精餾是利用混合液中不同組分揮發(fā)溫度差異將各組分分離的過程。精餾塔是精餾過程關(guān)鍵設(shè)備，不同精餾工藝的精餾塔結(jié)構(gòu)各不相同；精餾工藝參數(shù)、變量之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜，控制方案多。另外，精餾工藝參數(shù)要求高，控制相對困難。只有對精餾生產(chǎn)工藝進(jìn)行深入分析，才能設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)。第10章過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例10.1精餾塔過程控制系統(tǒng)

在前面幾章對過程控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)工作原理、不同結(jié)構(gòu)過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論。這一章介紹兩個(gè)典型過程控制系統(tǒng)的典型工程實(shí)例。

純A沸點(diǎn)是140℃，純B沸點(diǎn)是175℃。兩組分的混合比變化時(shí)，混合溶液的沸點(diǎn)也將隨之變化，如圖10.1中液相曲線所示；圖中還標(biāo)出了溫度變化時(shí)，汽相組分的變化曲線。以A、B兩種液體混合物的簡單分餾為例，介紹分餾的基本原理。在壓力一定的情況下，A、B二種組分混合溶液氣/液相溫度—濃度曲線如圖所示10.1。10.1.1分餾原理10.1

A、B二組分混合物氣/液相溫度-濃度曲線如果設(shè)原溶液中A占20％，B占80％，把A，B混合液加熱到164.5℃時(shí)液體沸騰。這時(shí)，與液相共存的氣相成分為A占45.8％，B占54.2％。將這些氣體單獨(dú)冷凝后形成的混合液體中，A為45.8％，B為54.2％；如果再使混合液體沸騰，其沸點(diǎn)為154.5℃。這時(shí)氣態(tài)成分比又變成A占73.5％，B占26.5％。如果反復(fù)進(jìn)行上述操作，不斷蒸發(fā)和冷凝，…，最終可以將A(氣相)分離出來。液相部分濃度變化與氣相部分相反，液相混合液沸騰一次，進(jìn)入氣相的易揮發(fā)組分A大于進(jìn)入氣相的組分B，液相中B的濃度升高而A濃度降低。液相混合液經(jīng)過多次沸騰，則液相中A組分不斷升高B組分不斷下降，…,

最終就可以將B(液相)分離出來。精餾塔是將混合物（溶液）不同成分分離的裝置。精餾就是通過混合物在塔內(nèi)進(jìn)行多次氣化-冷凝液化-氣化（上升流）……和多次冷凝液化-氣化-冷凝液化（下降流）……，將混合物不同成分分離，得到純（濃）度滿足要求的分離產(chǎn)品的操作過程。實(shí)現(xiàn)這一操作過程除的板式精餾塔本體如圖10-2所示。精餾塔要實(shí)現(xiàn)對混合物料的分流，要還需要再沸器、冷凝器等輔助裝置配合工作。目前工業(yè)上常用連續(xù)精餾板式精餾系統(tǒng)如圖10-3所示（見下頁）。圖10.2篩板精餾塔結(jié)構(gòu)圖10-3板式塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)、精餾原理與主要輔助設(shè)備塔頂產(chǎn)品(輕組分)

再沸器冷凝器回流罐加熱蒸氣塔底產(chǎn)品(重組分)進(jìn)料回流10.1.2精餾塔控制要求與主要擾動(dòng)10.1.2.1精餾塔的控制要求1．保證產(chǎn)品質(zhì)量2．保證平穩(wěn)生產(chǎn)3．滿足約束條件4．節(jié)能要求和經(jīng)濟(jì)性精餾塔的操作情況必須從整個(gè)經(jīng)濟(jì)收益來衡量。在精餾操作中，質(zhì)量指標(biāo)、產(chǎn)品回收率和能量消耗均是要控制的目標(biāo)。其中質(zhì)量指標(biāo)是必要條件，在優(yōu)先保證質(zhì)量指標(biāo)的前提下，應(yīng)使產(chǎn)品產(chǎn)量盡量高一些，能量消耗盡可能低一些。10.1.2.2精餾塔的主擾動(dòng)圖10.2表示精餾塔物料流程圖。進(jìn)料F從精餾塔中段某一塔板上進(jìn)入塔內(nèi)，這塊塔板就稱為進(jìn)料板。進(jìn)料板將精餾塔分為上下兩段，進(jìn)料板以上部分稱精餾段；進(jìn)料板以下部分稱提餾段。

圖10.4精餾塔物料流程示意圖精餾塔運(yùn)行過程中，影響其質(zhì)量指標(biāo)和平穩(wěn)生產(chǎn)的主要干擾有以下幾種：

1．進(jìn)料流量F的波動(dòng)精餾塔進(jìn)料量F往往是由上一道生產(chǎn)工序所決定，如果一定要使精餾塔進(jìn)料量F

恒定，就必須要設(shè)置中間貯槽進(jìn)行緩沖?，F(xiàn)在精餾工藝是盡可能減少或取消中間貯槽，采取在上一道工序設(shè)置液位均勻控制系統(tǒng)控制出料流量，使精餾塔的進(jìn)料流量F比較平穩(wěn)，避免F

的劇烈變化(參見7.5)。

2．進(jìn)料成分ZF的變化進(jìn)料成分ZF是由上一道工序出料或原料情況決定。

3．進(jìn)料溫度TF和進(jìn)料熱焓QF的變化一般情況下進(jìn)料溫度比較穩(wěn)定。如果進(jìn)料溫度TF變化較大，為了維持塔內(nèi)的熱量平衡和穩(wěn)定運(yùn)行，在單相進(jìn)料時(shí)采用進(jìn)料溫度控制可克服這種干擾，然而在多相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料溫度恒定并不能保證其熱焓值QF穩(wěn)定。

4．再沸器加熱劑輸入熱量的變化當(dāng)加熱劑是蒸汽時(shí)，通過再沸器輸入精餾塔的熱量擾動(dòng)往往是由蒸汽壓力變化所引起的。

5．冷卻劑在冷凝器內(nèi)吸收熱量的變化冷卻劑吸收熱量的變化主要是由冷卻劑的壓力或溫度變化引起的。冷卻劑的溫度一般變化較小，而流量的變化大多是由壓力波動(dòng)的引起。6．環(huán)境溫度的變化環(huán)境溫度一般變化較小。冷凝器采用風(fēng)冷方式時(shí)，天氣驟變及晝夜溫差對精餾塔的運(yùn)行影響較大,可采用內(nèi)回流控制方法予以克服。10.1.3精餾塔控制方案不同精餾塔生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量要求不一樣，對控制的要求各不相同，因而精溜塔控制方案較多。下面對常見的幾種方案進(jìn)行分析。10.1.3.1提餾段參數(shù)控制當(dāng)塔底液為主要產(chǎn)品時(shí)，常采用提餾段溫度作為衡量質(zhì)量的間接指標(biāo)，這時(shí)可選提餾段某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)，以再沸器加熱蒸氣流量為控制變量；另外，液相進(jìn)料時(shí)也常采用這類方案。

其它輔助控制系統(tǒng)：對塔底采出量QW和塔頂餾出液QD，按物料平衡關(guān)系設(shè)有回流罐和塔底(釜)液位控制系統(tǒng)；對F進(jìn)行定值控制；為維持塔內(nèi)壓力恒定，在塔頂設(shè)置壓力控制系統(tǒng)；塔頂回流量QL采用定值控制。圖10.5精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)示意圖提餾段溫度控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)①以提餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)，能較迅速、直接地反映提餾段產(chǎn)品品質(zhì)（成分或濃度）。在以塔底采出液為主要產(chǎn)品，對塔底產(chǎn)品成分的要求高于對塔頂餾出液成分的要求時(shí)，往往采用提餾段溫度控制系統(tǒng)方案。②當(dāng)干擾首先進(jìn)入提餾段時(shí)，例如液相進(jìn)料時(shí)，由進(jìn)料產(chǎn)生干擾動(dòng)(成分、溫度、流量)首先要引起提餾段和塔底的參數(shù)變化(主要是溫度)，故用提餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)過程響應(yīng)也比較迅速。10.1.3.2精餾段參數(shù)控制以塔頂采出物（液）為主要產(chǎn)品時(shí)，往往以精餾段溫度作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的間接指標(biāo)，可選精餾段某點(diǎn)溫度作為被控參數(shù)，以回流量QL作為控制變量構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)，也可構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。進(jìn)料量、塔壓、塔底采出量與塔頂餾出液的控制方案與提餾段溫控時(shí)相同；再沸器加熱量應(yīng)足夠大，且維持一定，使精餾塔在最大負(fù)荷時(shí)，能保證塔底產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。圖10.4所示串級(jí)溫度控制系統(tǒng)是常見的精餾段溫度控制方案。其主回路是以精餾段(靈敏)塔板溫度為被控參數(shù)，以回流量QL作為控制變量，QL同時(shí)也是串級(jí)控制系統(tǒng)的副參數(shù)。圖10.6精餾塔精餾段溫度串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖

精餾段溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)①用精餾段溫度作為間接質(zhì)量指標(biāo)能較迅速、直接地反映精餾段產(chǎn)品品質(zhì)。②當(dāng)干擾首先進(jìn)入精餾段，如氣相進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料產(chǎn)生的擾動(dòng)(成分、溫度、流量)首先引起精餾段和塔頂?shù)膮?shù)變化（主要是溫度），故用精餾段溫度控制比較及時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較迅速。③串級(jí)控制系統(tǒng)的流量回路對回流罐液位與壓力、精餾塔內(nèi)壓力等干擾對回流量的影響有較強(qiáng)的抑制，可實(shí)現(xiàn)被控參數(shù)的高精度控制。以提餾段溫度(或精餾段溫度)作為衡量質(zhì)量指標(biāo)的間接被控參數(shù)，當(dāng)分離的產(chǎn)品純度較高時(shí)，塔底(或塔頂溫度)變化很小。為了及時(shí)、精確的檢測和控制產(chǎn)品質(zhì)量，要求溫度檢測儀表有很高的測量精度和靈敏度。若將溫度傳感器安裝在塔底以上（或塔頂以下）的靈敏塔板上，以靈敏塔板的溫度作為被控參數(shù)，可以取得滿意的檢測和控制效果。所謂靈敏塔板，是指出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，溫度變化最大的塔板。以靈敏塔板溫度作為被控參數(shù)有利于提高控制精度。10.1.3.3精餾塔的溫差控制及雙溫差控制當(dāng)產(chǎn)品純度要求很高，塔頂、塔底產(chǎn)品沸點(diǎn)差別不大、塔內(nèi)壓力存在波動(dòng)時(shí)，常用溫差控制系統(tǒng)，采用溫差作為衡量精餾產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的間接參數(shù)，以提高控制質(zhì)量，滿足工藝要求。在選擇溫差信號(hào)時(shí)，如果塔頂（塔底）采出量為主要產(chǎn)品，可將一個(gè)檢測點(diǎn)放在塔頂或其稍下位置（塔底或其稍上位置），并將對應(yīng)的塔板稱為參照板；另一個(gè)檢測點(diǎn)放在靈敏塔板附近，即濃度和溫度變化較大的位置，然后取上述兩測點(diǎn)的溫度差ΔT作為被控參數(shù)。溫差控制雖可以克服由于塔內(nèi)壓力波動(dòng)對塔頂或塔底產(chǎn)品質(zhì)量的影響，但是還存在一個(gè)問題，就是當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，上升蒸汽流量發(fā)生變化，引起塔板間的壓降變化。隨著負(fù)荷增大，塔板間的壓降增大引起的溫差也將增大，溫差和組分之間的對應(yīng)關(guān)系就要變化。在這種情況下，可以采用如圖10.7所示的雙溫差控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對高純度精餾產(chǎn)品的質(zhì)量控制。下面分析雙溫差控制系統(tǒng)的工作原理。圖10.7精餾塔雙溫差控制系統(tǒng)流示意圖在進(jìn)料組分基本穩(wěn)定的情況下，負(fù)荷變化引起的塔內(nèi)上升蒸汽流量變化會(huì)使塔板之間的壓降變化，而靈敏板與參照板之間壓降變化又會(huì)引起參照板溫度與靈敏板溫度之間溫差變化。如果控制系統(tǒng)能夠使兩個(gè)參照板與兩個(gè)靈敏板之間的溫差相等，就能夠消除負(fù)荷擾動(dòng)的影響，達(dá)到質(zhì)量控制的目的，這就是雙溫差控制的依據(jù)。由圖10-7可知，雙溫差控制分別在精餾段和提餾段上選擇溫差信號(hào)，將兩個(gè)溫差信號(hào)相減作為控制器測量信號(hào)(即控制系統(tǒng)的被控參數(shù))。這種因負(fù)荷變化在精餾段和提餾段引起的溫差變化相減后就可相互抵消，雙溫差能夠較準(zhǔn)確反映產(chǎn)品成分。圖10.8中點(diǎn)畫線框內(nèi)部分所示分別為塔頂和塔底產(chǎn)品質(zhì)量都需要控制的控制方案。以塔頂溫度T1作為塔頂產(chǎn)品間接質(zhì)量指標(biāo)，以塔底溫度T2作為塔底產(chǎn)品間接質(zhì)量指標(biāo)。10.1.3.4塔頂與塔底兩端產(chǎn)品質(zhì)量控制通過回流量QL控制塔頂溫度T1；以塔底再沸器加熱蒸氣量Qs控制塔底溫度T2。實(shí)現(xiàn)塔頂與塔底產(chǎn)品成分（質(zhì)量）控制。圖10.9兩端產(chǎn)品質(zhì)量解耦控制系統(tǒng)簡圖輔助控制回路實(shí)現(xiàn)對塔底液位、回流罐液位、進(jìn)料流量等輔助參數(shù)和擾動(dòng)因素的控制；當(dāng)控制精度要求較高或加熱蒸汽壓力、回流罐壓力與液位波動(dòng)較大時(shí)，可以流量為副參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，以提高控制品質(zhì)。由精餾操作的內(nèi)在機(jī)理（參見圖10-3）和7.8.1分析可知，當(dāng)改變塔頂回流量QL時(shí)，會(huì)影響塔頂產(chǎn)品組分和塔底產(chǎn)品組分的變化。同理，當(dāng)控制塔底的加熱蒸氣流量Qs時(shí)，不但使塔底產(chǎn)品組分產(chǎn)生變化，同時(shí)也將影響到塔頂產(chǎn)品的組分，顯然，兩個(gè)控制系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)（耦合）。當(dāng)兩個(gè)控制系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)不嚴(yán)重時(shí)，可以通過控制器參數(shù)整定，使兩個(gè)回路間的工作頻率相差大一些，減弱兩個(gè)回路的關(guān)聯(lián)程度。在控制系統(tǒng)間密切關(guān)聯(lián)，必須設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié)對兩個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行解耦?？稍O(shè)計(jì)如圖10.9所示的兩端產(chǎn)品成分解耦控制系統(tǒng)方案。圖10-9兩端產(chǎn)品質(zhì)量解耦控制系統(tǒng)簡圖通過解耦控制系統(tǒng)，使回流量的QL

變化只影響塔頂組分，QL對塔底組分的影響可通過解耦環(huán)節(jié)N21(s)，使蒸汽閥門及時(shí)動(dòng)作予以補(bǔ)償；同樣，蒸氣流量Qs只影響塔底組分，而它對塔頂組分的影響通過另一個(gè)解耦環(huán)節(jié)N12(s)，使回流閥預(yù)先動(dòng)作，予以補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了兩端產(chǎn)品質(zhì)量解耦控制。10.1.3.5按產(chǎn)品成分或物性的精餾塔直接控制如果利用在線成分檢測儀表，將產(chǎn)品成分作為被控參數(shù)，進(jìn)行產(chǎn)品成分的直接控制，將使控制系統(tǒng)大為簡化。由于在線成分檢測儀表的技術(shù)瓶頸，直接成分控制方案普遍應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。10.2工業(yè)鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)鍋爐是發(fā)電、煉油、化工等工業(yè)部門的重要能源與熱源動(dòng)力設(shè)備。按所用燃料不同，可分為燃煤鍋爐、燃油鍋爐、燃?xì)忮仩t，還有利用殘?jiān)?、殘油、釋放氣等為燃料的鍋爐；按所提供蒸氣壓力不同，可分為常壓鍋爐、低壓鍋爐、中壓鍋爐、高壓鍋爐、超高壓鍋爐、亞臨界壓力鍋爐、超臨界壓力鍋爐等類型。雖然不同類型的鍋爐的燃料種類和工藝條件各不相同，但蒸氣發(fā)生系統(tǒng)和蒸氣處理系統(tǒng)的工作原理基本類似。從圖10.10的工藝流程可以看出，鍋爐系統(tǒng)主要的被控參數(shù)有汽包水位、過熱蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、燃—空配比；主要的控制變量有：圖10.10工業(yè)

鍋爐工藝流程圖鍋爐給水流量、燃料流量、減溫水流量、送風(fēng)流量。這些控制變量之間相互影響的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。發(fā)電廠循環(huán)流化床鍋爐示意圖發(fā)電廠熱動(dòng)系統(tǒng)簡化工藝流程示意圖鍋爐由鍋(給水、蒸發(fā)與再熱系統(tǒng))

和爐(燃燒系統(tǒng))

二部分組成，可劃分為下面幾個(gè)控制子系統(tǒng)：①汽包水位控制系統(tǒng)水位控制系統(tǒng)使鍋爐給水量與蒸發(fā)量與用氣量(負(fù)荷)

相適應(yīng)，使汽包中水位保持在工藝允許的安全范圍內(nèi)。②過熱蒸氣溫度控制系統(tǒng)將過熱器出口蒸氣溫度控制在工藝要求的范圍之內(nèi)，保證蒸氣質(zhì)量和過熱器管壁溫度不超過上限。③燃燒控制系統(tǒng)使燃料燃燒產(chǎn)生的熱量適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的需要；使燃料量與助燃空氣量之間滿足比例關(guān)系，保證經(jīng)濟(jì)燃燒；使引風(fēng)(煙氣)

量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓穩(wěn)定(安全)。鍋爐汽包水位系統(tǒng)流程如圖10.11所示。水位控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)(用氣)量相適應(yīng)，維持汽包中水位在工藝規(guī)定(安全)的范圍內(nèi)。汽包水位控制也稱鍋爐給水控制。10.2.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)圖10.11

汽包水位系統(tǒng)示意圖10.2.1.1汽包水位控制被控參數(shù)與控制變量選擇汽包水位控制可直接選擇汽包水位作為被控參數(shù)。影響汽包水位H變化的因素有給水流量G、蒸氣流量D、燃料流量M、汽包壓力P等。汽包壓力P變化通過P升高時(shí)的“自凝結(jié)”和P降低時(shí)的“自蒸發(fā)”過程影響水位H；燃料流量M要經(jīng)過燃燒變成熱量后，才能為水吸收，繼而影響氣化(蒸發(fā))

量改變水位H；蒸氣流量D通過改變鍋爐存水量影響汽包液位；這幾個(gè)變量有的不能隨意控制、有的已用作其它被控參數(shù)的控制變量。因此，只有鍋爐給水量可作為汽包水位的控制變量。10.2.1.2汽包水位動(dòng)態(tài)特性1.蒸氣流量D對汽包水位的影響在其它條件不變的情況下，蒸氣流量D突然增加，會(huì)使汽包的物料平衡發(fā)生變化，汽包瞬時(shí)流出蒸氣(水)量大于流入水量，汽包存水量減少。圖10.10中的ΔH1(t)表示將汽包當(dāng)作非自衡單容對象看待時(shí)，汽包水位對蒸氣流量(ΔD)

的階躍響應(yīng)曲線。圖10.12

蒸氣流量階躍擾動(dòng)(ΔD)時(shí)汽包水位響應(yīng)曲線蒸氣流量增加(ΔD)

時(shí)，汽包內(nèi)部壓力下降(液體內(nèi)氣泡增大)而非水量增加(汽包內(nèi)水量實(shí)際在減少)導(dǎo)致汽包水位上升的現(xiàn)象稱為虛假水位現(xiàn)象。由于汽包壓力下降，導(dǎo)致汽包液位上升對應(yīng)的虛假水位階躍響應(yīng)曲線如圖10.12中的ΔH2(t)所示。蒸氣流量突然增加（ΔD）時(shí)，水位變化的實(shí)際階躍響應(yīng)曲線應(yīng)如圖10.12中的ΔH(t)所示。由于虛假水位現(xiàn)象，在開始階段檢測水位先上升后下降。蒸氣流量突然增加（ΔD）時(shí)，實(shí)際檢測水位水位的變化ΔH(t)為

ΔH1(t)

與ΔH2(t)的疊加，即（10.1）用傳遞函數(shù)來描述可以表示為（10.2）上式中，εf為蒸氣階躍流量（ΔD）作用下，水位階躍響應(yīng)曲線的斜率（工程上也稱飛升速度）；K2、T2分別為只考慮水面下氣泡體積變化所引起的水位變化ΔH2(t)的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)。虛假水位變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。對于汽包虛假水位現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)汽包水位控制方案時(shí)必須特別注意。2．給水流量對汽包水位的影響在給水流量增大ΔG時(shí)汽包存水增加、如果把汽包水位對給水的響應(yīng)看作無自衡單容過程，汽包水位的階躍響應(yīng)曲線應(yīng)該如圖10.11中ΔH1(t)所示，而實(shí)際水位階躍響應(yīng)曲線如ΔH(t)所示。這是由于給水增加ΔG

(低溫)，導(dǎo)致汽包水溫降低、水中氣泡體積收縮，導(dǎo)致水位下降，由此產(chǎn)生水位階躍響應(yīng)曲線如圖10.11中ΔH2(t)所示。實(shí)際檢測水位變化ΔH(t)是ΔH1(t)與ΔH2(t)的疊加，即圖10.13給水流量階躍干擾下汽包水位響應(yīng)曲線用傳遞函數(shù)來描述,可以表示為（10.4）用積分模型近似時(shí)，可表示為：

式中，ε0為給水流量階躍(ΔG)作用下，汽包水位響應(yīng)曲線的斜率；τ為純滯后時(shí)間。給水溫度越低，純滯后時(shí)間τ越大，一般τ約在15～100s之間。（10.3）10.2.1.3鍋爐汽包水位控制幾種方案

1.單沖量汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位H為被控參數(shù)，給水量G為控制變量可構(gòu)成圖10.14的單回路汽包水位控制系統(tǒng)，工程上也稱為單沖量控制系統(tǒng)，圖10.15為單沖量汽包水位控制系統(tǒng)框圖。圖10.15單沖量汽包水位控制系統(tǒng)框圖圖10.14單沖量汽包水位控制系統(tǒng)流程示意圖

2．雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)汽包水位的主要(擾動(dòng))干擾是蒸氣流量變化。利用蒸氣流量變化信號(hào)對給水量進(jìn)行前饋補(bǔ)償控制這種思路設(shè)計(jì)的雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)如圖10.16所示，控制系統(tǒng)框圖如圖10.17所示。圖10.17雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)框圖圖10.16雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)流程示意圖（10.5）式中，u控制器LC輸出值；

u1為蒸氣流量變送器FT測量值；c0為初始偏置；

c1為蒸氣流量測量信號(hào)變換系數(shù)；

U為加法器∑輸出值。圖10.16中的加法器將控制器的輸出信號(hào)和蒸氣流量變送器的信號(hào)求和以后，控制給水調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)整給水量。加法器∑的具體運(yùn)算功能如下：3.三沖量汽包水位控制系統(tǒng)在雙沖量水位控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將給水流量信號(hào)作為副參數(shù)，構(gòu)成如圖10.18所示的三沖量汽包水位控制系統(tǒng)，對應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖如圖10.19所示。汽包水位是主參數(shù)(主沖量)，給水流量為副參數(shù)，蒸氣流量是前饋補(bǔ)償?shù)闹饕獢_動(dòng)，給水流量與蒸氣流量也稱為輔助沖量，從圖10.19可以看出，這是一個(gè)前饋—串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。圖10.18三沖量汽包水位控制系統(tǒng)流程示意圖4.單級(jí)三沖量汽包水位控制系統(tǒng)單級(jí)三沖量水位控制系統(tǒng)只用一臺(tái)控制器和一臺(tái)加法器。加法器可接在控制器之前，如圖10.20

a）所示，也可接在控制器之后，如圖10.20

b）所示（圖中的加法器正負(fù)號(hào)對應(yīng)的是采用氣關(guān)式給水調(diào)節(jié)閥及正作用控制器的情況）。圖10.19三沖量液位控制系統(tǒng)框圖圖10.20單級(jí)三沖量水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖a)加法器在控制器之前b)加法器在控制器之后三沖量汽包水位控制系統(tǒng)副控制器通過副回路快速消除給水環(huán)節(jié)的擾動(dòng)對汽包水位的影響，副控制器一般采用比例(P)控制；主控制器通過副控制器對水位進(jìn)行校正控制，使汽包水位保持在設(shè)定值，主控制器一般采用PID控制或PI控制。10.2.2鍋爐蒸氣溫度控制系統(tǒng)鍋爐出口的過熱蒸氣溫度是蒸氣質(zhì)量重要的指標(biāo)，直接關(guān)系到后續(xù)設(shè)備安全和生產(chǎn)效率。過熱蒸溫度單回路控制系統(tǒng)流程示意圖如圖10.21所示。蒸氣溫度控制系統(tǒng)可直接選擇過熱蒸氣溫度θ作為被控參數(shù)。影響影響熱蒸氣出口溫度θ的擾動(dòng)因素主要有蒸氣流量D、煙氣熱量QH、減溫水流量QW。圖10.21過熱蒸氣溫度單回路控制系統(tǒng)流程圖選擇減溫水流量QW作為被控參數(shù)-蒸氣溫度的控制變量。減溫水出現(xiàn)價(jià)躍擾動(dòng)(ΔQW)時(shí)，過熱蒸氣溫度θ的響應(yīng)曲線如圖10.22b）所示，其傳遞函數(shù)可用一階慣性加滯后的形式近似：（10.6）圖10.22減溫水流量階躍變化時(shí)過熱蒸氣溫度θ與過熱器入口蒸氣溫度θ2響應(yīng)曲線當(dāng)減溫水流量出現(xiàn)階躍擾動(dòng)(ΔQW)時(shí)，過熱器入口溫度θ2的響應(yīng)曲線如圖10.22

c）所示，如果用一階慣性加滯后近似其傳遞函數(shù)：（10.7）由于τ2<τ、T2<T，用能較快反映擾動(dòng)作用和控制效果的過熱器入口溫度θ2作為副(被控)參數(shù)，構(gòu)成如圖10.23所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，則被控參數(shù)θ控制品質(zhì)可大為改善，串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖10.24所示。圖10.24過熱蒸氣溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖圖10.23過熱蒸氣溫度串級(jí)控制系統(tǒng)流程示意圖簡化的雙信號(hào)蒸氣溫度控制系統(tǒng)流程如圖10.25所示，其系統(tǒng)框圖如圖10.26所示。雙信號(hào)蒸氣溫度控制系圖10.26雙參數(shù)蒸氣溫度控制系統(tǒng)框圖圖10-25雙信號(hào)蒸氣溫度控制系統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是少了一臺(tái)控制器，缺點(diǎn)是控制效果要比串級(jí)系統(tǒng)差一些。10.2.3鍋爐燃燒過程控制系統(tǒng)燃燒過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)要完成以下任務(wù)：①保持鍋爐輸出蒸汽壓力穩(wěn)定②調(diào)節(jié)送風(fēng)量F與燃料量M的比例，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性③保持鍋爐爐膛負(fù)壓穩(wěn)定鍋爐燃燒過程控制三個(gè)控制子系統(tǒng)的被控參數(shù)：鍋爐蒸氣壓力PM、過?？諝庀禂?shù)α、爐膛負(fù)壓Pf分別對應(yīng)三個(gè)控制變量：燃料量M、送風(fēng)量F、排煙量Y。顯然，燃燒過程控制系統(tǒng)是一個(gè)多輸入—多輸出控制系統(tǒng)。10.2.3.1蒸氣壓力PM的動(dòng)態(tài)特性與燃料控制系統(tǒng)

當(dāng)鍋爐燃料熱量（燃料流量或燃料發(fā)熱量）增加時(shí)，爐膛熱量增加、溫度升高、鍋爐蒸發(fā)量增大，汽包壓力增大，導(dǎo)致蒸氣流量D增加，進(jìn)而使主蒸氣壓力PM增大，最后達(dá)到新的平衡。在燃料流量擾動(dòng)階躍Δu作用下，蒸氣流量D和蒸氣壓力PM的階躍響應(yīng)如圖10.25b）、c）所示。圖10-27燃料流量增加Δu時(shí)，過熱蒸氣流量D與蒸氣壓力PM的階躍響應(yīng)曲線從圖10.27c）可以看出，在其它條件不變時(shí)，蒸氣壓力變化反映了鍋爐燃料流量變化Δu。反過來，通過改變?nèi)剂狭髁縈就可以控制蒸氣壓力PM。從蒸氣壓力PM的響應(yīng)曲線可以看出，其動(dòng)態(tài)特性近似為單容過程。為了保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性，常采用在兩個(gè)單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加選擇控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)燃燒過程交叉限幅協(xié)調(diào)控制方案，控制系統(tǒng)框圖如圖10.26所示。圖10-28燃料—助燃空氣比值交叉限幅控制系統(tǒng)框圖10.2.3.2送風(fēng)控制系統(tǒng)送風(fēng)控制系統(tǒng)的目的是保證燃料—風(fēng)量(助燃空氣)的最佳配比，實(shí)現(xiàn)鍋爐在高燃燒效率狀態(tài)運(yùn)行。常用過量空氣系數(shù)α衡量燃料—風(fēng)量(助燃空氣)配比，最佳α值與鍋爐負(fù)荷有關(guān)。煙氣中的O2含量與α之間有比較固定的關(guān)系，通過測量和控制鍋爐煙氣中的O2含量可實(shí)現(xiàn)過量空氣系數(shù)α的測量和控制，實(shí)現(xiàn)燃料—風(fēng)量(助燃空氣)配比的控制。將送風(fēng)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成帶有氧量調(diào)節(jié)的串級(jí)比值控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)簡化框圖如10.29所示。

圖10.29空燃比交叉限幅控制系統(tǒng)框圖爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)通過控制煙道引風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，將爐膛負(fù)壓Pf控制在設(shè)定值，以保證人身和設(shè)備安全與鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?？諝饬髁看嬖诿}動(dòng)，需要采用阻尼器進(jìn)行濾波。爐膛負(fù)壓是送風(fēng)流量與引風(fēng)流量之間平衡關(guān)系的反映，10.2.3.3爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)為了提高控制品質(zhì)，對送風(fēng)量F進(jìn)行前饋補(bǔ)償，可設(shè)計(jì)如圖10-30所示爐膛負(fù)壓前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。

圖10-30爐膛負(fù)壓前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)框圖圖10.31鍋爐蒸氣壓力與燃燒過程控制系統(tǒng)簡化框圖M0壓力控制器過熱蒸氣壓力檢測值PM過熱蒸氣壓力給定值PMr爐膛負(fù)壓控制器氧含量控制器燃料控制器風(fēng)量控制器鍋爐過熱蒸氣壓力與燃燒過程控制系統(tǒng)由以上幾個(gè)密切聯(lián)系、相互協(xié)調(diào)的控制子系統(tǒng)組成，總體簡化框圖如圖10-31所示10.2.4鍋爐控制系統(tǒng)實(shí)例分析通過前面的討論已經(jīng)知道，工業(yè)鍋爐通常有汽包水位控制、過熱(主)蒸氣溫度控制、過熱(主)蒸氣壓力與燃燒過程控制三個(gè)主要控制子系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)互相聯(lián)系、互相配合，協(xié)調(diào)控制鍋爐生產(chǎn)所需的合格蒸氣，保持蒸氣壓力、溫度穩(wěn)定，同時(shí)使鍋爐在安全和經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行。圖10-32是一個(gè)工業(yè)鍋爐控制系統(tǒng)總圖，下面通過分析各子系統(tǒng)組成及其工作原理，使大家對實(shí)際工業(yè)鍋爐各控制子系統(tǒng)的組成、工作原理及其相互之間的聯(lián)系有一個(gè)基本的了解和掌握。圖10.32鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)總圖Pf1.鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)

鍋爐低負(fù)荷(<30%額定負(fù)荷)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)閥1關(guān)閉