1,典型工業(yè)對象控制,泵、爐、塔、釜、罐,2,熱傳導(dǎo)形式,熱量總是由高溫物體傳向低溫物體，兩物體之間的溫度差是傳熱的推動力。溫度差越大，傳熱速率（單位時間內(nèi)傳遞的熱量）也越大。有三種傳遞熱量的方式：傳導(dǎo)傳熱，熱量在固體中傳導(dǎo)過程。對流傳熱，流體運(yùn)動傳熱過程熱輻射，通過電磁波轉(zhuǎn)換的傳熱過程。,3,名詞解釋,熱導(dǎo)率k ()定義方程 。熱流密度與溫度梯度成正比，比例系數(shù)稱k為熱導(dǎo)率，它是衡量物質(zhì)導(dǎo)熱特性的一個物理量。 傳熱系數(shù)(膜)： 定義方程 。熱對流時，熱流密度q與溫度差（TS-Tg）成正比，比例系數(shù)稱為傳熱系數(shù)。(式中，TS為固體界面溫度；Tg為氣體或液體在界面處的溫度）。熱輻射系數(shù)：定義方程 。物體以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的熱流密度q與熱力學(xué)溫度T的四次方成正比，比例系數(shù)稱為熱輻射系數(shù)。,4,換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型,換熱過程是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類重要的過程。工業(yè)上實(shí)現(xiàn)冷、熱兩流體換熱的設(shè)備稱為換熱設(shè)備。熱交換有直接和間接兩種形式，所謂直接換熱是指冷、熱兩種流體直接混合，實(shí)現(xiàn)加熱或冷卻的過程。間接換熱是指冷、熱兩種流體有間壁隔開，熱量首先從溫度較高的流體傳給間壁，由間壁再將熱量傳給溫度較低的冷流體的過程。工業(yè)過程中最多的是間接換熱。間壁傳熱設(shè)備結(jié)構(gòu)有列管式、蛇管式、夾套式和套管式等各種形式。此外，加熱爐也是一種換熱設(shè)備。,5,換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)類型,6,熱量傳遞的三種方式熱傳導(dǎo),穩(wěn)定導(dǎo)熱（導(dǎo)熱量不隨時間而變化）的基本定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為上式稱為傳導(dǎo)傳熱的傅里葉定律。式中，q為傳熱速率（單位時間內(nèi)所傳導(dǎo)的熱量），W；為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m）；A為垂直于熱流方向的截面積，m2； 為溫度梯度，/m。單位時間內(nèi)傳導(dǎo)的熱量與溫度梯度和垂直于熱流方向的截面積成正比。式中負(fù)號表示熱流方向總是與溫度梯度的方向（即溫度上升的方向）相反。,7,單層平壁的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱,式中，b為單層平壁的厚度（m）；t為平壁兩側(cè)壁面上的溫度差（），它是導(dǎo)熱過程的推動力。由此式可知，在單位時間內(nèi)通過單層平壁傳導(dǎo)的熱量與導(dǎo)熱系數(shù)、傳導(dǎo)面積和平壁兩側(cè)的溫差成正比，而與平壁的厚度成反比。上式可簡化為 稱為熱阻。傳熱過程中的歐姆定理 。,8,熱量傳遞的三種方式對流傳熱,對流傳熱在工業(yè)生產(chǎn)中多見于流體與固體壁之間的傳熱，其傳熱速率與流體性質(zhì)及流動邊界的狀況密切相關(guān)。牛頓首先提出了壁面與流體間對流傳熱速率的表達(dá)式：式中，q為對流傳熱速率（W）；為傳熱膜系數(shù)W/(m2)；F為傳熱面積（m2）；t為壁面溫度與壁面法線方向上流體平均溫度之差（）。影響對流傳熱膜系數(shù)的因素很多，它與流體的種類、性質(zhì)、運(yùn)動狀況以及流體對流的狀況（自然對流或強(qiáng)制對流）等因素有關(guān)。,9,對流傳熱,冷流體與壁面之間的對流傳熱速率和熱流體與壁面之間的對流傳熱速率分別為： 式中:t為冷流體的溫度（），T為熱流體的溫度（）， 其余與前面定義相同。蒸汽冷凝的傳熱膜系數(shù)較大，液體的傳熱膜系數(shù)較小，而氣體的傳熱膜系數(shù)最小。在蒸汽加熱器中，必須注意冷凝水與蒸汽中不凝性氣體的排除問題。過熱蒸汽與飽和蒸汽。集中參數(shù)與分布參數(shù)。,10,熱量傳遞的三種方式熱輻射,熱能以電磁波（輻射能）的形式向空間發(fā)射，到達(dá)另一物體時，被部分吸收又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，這類現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射在熱量的傳遞過程中伴有能量形式的轉(zhuǎn)化，即熱能轉(zhuǎn)化為輻射能，輻射能又轉(zhuǎn)化成熱能。傳導(dǎo)和對流傳熱都是靠物質(zhì)直接接觸傳遞熱量，而輻射傳熱則完全不同，它不需要通過任何介質(zhì)進(jìn)行傳遞，所以輻射傳熱可以穿越真空。實(shí)際上，任何物體都可能輻射能量，溫度越高，熱輻射越顯著。低溫物體的熱輻射可以忽略。,11,“黑體”和“灰體”,能全部吸收輻射能的物體（稱為“絕對黑體”或簡稱“黑體”），其外表面所發(fā)射的能量可表示為所謂“灰體”是指能以相同的吸收率吸收全部波長的幅射能的物體，即對輻射能的吸收無選擇性，但只能部分吸收周圍的輻射能?；殷w在單位時間內(nèi)的發(fā)射能量經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明可表示為為灰體的黑度（或發(fā)射率），在數(shù)值上等同于灰體的吸收率。,12,工業(yè)系統(tǒng)傳熱過程,工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行的傳熱過程中，很少是以一種傳熱方式單獨(dú)進(jìn)行，都以兩種或三種方式同時進(jìn)行。例如：工業(yè)過程中最常用的間壁式熱交換器，通常溫度不高，可忽略熱輻射的影響，傳熱過程就是對流傳熱和熱傳導(dǎo)組合。管式加熱爐的燃燒室(爐膛)中，溫度很高，以熱輻射傳熱為主。通常爐膛中有效傳熱量大約占全爐總熱負(fù)荷的7080，管式加熱爐的對流室中，傳熱方式以對流傳熱為主。因此，管式加熱爐中的傳熱過程是傳導(dǎo)、對流及熱輻射三種方式的組合。,13,對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型,間壁式換熱器的結(jié)構(gòu)形式有多種，動態(tài)數(shù)學(xué)模型不僅與它們的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，還與換熱器間壁兩側(cè)流體的狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)流體在傳熱過程中有相變時，有相變的流體溫度可近似為集中參數(shù)。對無相變的流體，要視流體的混合情況，確定是否可近似為集中參數(shù)。若流體是充分混合的，可近似為集中參數(shù)；否則，必須按分布參數(shù)處理。當(dāng)間壁兩側(cè)都不發(fā)生相變時，兩側(cè)都應(yīng)視混合情況確定是集中參數(shù)還是分布參數(shù)。,14,傳熱設(shè)備的動態(tài)特點(diǎn),傳熱設(shè)備的分布參數(shù)特性 1）傳熱壁面兩側(cè)流體都無相變的熱交換，且兩側(cè)流體都沒有軸向混合時，兩側(cè)的溫度都是距離和時間的函數(shù)，此時，兩側(cè)都是分布參數(shù)對象。一般列管式換熱器、套管式換熱器都屬于此類。2）傳熱壁面兩側(cè)流體都發(fā)生相變，例如精餾塔的再沸器，此時，兩側(cè)的溫度皆可近似為集中參數(shù)對象。相變（汽化或冷凝）的特點(diǎn)是流體溫度取決于所處壓力，而不是取決于傳熱量。,15,傳熱設(shè)備的動態(tài)特點(diǎn),3）當(dāng)傳熱壁面兩側(cè)流體中，有一側(cè)發(fā)生相變時，例如列管式蒸汽加熱器、氨冷器等，發(fā)生相變的一側(cè)為集中參數(shù)，另一側(cè)需視具體情況而定。 當(dāng)傳熱對象具有分布參數(shù)特性時，須用偏微分方程式來表示，然后求解獲得其特性。這樣做比較精確，但是比較復(fù)雜、麻煩。 在工業(yè)控制中，也常用集中參數(shù)特性來近似，例如把進(jìn)出口溫度的平均值作為流體溫度看待，盡管精度差，但簡單實(shí)用。,16,傳熱設(shè)備的動態(tài)特點(diǎn),2. 純滯后及時間常數(shù)較大 化工生產(chǎn)過程中，常采用間壁式換熱器。熱流體的熱量通過對流傳熱傳給間壁，經(jīng)間壁熱傳導(dǎo)后，再由間壁將熱量以對流方式傳給冷流體。因此，間壁式傳熱設(shè)備屬典型的多容對象，并帶有較大的滯后。通常傳熱設(shè)備可以近似為多容對象。 傳熱設(shè)備的被控變量通常是溫度。工業(yè)上常用的測溫元件為熱電偶、熱電阻等。為了保護(hù)測溫元件，一般還有保護(hù)套管，進(jìn)一步增加了廣義對象的滯后時間。,17,集中參數(shù)對象,夾套式換熱器，假定采用（飽和）蒸汽對冷液進(jìn)行加熱，使冷液出口溫度達(dá)到某一定值。假設(shè)換熱器的熱損失、傳熱系數(shù)和比熱容的變化都可以忽略不計，蒸汽的（顯熱）變化可忽略。由于有攪拌器，將冷液也看做為集中參數(shù)對象。并假定進(jìn)出口流量相等，即換熱器內(nèi)冷液的容量不變。,18,集中參數(shù)對象,假設(shè)冷液的出口溫度與換熱器內(nèi)的溫度相同。忽略間壁熱容，根據(jù)熱量動態(tài)平衡關(guān)系，可得到如下熱平衡方程式中，G1、G2分別為冷液與蒸汽的質(zhì)量流量（kg/h），2為蒸汽的汽化潛熱（kcal/kg），C1為冷液的比熱容kcal/（kg）；M1為換熱器內(nèi)的冷液量（kg）；T1i、T1o分別為冷液的入口與出口溫度（）。,19,選定T1o為輸出變量，G1、G2、T1i為輸入變量，并對上式進(jìn)行線性化，消除高階量，得到由于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn) 滿足條件上式可簡化為 式中 分別為變量 相對于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)的偏差量 。等式兩端同除G1C1,20,并令,得,用傳遞函數(shù)表示：,式中,冷液在換熱器內(nèi)的平均停留時間（h）,因此，夾套式換熱器的動態(tài)特性可用典型的一階環(huán)節(jié)來表示；響應(yīng)速度主要取決于冷液在換熱器內(nèi)的平均停留時間(h),21,分布參數(shù)對象,如果間壁兩側(cè)都不發(fā)生相變時，要用分布參數(shù)對象模型。尤其是流速較慢的液相傳熱過程，一般都是分布參數(shù)對象。分布參數(shù)對象中的變量是時間和空間的函數(shù)，它們的動態(tài)行為要用偏微分方程來描述。以圖所示的套管式換熱器為例,22,分布參數(shù)對象,對套管式換熱器作如下假設(shè): 1）間壁的熱容可忽略； 2）流體1和流體2均為液相；并且是層流流動； 3）傳熱系數(shù)K和比熱容C1、C2為常數(shù)； 4）同一橫截面上的各點(diǎn)溫度相同。取長度為dl的圓柱體為微元，這一微元的熱量動態(tài)平衡方程可敘述為 流體l微元內(nèi)蓄熱量的變化率=(單位時間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)-(單位時間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量)+(單位時間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量),23,分布參數(shù)對象,簡化可得：同理，可得到流體2的熱量動態(tài)平衡方程式 時間和空間的邊界條件表達(dá)式分別為,24,熱量平衡關(guān)系式,假定外壁是絕熱的。兩個流體全為液相時為顯熱交換。 (1)若熱流體為汽相，冷流體為液相時，并假定熱流體出口正好為飽和液，且熱流體的顯熱可忽略時若冷流體也發(fā)生相變時，并假定可忽略顯熱時 式中，為流體的汽化熱（kcal/kg）， C流體的比熱容kcal/(kg) ，q為傳熱速率（kcal）。,25,傳熱速率方程式,由傳熱定理知，熱流體向冷流體的傳熱速率應(yīng)為 (2)K為傳熱系數(shù)kcal/(m2h)；A為傳熱面積（m2）；T為平均溫差（） 對于逆流、單程的情況，平均溫差可表示為 當(dāng) 在1/3 3之間時，上述對數(shù)平均溫差可用算術(shù)平均溫差來近似，其誤差5 (3),26,傳熱速率方程式,若換熱器兩側(cè)均無相變，用算術(shù)平均溫差來計算Tm ，將式(1)、式(3)代入式(2)，可得 (4) 式(4)是逆流、單程列管換熱器兩側(cè)無相變時的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。,27,令,得,y與x1、x2的函數(shù)關(guān)系如圖所示，如果選擇T1o為被控變量，G2為控制變量，則控制通道的穩(wěn)態(tài)增益存在著嚴(yán)重的非線性。隨著載熱體流量的增大而迅速下降，控制閥應(yīng)選用等百分比閥（對數(shù)閥）。,28,對象的靜態(tài)增益,對上圖所示的套管式換熱器，如果選定T1o為被控變量，G2為操縱變量，假定T1i為主要擾動，則按方程式（4）對G2和T1i分別求導(dǎo)，得到控制通道與擾動通道的靜態(tài)增益,29,換熱器的控制,在煉油、化工生產(chǎn)中，換熱設(shè)備應(yīng)用廣泛。換熱的目的主要有下列4種 1）使工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以使化學(xué)反應(yīng)或其它工藝過程能很好地進(jìn)行； 2）在生產(chǎn)過程中加入被吸收的熱量，或除去放出的熱量，使工藝過程能在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行； 3）某些工藝過程需要改變物料的相態(tài)； 4）回收熱量，節(jié)約能源。,30,簡單的換熱器控制方案,左圖為三種簡單的換熱器控制方案。(a)為了使被加熱的工藝介質(zhì)達(dá)到規(guī)定的溫度，以加熱器出口溫度為被控變量，加熱蒸汽量為控制變量，使工藝介質(zhì)出口溫度恒定。特點(diǎn)直接根據(jù)物料溫度控制，穩(wěn)定性好，但滯后大。,31,換熱器的控制,(b)、(c)當(dāng)被加熱的工藝介質(zhì)流量比較平穩(wěn)，且對出口溫度要求不高時，可取加熱蒸汽流量（或壓力）作為被控變量，組成流量（或壓力）單回路定值控制系統(tǒng)。它穩(wěn)定的是蒸汽量，也就是加熱量。從加熱量控制來講速度快。但對出口溫度為開環(huán)控制，出口溫度穩(wěn)定性差。但若換熱過程的主要擾動是蒸汽變化時，可采用。若系統(tǒng)中沒有相變，主要是改變傳熱系數(shù)K ；有相變時，主要是通過熱量T的變化 。,32,換熱器控制方案,采用氨控制。通過調(diào)節(jié)氨氣量，以改變液氨壓力與對應(yīng)的平衡溫度，進(jìn)而改變間壁兩側(cè)流體的平均溫差達(dá)到控制工藝介質(zhì)出口溫度的目的。這種控制方案滯后小，反應(yīng)迅速，應(yīng)用亦較廣泛。本方案增加了一個液氨液位控制回路。,33,換熱器控制方案,改變傳熱面積。 通過調(diào)節(jié)冷凝液位，改變傳熱面積。這種方案滯后較大。在某些特殊場合應(yīng)用。當(dāng)溫度控制要求較低，傳熱面積裕量又較大時，為了保證溫度控制平穩(wěn)及冷凝液排除暢通時可采用此方案，以冷凝液流量作為操縱變量，調(diào)節(jié)傳熱面積，保持出口溫度恒定。,34,換熱器控制方案,工藝介質(zhì)分路控制?？刂乒に嚱橘|(zhì)，而不是載熱體。該方案實(shí)際上是一個混合過程。優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速及時，但載熱體流量一直處于高負(fù)荷，對節(jié)能不利。載熱體是生產(chǎn)過程中的廢熱時節(jié)約能源。,35,換熱器串級控制系統(tǒng),換熱器是具有較大時延的對象，采用出口溫度與蒸汽流量或蒸汽壓力組成的串級控制系統(tǒng)，可有效克服由加熱蒸汽不穩(wěn)定帶來的影響。(a)出口溫度-蒸汽流量串級控制系統(tǒng)(b)出口溫度-蒸汽壓力串級控制系統(tǒng),36,前饋-串級控制,若系統(tǒng)的主要擾動是生產(chǎn)負(fù)荷變化時，可引入前饋信號組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。如圖所示，為前饋-串級控制系統(tǒng)。圖中副回路為蒸汽壓力，也可采用蒸汽流量組成副回路。,37,加熱爐控制,工業(yè)上有各種各樣的加熱爐，如蒸汽鍋爐、熱處理爐、冶金爐、窯爐、焚燒爐、管式加熱爐等。圖為管式加熱爐的結(jié)構(gòu)示意。管式加熱爐由輻射室、對流室、余熱回收系統(tǒng)、燃燒及通風(fēng)系統(tǒng)5部分組成。管式加熱爐用于提高原料溫度。,38,加熱爐控制,加熱爐的最主要控制指標(biāo)往往是工藝介質(zhì)的溫度，被控變量。而操縱變量為燃料油或燃料氣的流量。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴(yán)格。影響爐出口工藝介質(zhì)溫度的擾動因素有：工藝介質(zhì)進(jìn)料的流量、溫度、組分；燃料方面有燃料油（或氣）的壓力、成分（或熱值）、燃料油的霧化情況；空氣流量，噴嘴的阻力，煙囪抽力等。這些因素中有的是可控的，有的是不可控的。,39,加熱爐溫度單回路控制系統(tǒng),40,加熱爐單回路控制系統(tǒng),下圖為一燃油加熱爐單回路控制系統(tǒng)示意圖。爐出口溫度為被控變量，燃料油流量為操縱變量。為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其它輔助控制系統(tǒng)有：1）進(jìn)入加熱爐工藝介質(zhì)的流量控制系統(tǒng)，圖中FC回路。2）燃料油總壓力控制系統(tǒng)，圖中PC回路；3）霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)，以保證燃料油的良好霧化。圖中下部的PC回路。,41,加熱爐單回路控制系統(tǒng),42,霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)改進(jìn),在燃油壓力變化不大的情況下，采用霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)，可以滿足霧化要求的。若燃料油壓變化較大時，單采用霧化蒸汽壓力控制不能保證燃料油得到良好的霧化。此時，應(yīng)采用如下控制方案。1）根據(jù)燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力差，調(diào)節(jié)霧化蒸汽，即采用壓差控制。2）采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力的比值控制。,43,加熱爐單回路控制系統(tǒng),因此單回路控制系統(tǒng)僅適用于下列情況：1）對爐出口溫度要求不十分嚴(yán)格； 2）外來擾動緩慢而較小，且不頻繁； 3）爐膛容量較小，即滯后不大。,44,加熱爐的串級控制方案,加熱爐單回路控制系統(tǒng)簡單，但控制精度不高。為了改善控制品質(zhì)可串級控制方案，根據(jù)不同型式加熱爐，可以選擇不同的副變量，主要有以下幾種： 爐出口溫度對爐膛溫度的串級控制； 爐出口溫度對燃料油(或氣)流量的串級控制； 爐出口溫度對燃料油(或氣)閥后壓力的串級控制 采用壓力平衡式控制閥(浮動閥)的控制。,45,串級控制方案一爐出口溫度-爐膛溫度,爐出口溫度-爐膛溫度串級控制顯著改善了控制質(zhì)量，應(yīng)用廣泛。注意事項(xiàng)：1.選擇有代表性的爐膛溫度檢測點(diǎn) ，2.爐膛溫度不應(yīng)有較大波動,3測溫元件保護(hù)。,46,串級控制方案二爐出口溫度對燃料油(或氣)流量的串級控制,若燃料流量的波動是影響爐子出口溫度的主要擾動因素時，采用此串級控制。減小甚至消除燃料油(或氣)流量的擾動，改善控制質(zhì)量。,47,在某些特殊情況下，可組成爐出口溫度、爐膛溫度和燃料油流量的三參數(shù)串級控制系統(tǒng)，如圖所示。但該方案使用儀表多，且整定困難。,48,串級控制方案三爐出口溫度對燃料閥后壓力的串級控制,采用燃料流量控制的缺點(diǎn)是小流量測量困難，特別在用粘度較大的重質(zhì)燃料油時，更難測量。因此改用測量燃料油壓力。采用爐出口溫度對燃料油(或氣)閥后壓力的串級控制，如圖所示。該方案應(yīng)用較廣。 需要注意：燃料噴嘴部分堵塞，會使閥后壓力升高。,49,加熱爐的前饋-反饋控制系統(tǒng),進(jìn)料流量、溫度變化可測不可控 。前饋控制部分克服進(jìn)料流量(或溫度)的擾動作用、而反饋控制克服其余擾動作用。,50,加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),為了加熱爐的安全生產(chǎn)、防止事故的發(fā)生，必須設(shè)置安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)。采用哪些安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)視具體情況而定。被加熱工藝介質(zhì)流量過少或中斷； 火焰熄滅，當(dāng)燃料氣壓過低（出現(xiàn)回火）；過高（出現(xiàn)脫火 ），在燃燒室里形成大量燃料氣-空氣混合物，造成爆炸事故。,51,加熱爐的安全聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng),爐出口溫度與燃料控制閥閥后壓力的選擇性控制系統(tǒng)燃料氣流量過低聯(lián)鎖報警系統(tǒng)GL1進(jìn)料量過低聯(lián)鎖報警系統(tǒng) GL2火焰檢測器開關(guān)BS。GL1、 GL2或BS報警時，打開三通閥，使氣開閥失氣，關(guān)閉。,上述三個聯(lián)鎖系統(tǒng)動作以后，不能自動復(fù)位,52,鍋爐設(shè)備的自動控制,鍋爐也是一種換熱設(shè)備，是化工、煉油、火力發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。根據(jù)工作壓力的不同可分為低壓鍋爐(2.5MPa) 、中壓鍋爐(3.9 MPa)和高壓鍋爐(以上10.9 MPa )；亞臨界壓力16.818.6 MPa，超臨界壓力及超超臨界壓力2540 MPa。蒸汽溫度540，給水溫度200280(水的臨界壓力：22.115MPa，347.15 )。在這個壓力和溫度下，水和蒸汽的密度相等，這時汽化潛熱=0。根據(jù)燃料的不同可分為燃煤鍋爐、燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t等。根據(jù)用途分發(fā)電、供熱等。,53,鍋爐設(shè)備組成,常見的鍋爐設(shè)備的主要工藝流程如圖所示。鍋爐由兩大部分組成：第一部分為燃燒系統(tǒng)，由送風(fēng)機(jī)、空氣預(yù)熱器、燃料系統(tǒng)、燃燒室、煙道、除塵器和引風(fēng)機(jī)等組成；第二部分為蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，由給水系統(tǒng)、省煤器、汽包和過熱器等組成。工作時，燃料和空氣按一定比例送入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給水冷壁和汽包底部，產(chǎn)生飽和蒸汽DS，經(jīng)過熱器，形成一定氣溫的過熱蒸汽D，匯集至蒸汽母管。過熱蒸汽（壓力PM），經(jīng)負(fù)荷設(shè)備控制閥供給負(fù)荷設(shè)備用。燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣經(jīng)煙道將剩余的熱量傳遞給過熱器（產(chǎn)生過熱蒸汽），此后再經(jīng)省煤器和空氣預(yù)熱器對鍋爐給水和空氣預(yù)熱。煙氣最后經(jīng)除塵處理后，由引風(fēng)機(jī)送往煙囪，排入大氣。,54,55,鍋爐控制系統(tǒng)組成,鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的被控對象。主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣(煙氣含氧量)等。主要輸入變量有生產(chǎn)負(fù)荷、鍋爐給水、燃料量、減溫水、送風(fēng)和引風(fēng)等。這些輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián) 。,56,鍋爐控制系統(tǒng)組成,鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出,且參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)的設(shè)備。如蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將會引起蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度、汽包水位等的變化。燃料量的變化會影響蒸汽產(chǎn)生，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度等。目前工程處理上，將鍋爐設(shè)備控制劃分為三個控制系統(tǒng)：汽包水位控制系統(tǒng)；燃燒控制系統(tǒng)；和過熱蒸汽控制系統(tǒng)三部分。,57,鍋爐控制系統(tǒng)汽包水位控制,保持汽包水位穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)是鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的首要條件。汽包水位過高，將使產(chǎn)生的飽和蒸汽帶液，使得過熱器溫度急劇下降和管壁結(jié)垢，嚴(yán)重時會損壞過熱器。如果過熱蒸汽用于推動汽輪機(jī)，那么過熱蒸汽帶液將會損壞汽輪機(jī)葉片。汽包水位過低，當(dāng)負(fù)荷很大時，汽化速度很快，如不及時調(diào)節(jié)，汽包內(nèi)的液體將全部汽化，導(dǎo)致水冷壁損壞，嚴(yán)重時還會引起爆炸。汽包水位控制系統(tǒng)的被控變量是汽包水位，控制變量是給水流量。擾動主要是蒸汽需要量。汽包水位控制依據(jù)汽包內(nèi)部的物料平衡，使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)。,58,汽包水位的動態(tài)特性,與汽包水位相關(guān)的鍋爐汽水系統(tǒng)如圖所示。鍋爐汽包水位對象與其它液位對象的最大不同點(diǎn)是汽包的液相中含有汽泡。 影響汽包水位的因素除了汽包容積、給水流量、鍋爐負(fù)荷(蒸汽流量)外，還有汽包壓力、爐膛熱負(fù)荷等因素。 在諸多影響因素中，給水流量和蒸汽流量變化對汽包水位的影響最大。,59,汽包水位的動態(tài)特性,1.給水流量變化對汽包水位的影響(控制通道的特性) ：左圖所示為給水流量階躍變化時，汽包水位的響應(yīng)曲線，如果把汽包和給水看作單容無自衡對象時，汽包水位的階躍響應(yīng)曲線應(yīng)如圖中H1所示。,60,汽包水位的動態(tài)特性,實(shí)際上，由于給水溫度低于汽包中飽和水的溫度，所以當(dāng)給水量增加時，要從原有的飽和水中吸收熱量，使得飽和水中的汽泡容積有所下降，水位不升反降。當(dāng)水中汽泡體積的變化過程逐漸平衡時，水位才隨汽包中儲水量的上升而上升。最后，當(dāng)水中汽泡體積不再變化時，水位變化才完全反應(yīng)儲水量的變化，呈直線上升。圖中H才是水位實(shí)際變化的曲線。用傳遞函數(shù)描述時，H所反映的變化過程近似于一個積分過程和純滯后過程的串聯(lián),61,汽包水位的動態(tài)特性,2.蒸汽流量變化對汽包水位的影響（干擾通道的特性）：當(dāng)蒸汽流量階躍變化時，汽包水位的變化如圖所示。蒸汽流量突然增加，當(dāng)燃料量不變的時，蒸汽量大于給水量，似乎水位應(yīng)如圖中H1所示直線變化。但實(shí)際情況卻如圖中H所示曲線變化。先上升，再下降。,62,汽包水位的動態(tài)特性,由于蒸汽流量的突然增加，瞬間導(dǎo)致汽包內(nèi)壓力下降，使汽包中的水沸騰加劇，水中汽泡迅速增加，從而水位的變化曲線如圖中H2所示。因此，當(dāng)蒸汽量突然增加時，雖然鍋爐給水量小于蒸發(fā)量，由于水中汽泡的增加，在一開始，水位不降反升，然后再下降（反之，當(dāng)蒸汽流量下降時，水位先下降，然后再上升）這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”。注意：當(dāng)負(fù)荷變化時，水中汽泡容積變化引起的水位變化速度是很快的，時間常數(shù)只有1020 s。蒸汽流量變化時，水位變化的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為,實(shí)際的水位響應(yīng)曲線H為H1+H2，,63,汽包水位控制系統(tǒng),由于虛假水位現(xiàn)象的存在，汽包水位干擾通道具有反向特性，設(shè)計控制方案時應(yīng)注意。根據(jù)鍋爐工作性質(zhì)不同，控制要求不同，汽包水位控制系統(tǒng)也有不同的控制方案。與一般液位控制相同，汽包水位最直接的控制方案就是以汽包水位為被控變量，給水流量為控制變量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)。在鍋爐控制中，通常稱為水位單沖量控制系統(tǒng)。,64,汽包水位控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng),左圖所示根據(jù)汽包液位控制進(jìn)水的方案稱汽包水位的單沖量控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是簡單。對于小型鍋爐（液相汽泡體積比重較?。┖统邏哄仩t（汽液相密度相差較小）虛假水位現(xiàn)象不嚴(yán)重時，可以采用這個控制方案。,65,汽包水位控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng),單沖量水位控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是當(dāng)蒸汽負(fù)荷大幅度變化時，由于虛假水位現(xiàn)象存在，使控制系統(tǒng)誤動作。比如當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時，由于存在虛假水位變高現(xiàn)象，控制器不但不開大給水閥，增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡；反而是關(guān)小控制閥的開度、減少給水量，使水位嚴(yán)重下降。單沖量水位控制系統(tǒng)波動厲害，嚴(yán)重時使汽包水位降到危險程度，以致發(fā)生事故。因此對于停留時間短（汽包容積小）、負(fù)荷變動大的情況，這種控制系統(tǒng)不能保證水位。工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用最為廣泛的大中型鍋爐，虛假水位現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此，不能采用這個方案。,66,汽包水位控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng),虛假水位主要原因是由于負(fù)荷變化的擾動引起的，因此，引入蒸汽流量，構(gòu)成前饋(蒸汽流量)-單回路反饋的復(fù)合控制系統(tǒng)。即雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)。,67,汽包水位控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng),圖中，加法器的輸出是式中，Pc為液位控制器的輸出；PS為蒸汽流量變送器的輸出；C0為初始偏置數(shù)，C1、C2為加法器系數(shù)。同時C2起著前饋控制器的作用，按前饋控制器設(shè)計原理：,68,汽包水位控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng),Cl與控制器的放大倍數(shù)的乘積相當(dāng)于簡單控制系統(tǒng)中控制器放大倍數(shù)KC的作用。 C0是個恒值，設(shè)置C0的目的是在正常負(fù)荷下，使控制器和加法器的輸出都能有一個比較適中的數(shù)值。在正常負(fù)荷下C0值與C2PS接近抵消。 控制閥選用氣開或氣關(guān)特性，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)安全。如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平壓縮機(jī)或汽輪機(jī)，那么為保護(hù)這些設(shè)備的安全，應(yīng)選用氣開閥；如果蒸汽僅用作生產(chǎn)過程的供熱，為保護(hù)鍋爐安全應(yīng)采用氣關(guān)閥。,69,汽包水位控制系統(tǒng)三沖量液位控制系統(tǒng),雙沖量控制系統(tǒng)可以克服由負(fù)荷變化引起的虛假水位的影響。但是對給水流量波動干擾無法克服。三沖量水位控制系統(tǒng)是將汽包水位作為主被控變量，給水流量作為副被控變量的串級控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號的前饋-串級反饋控制系統(tǒng)。,70,三沖量汽包水位控制方案之一,下圖為三沖量汽包水位控制組成框圖。系統(tǒng)將給水流量（或給水壓力）等擾動作為串級控制系統(tǒng)的副環(huán)，彌補(bǔ)了雙沖量水位控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)。,71,三沖量汽包水位控制方案之二,三沖量液位控制系統(tǒng)雖然引入的測量參數(shù)相同，但由于控制方式不同，仍有多種形式。下圖為三沖量汽包水位控制方案另一種畫法，從方框圖可以看出，它將擾動的入口點(diǎn)畫在水位檢測處。改變了前饋控制器傳遞函數(shù)。,72,簡化的三沖量汽包水位控制方案,將蒸汽壓力移到汽包液位控制器前。該簡化方案中，將蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號一起送加法器LY，加法器的輸出作為水位控制器的測量信號。主控制器是比例度為100的控制器 ，給水流量和蒸汽流量檢測回路設(shè)置比例系數(shù)D和W。 本控制方案的水位存在余差。,73,簡化的三沖量汽包水位控制方案,將水位控制器移到加法器前，水位控制器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號通過加法器修正后，控制給水。本控制方案中，主控制器是給水控制器，副控制器相當(dāng)于比例度為100的比例控制。由于水位控制器測量值是汽包水位信號，因此，只要水位控制器具有積分控制作用時，該控制方案就可實(shí)現(xiàn)汽包水位無余差。,74,鍋爐控制系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)控制,鍋爐燃燒控制