对于逆流、单程的情况为对数平均值:上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

式(13-12)为逆流、单程列管式换热器静态特性的基本表达式。其中各通道的静态放大倍数均可由此式推出。①工艺介质入口温度θ1i对出口温度θ10。的影响，即θ1i→θ10。通道的静态放大倍数K2。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

从式(13-16)看出，ΔG2→Δθ1o通道的静态特性是一个非线性关系。由于式(13-16)不能一目了然ΔG2与Δθ10。两者之间的影响关系，这里采用图(13-4)来说明此通道的静态关系。图中可见，当G2C2较大时(G2载热体流量)，曲线呈饱和状，说明此时G2的变化从静态来讲对θ10。的影响已非常微弱。④工艺介质流量G1对其出口温度θ10。的影响，即ΔG1→Δθ10。〔通道的静态放大倍数K1。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

式（13-17）是通过对式(13-12）求导，求得dθ1o/dG1

，其结果与式(13-16)相似，两者为一复杂的非线性关系。为此，也用图来表示这个通道的静态关系。图13-5表示了这个关系，图中曲线1是G2C2/KA=1,曲线3是G2C2/KA=3，最上面一条曲线是G2C2/KA→∞。为了说明问题，对曲线1的某儿点作切线，并求得各点放大倍数K1

，各点的斜率为负。由此说明三点:一是K1

的数值减小，说明当供给相同的热量，冷流体出口温度会降低;二是因为K1是负值，当G1增加将使出口温度θ1o降低;三是当G1较小时，K1数值较大，当G1较大时，K1数值较小，说明该通道具有饱和非线性特性。三条曲线均可以看出当G1C1较大时，曲线呈饱和状，表示此时G1的变化对θ1o的影响已经很小。

2)对象的动态特性换热器两侧的工艺介质均不发生相变化，特别是流速较慢时的液相传热，一般均视为分布参数对象。分布参数对象中的变量既是时间上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

的函数，又是空间的函数，其变化规律须用偏微分方程来描述。为了能说明传热对象动态特性的基本规律，工程上也近似采用一些经验公式来加以描述。图13-2所示换热器的动态特性，可用下面近似关系式来表示。①工艺介质入口温度对其出口温度的影响，Δθ1i→Δθ1o〔通道特性。可用式(13-18)的传递函数来描述:

式中，K1是通道的静态放大倍数;W1是换热器内工艺介质储存量;G1是工艺介质的流量;τ=W1/G1

，是工艺介质在换热器内的停留时间。由式(13-18)看出，这个通道的动态特性近似为一个纯滞后环节。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

式中，W1

、W2、G1、G2

分别为工艺介质和载热体的储存量、流量。由式(13-19)看出，这三个通道动态特性均可近似为带有纯滞后的二阶惯性环节，用图13-6说明这种近似关系:要从载热体把热量传递到工艺介质，必须先由载热体传给间壁，然后再由间壁传给工艺介质，这就成一个二阶惯性环节。此外，还应考虑由于停留时间所引起的纯滞后。载热体热量对流传给间壁、两侧间壁本身热传导、间壁对流传给工艺介质。式(13-19)是一近似的经验表达式，通过实际应用表明它能描述换热器动态特性的内在性质。式中二阶环节的两个时间常数T1

、T2不仅取决于两侧流体的停留时间，且与列管的厚度、材质、结垢等情况有关。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制(2)换热器的控制方案这个方案的控制流程如图13-7所示，其控制机理可以通过传热速率方程来分析，通过调节G2来改变传热量Q。对于该方案，G2随着控制阀开度的增大而增大，这将使传热系数K增大，温差Δθ增加。从传热速率方程q=KaΔθ可以看出，K和Δθ同时增大，必将使传热量Q增大，从而达到当θ1o下降时，通过开大控制阀增加G2增大传热量，把θ1o拉回到给定值的控制要求。图13-7(a)是简单控制系统流程图。当载热体流量或压力波动较大时，可将其作为副被控变量组成串级控制系统，如图13-7(b)所示。控制载热体流量方案的主要特点是简易，生产中最为常用。需注意的是该控制方案的缺点，由前面图13-5可以看出，当G2已经很大，θ2i一θ2o较小时，曲线进入饱和区控制就很迟钝，此时不宜采用此方法。又如，当载热体流量不允许节流时(例如废热回收工艺)，载热体本身也是一种工艺物料，也不宜采用此方案。这时可对载热体采用分流或合流形式，图13-8所示即为对载热体采用合流形式的控制方案上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

若调节冷凝液流量，被加热物料出口温度仍然高将载热体分流路。

2)工艺介质的旁路控制工艺介质的旁路控制也采用分流与合流形式。分流形式的工艺介质旁路控制如图13-9所示，图中一部分工艺介质经过换热器，另一部分工艺介质经旁路到换热器出口汇合。这种控制机理实质上是混合过程，其反应迅速、及时，适用于停留时间长的换热器，而且换热器有足够大的传热面积，同时载热体流量一直处于高负荷状态。这类方案对采用专门的热剂或冷剂换热时很不经济，但却适用于某些热量回收系统，尤其是载热体是某种工艺介质，其总量又不可调节的工艺过程。另外，当冷流体人口温度、载热体人口温度、冷流体流量变化频繁，变化幅值又较大时，可以将其作为前馈信号引人，组成前馈一反馈控制系统。图13-10是用于及时克服工艺介质人口温度和流量两个扰动因素的前馈一串级复合控制系统。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

2.蒸汽加热器的控制蒸汽加热器采用的载热剂是蒸汽，通过蒸汽冷凝释放热量来加热工艺介质，水蒸气是最常用的载热剂。根据需要加热的温度不同，也可采用其他介质的蒸气作为载热剂。

(1)控制载热剂蒸汽的流量

图13-11是调节蒸汽流量的温度控制方案。蒸汽在传热过程中起相变化，为热量衡算式中放热或吸热与相变热有关情况。其传热机理是同时改变传热速率方程中Δθ的和传热面积A。当传热面积有富裕时，送人蒸汽全部冷凝，并可继续冷却，通过调节G2有效地改变Δθ,控制冷流体出口温度。这种控制方案控制灵敏，是改变传热速率方程中的温差Δθ和传热面积A的控制方案，但是当采用低压蒸汽作为热源时，进人加热器内的蒸汽一侧会产生负压，此时，冷凝液将不能连续排出，采用此方案就需谨慎。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

(2)控制冷凝液排量

图13-12所示控制方案为调节参数是冷凝液流量，传热机理是改变传热面积A。该系统通过调节冷凝液排放量，改变加热器内冷凝液的液位，使传热面积发生变化，从而改变传热量，完成对出口温度的控制。这种方案利于冷凝液的排放，传热变化较平缓，可防止局部过热，有利于热敏介质的控制。此外，排放阀的口径也小于蒸汽阀，但这种改变传热面积的方案控制比较迟钝。为厂改善控制冷凝液排量方案的迟钝性，也可以组成图13-13所示的温度对加热器液位的串级控制方案，以工艺介质出口温度θ1i作为主参数，以冷凝液液位L作为副参数。也可采用出口温度一蒸汽压力的选择性控制系统。生产中还有图13-14所示的控制方案。这个方案看起来好似一个串级控制系统，实质上也是一个前馈一反馈控制系统，若蒸汽流量扰动幅度、频率较大时可将流量控制器FC换成前馈调节器组成前馈一反馈控制系统。该方案方块图如图13-15所示。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

3.冷凝冷却器的控制冷凝冷却器的载热剂即冷剂，常采用液氨、液态丙烯等制冷剂，利用它们在冷凝冷却器内蒸发，吸收工艺物料的热量，从而达到冷却的日的。常用控制方案有以下儿类。

(1)控制载热剂流量

图13-16为冷凝冷却器调节载热剂流量液氨的控制方案，传热机理是改变传热速率方程中的传热面积A。该方案调节平稳，冷剂量利用充分，特别是对气氨压缩机入口压力无影响。该控制方案的缺点是控制不够灵活，操作中冷凝冷却器的蒸发空间不能得到保证，容易引起气氨带液，以至损坏压缩机)解决办法是采用图13-17所示的出口温度与液位的串级控制系统，或图13-18所示的选择性控制系统，当控制系统被控变量进人安全软限(即保证蒸发空间的最高液位线)时，采用液位控制器LC对生产过程实施控制。上一页下一页返回13.2一般传热设备的控制

(2)控制气氨排量实际是改变载热体汽化温度，控制阀安装在气氨管路上，当控制阀开度变化时，气相压力变化，引起汽化温度变化，使平均温度差变化，改变传热量，出口温度随之变化。该控制系统的特点如下。①改变气相压力，系统响应快，控制灵敏迅速，但制冷系统必须允许压缩机入口压力的波动，应用较为广泛。缺点是冷剂量利用不充分。②为了保证足够蒸发空间，需要维持液氨的液位恒定，因此需增设液位控制系统，增加设备投资费用。③为了使控制阀能有效控制出口温度，应使设备有较高气相压力，又由于控制阀两端有压损，因此还需要增大压缩机功率，并对设备耐压提出更高要求，使设备投资费用增加。当气氨压力波动较大时，可采用气氨压力作为副环的串级控制系统。当液氨流量或压力波动较大时，可采用它们作为前馈信号，组成相应的前馈一反馈控制系统。例如氨冷器控制气氨排量的方案如图13-19。所示，其机理是调节传热速率方程中的平均温差Δθ。上一页返回

13.3加热炉设备的控制

1.概述加热炉是特殊传热设备的一种，属于火力加热设备，由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温气流向工艺介质提供热量。因此，加热炉的燃烧过程控制是一个重要的问题。加热炉的燃烧过程控制方案基本与锅炉设备的相似，将通过下一节锅炉的燃烧过程控制方案介绍来了解它。2.加热炉设备的控制加热炉的炉温控制一也是加热炉控制的重要内容在石油化工生产中，有时还采用如下两种串级控制方案。

(1)压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制系统

图13-20采用浮动阀代替了一般控制阀，节省了压力变送器，且浮动阀本身兼压力控制器的功能，整个控制系统看似是温度单回路控制系统，实质上是炉出日温度与燃料气压力的串级控制系统，关键是浮动阀的使用。浮动阀结构示意图由图13-21所示。下一页返回

13.3加热炉设备的控制

(2)特殊温度一流量串级控制系统(T-T-F串级)

图13-22所示为特殊的炉出口温度对燃料流量的串级控制系统。

3.关于安全联锁保护系统的应用

(1)以燃料气为燃料的加热炉安全联锁保护系统以燃料气为燃料的加热炉生产过程遇到的主要危险有以下几种。①被加热工艺介质流量过少或中断，此时必须采取安全措施，切断燃料气控制阀，停止燃烧，否则会将加热炉管子烧坏，使其破裂造成严重事故。②当火焰熄灭时，会在燃烧室里形成危险的燃料一空气混合物。③当燃料气压过低即流量过小时，会出现回火现象，故要保证最小燃料气流量。④当燃料气压力过高，喷嘴会出现脱火现象，以至造成熄火，甚至会在燃烧室里形成大量燃料气一空气混合物，易造成爆炸事故。上一页下一页返回

13.3加热炉设备的控制

图13-23为加热炉的安全联锁保护系统，图示系统包括以下几部分:①炉出日温度与控制阀阀后压力的选择性控制系统②燃料气流量过低联锁报警系统GL1，其动作使电磁阀失电，放空控制器输出信号切断燃气阀，防止了回火;③工艺介质(进料)低流量联锁报警系统GL2，其动作是切断燃气阀停止燃烧;④火焰检测器开关BS，当火焰熄灭时BS动作，切断燃气阀停止供气，以阻止燃烧室形成燃料气一空气混合物造成爆炸事故。上述②、③、④三个联锁系统动作以后，不能自动复位，恢复正常后，需人工复位重新投人运行。)(2)以燃料油为燃料的加热炉安全联锁保护系统

图13-24所示的加热炉自动控制系统及安全联锁保护系统。上一页下一页返回13.3加热炉设备的控制

图13-24(a)中，加热炉的主要控制系统有炉出口温度与燃料油阀后压力的串级控制系统。

图13-24(b)表示安全联锁保护系统，其动作原理:当引火喷嘴在炼厂气压力过低时，其PL1的常闭触点断开，使三通电磁阀线圈失电，这样由气源供给炼厂气控制阀的气压信号放空，使炼厂气切断，从而防止事故发生。对燃料油的供给，只要符合以下三个条件中任何一个，安全联锁保护系统均要切断燃料油的供给。①引火喷嘴用炼厂气压力过低时;②循环气流量过低时(采用起联锁保护的双套仪表GL1,GL2，确保动作可靠);③雾化蒸汽压力PL2过低时。上一页返回13.4锅炉设备的控制

1.概述锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等分为多种类型，工艺流程多种多样，为了解对锅炉的控制，图13-25列出了常见的锅炉设备的主要工艺流程。锅炉的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。燃料与热空气按一定比例送人锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽DS，然后经过热器，形成一定气温的过热蒸汽D，再汇集到蒸汽母管。压力为PM，的过热蒸汽，经负荷设备控制，供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排人大气。也可将图13-25的锅炉设备分解为图13-26所表示的形式。锅炉设备是一个多变量受控对象，它的输入/输出变量可表示为图13-27下一页返回13.4锅炉设备的控制对锅炉设备的控制是确保锅炉在安全、经济的条件下运行，并按照生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽。按照这些控制要求对锅炉设备设计的主要的控制系统有以下几种。(l)锅炉汽包水位的控制(2)锅炉燃烧系统的控制(3)过热蒸汽系统的控制(4)锅炉水处理过程的控制表13-2汇总了锅炉设备的主要控制系统。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制2.锅炉汽包水位的控制(1)汽包水位的动态特性

图13-28为简化的锅炉汽水系统的图形结构。①汽包水位在给水流量W作用下的动态特性，即控制通道的特性。

图13-29是在给水流量作用下水位变化的阶跃响应曲线。若将汽包和给水看做单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图中的H!线。由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低，当给水流量增加后，将从原有饱和水中吸取部分热量，使水位下气泡容积减少。当水位下气泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因汽包中储水量的增加而上升。最后当水位气泡下容积不再变化时，水位变化就完全反映了因储水量的增加而直线上升。所以图中H线是水位的实际变化曲线。在给水量做阶跃变化后，汽包水位不马上增加，而呈现一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一积分环节与纯滞后环节的串联，可表示为上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制式中，ε0是飞升速度，即给水流量变化单位流量时水位的变化速度，(mm/s)/(t/h);τ是纯滞后时间。给水温度越低，纯滞后时间τ越大。通常τ在15～100s。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，将使τ增加到100～200s②汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，即干扰通道的动态特性在蒸汽流量干扰作用下，水位变化的阶跃响应曲线如图13-30所示。当蒸汽流量D突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系分析，蒸汽量D大于给水量W,水位变化应如图13-30中的曲线H1。但实际情况是，当蒸汽用量突然增加时，瞬间导致汽包内压力的下降，汽包内水沸腾将立即加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因为气泡容积的增加，而使水位变化的曲线如图13-30中的H2。可见实际显示的水位响应曲线H是曲线H1与H2叠加，即H=H1+H2上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

从图13-30中H曲线看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降;反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位”。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为式中，s,是飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，(mm/s)/(t/h);凡是响应曲线HZ的放大系数;Tz是响应曲线HZ的时间常数。虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般100～

300t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，虚假水位可达30～

40mm虚假水位现象属于反向特性，在控制方案设计时必须引起注意。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

(2)单冲量控制系统单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统，图13-31所示是典型的单冲量控制系统。这里的冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。实际上单冲量控制系统存在三个问题:对假水位不能克服、蒸汽流量变化时控制系统反应不灵敏、对给水量的扰动不能克服。①当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器LC反向错误动作。②对负荷不灵敏。当负荷变化时，只有引起汽包水位变化后系统才起控制作用，由于控制缓慢，导致控制质量下降。③对给水干扰不能及时克服。当给水系统出现扰动时，同样须等位发生变化时系统才起控制作用，因此对给水干扰克服不及时。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

(3)双冲量控制系统针对单冲量控制系统不能克服假水位的影响，采用对蒸汽流量进行校正来纠正假水位引起的误动作，同时也能提前发现负荷的变化，将大大改善控制品质。引人蒸汽流量信号，就构成双冲量控制系统。图13-32(a)是典型的双冲量控制系统的原理图，图13-32(b)是其方块图。1)加法器系数的确定图13-32中的加法器LY的运算式为式中，I是加法器输出;人;是液位控制器的输出;IF是蒸汽流量变送器(一般经过开方器)输出;IO是加法器的初始偏置值，它设置的日的是保证正常负荷(指液位在正常范围变化时)下，几值与C2IF项互相抵消，即I0=C2IF。日的是使控制系统根据蒸汽用量的大小来调节给水量。C1

、C2是加法器系数，C1的设置一般取1，一也可小于1。它与控制器戊的乘积相当于简单控制系统中控制器放大倍数Kc的作用。C2的正、负号由调节上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制阀的开关形式决定。比如气开阀用在汽包产生的高压蒸汽作为蒸汽透平机等设备的动力源时，在蒸汽用量加大时应及时供水，此时I信号应加大，所以C2应为正值。气关阀用于汽包产生的蒸汽作为生产中的热源时，当蒸汽用量加大，要及时供水，I信号应减小，所以C2应为负值。C2的大小应考虑静态前馈补偿，按前馈控制器设计原理(扰动通道与控制通道传递函数之比)，则有上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制2)控制阀开闭形式、控制器正反作用及运算器符号的确定。①阀的开闭形式选定从工艺安全角度来考虑。如前所述蒸汽作为热源，则以保护锅炉安全为主，选气闭阀;若蒸汽作为动力源则以保护汽轮机用户安全为主，选用气开阀。②汽包对象的增益正、负判断。当调节参数给水量△W增加或减少时将引起被调参数液位的升高或降低，因此对象增益为正增益。③液位控制器正、反作用的确定。为使控制系统构成负反馈系统，由于对象增益为正，当采用气闭阀时，选正作用控制器;当采用气开阀时，则选反作用控制器。④确定运算器符号。先确定C2的正、负，C2取决于控制阀的开闭形式。对采用气闭阀工况，当蒸汽用量增大，给水量亦需增大，则加法器输出I应该减小，即取负号;对采用气开阀工况，则与气闭阀相反，I是增加的，即取正号。再确定I0的符号，其与C2相加法器的运算式为上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

3)双冲量控制系统的其他形式双冲量控制系统还有另外几种形式。图13-33所示为加法器放在控制器之前，类似于双冲量均匀控制系统的接法。例如汽包水位L增加时应减少给水量口，若采用气关阀，则气动薄膜调节阀膜头气压PV(-)应该上升;当蒸汽流量F增加，应该增加锅炉给水量口，气动薄膜调节阀膜头气压PV(-)应减小，故L与F两个信号应该相减。这种接法如果用一只双通道的控制器还可以省去加法器，减少仪表用量。存在的问题是水位控制器的测量信号是液位L和蒸汽信号F之差，因此采用静态前馈时，此接法不能保证水位的稳态时无余差。只有把蒸汽流量信号经过微分，且不引人固定分量，才能使水位控制实现无差控制，如图13-34所示。其相当于考虑动态补偿，适用于给水流量波动较小的场合。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

(4)三冲量控制系统双冲量控制系统存在的问题:一是对于给水干扰不能及时克服，二是因为控制阀的工作特性并非完全线性，静态补偿难以很好实现。解决办法是将给水流量信号引人，构成三冲量控制系统，如图13-35所示。这实质上是前馈(蒸汽流量)一串级复合控制系统，从三冲量控制系统方块图13-36可明显地看出。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

2)阀的开闭形式、控制器正反作用及运算器符号的确定三冲量控制系统控制阀开闭形式的选择同样从安全角度考虑，控制器正反作用的选择可按串级控制系统，分别确定主控制器LC与副控制器FC的作用形式。运算器算式的符号确定:I0设置的日的是与在正常负荷下的IC相抵消，故此I0前的符号永远是负号。C的正、负与阀的开、闭形式无关(这一点与双冲量控制系统不同)，也与FC控制器的作用方式无关。因为CIF值将作为FC的给定值，CIF的增大，即蒸汽负荷增加，应提高FC的给定值，使给水量也随之提高。因此C项应取正号。可见三冲量控制系统中，加法器运算式为上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制设备的控制3)三冲量控制系统的其他形式图13-35所示汽包水位三冲量控制系统是日前应用较多的形式。其他三冲量控制系统连接形式简图如图13-37所示。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制3.蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统主要设备有一级过热器、减温器、二级过热器。工艺要求将过热器出日温度维持在允许范围内，为保证过热器使用寿命应控制管壁温度不超过允许值。过热蒸汽温度对锅炉运行及蒸汽用户设备都有关，必须把过热器出日蒸汽的温度控制在规定范围内。例如，过热蒸汽温度太高，易损坏过热器，会使汽轮机内部过度的热膨胀而严重影响安全运行;过热蒸汽温度太低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度将增加，会引起叶片磨损。一般采用减温水流量作为过热蒸汽温度控制系统的操纵变量，由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统不能满足生产的要求，生产上常采用图13-38所示的串级控制系统来提高对过热蒸汽温度的控制质量，副参数为减温器出口温度。采用T-T串级控制的前提条件是减温器到第二过热器之间具有预留孔，允许安装测温元件测取温度θ2。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制图13-39采用的是第二过热器出口温度(主参数θ1)对减温水流量(副参数F)组成的前馈-串级复合控制系统。由于汽包液位控制系统与过热蒸汽温度控制系统严重关联，设置流量副回路以削弱此关联。烟道气温度θS是该系统的重要扰动，设计前馈控制减少它的影响。该控制系统也可以理解为过热蒸汽温度的三冲量控制系统，第二过热器出口温度θ1为一个冲量，减温器出日温度θS作为第二个冲量，给水流量作为第三个冲量。该方案适用于表面式减温器，而且减温器出口不允许安装测温元件测取温度(如图13-38)中测量θ2的工况上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制4.锅炉燃烧过程的控制工业生产中锅炉燃烧过程的控制与锅炉结构、燃料种类、燃烧设备等有关。这里侧重分析燃油锅炉的燃烧过程控制。燃烧过程控制的基本要求:一是保证出日蒸汽压力稳定，能按负荷要求自动增减燃料量;二是保证良好燃烧，供气适宜，既要防止空气不足烟囱冒黑烟也要防止因空气过量而造成热量损失;三是保证锅炉安全运行。例如保持炉膛内一定负压因为炉膛内负压太小，甚至为正时，会造成炉膛内热烟气往外冒，危及设备和工作人员的多全。如果负压过大，又将使大量冷空气漏进炉内，造成热量损失增加。在采用气相燃料时还需防止燃烧嘴背压太高时的脱火，太低时的回火等危险工况发生。表13-3列出了不同书制任务对应的被控变量与操作变量。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制(1)蒸汽压力控制和燃料与空气比值控制系统蒸汽压力控制系统的主要扰动是蒸汽负荷的变化与燃料量的波动。控制方案有以下几种。①当蒸汽负荷及燃料量波动较小时，一般采用被控变量是蒸汽压力、控制变量是燃料量的简单控制系统来保证锅炉蒸汽出日压力的稳定。②当燃料量波动较大时，采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统完成控制任务。③为保证燃烧过程的经济运转，采用燃料流量作为主流量，空气流量为副流量的比值控制系统，既使燃料量随蒸汽负荷而变化，又使燃料量与空气量保持一定比例关系。

图13-40所示连接图是燃烧过程的基本控制方案，实际是串级一比值复合控制系统，其中蒸汽压力为主被控变量，燃料量与空气量为副被控变量的串级控制(有两个副环);同上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制时为燃料气流量与空气流量再构成的比值控制工作方式。④具有逻辑提降量的比值控制系统。有时为了使燃料完全燃烧，在提负荷时要求先提空气量，后提燃料量;在降负荷时，要求先降燃料量，后降空气量，如图13-41所示，即在基本控制方案的基础上，通过增加两个选择器组成具有逻辑提量功能的燃烧过程控制系统。（2）燃烧过程的烟气氧的体积分数闭环控制上面介绍的锅炉燃烧过程的燃料与空气比值控制存在两个不足之处。①不能保证燃料量与空气量二者的最优比。这主要是由流量测量的误差以及燃料的质量(水分、灰分等)的变化所造成的。②不能保证燃料量与空气量最优比随锅炉负荷的变化而改变。上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

当锅炉负荷不同时，燃料量与空气量两者的最优比一也是不同的。解决办法是采用一个检验燃料与空气适宜配比的指标，作为锅炉送风量的校正信号。通常以烟气中的氧的体积分数A0作为送风量的校正信号。最简便的检测锅炉的热效率(即经济燃烧)的方法是检测烟气中的氧的体积分数。根据燃烧方程式计算出完全燃烧时所需的氧的体积分数，从而求得所需的空气量，称为理论空气量QT。值得注意的是实际完全燃烧所需的空气量QP，通常超过理论空气量QT，必须保证一定的过剩空气量。但是，当过剩空气量增多时，不仅使炉膛温度下降，而且也使最重要的烟气热损失增加。对于不同的燃料，过剩空气量都有一个最优值，如图13-42所示上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

对于液体燃料，最优过剩空气量为8%～15%.过剩空气量常用过剩空气系数α来表示，即实际空气量QP与理论空气量QT之比。式中，α是衡量经济燃烧的指标，但很难直接测量，由于α与烟气中氧的体积分数AO直接相关，在完全燃烧情况下可以用近似式表示为上一页下一页返回13.4锅炉设备的控制

根据测算α控制在1.02～1.10为锅炉最经济燃烧值。根据这一点，在图13-41的控制方案中，对进风量用烟气氧的体积分数加以校正，就可构成图13-43