1、第 10 章 过程控制系统的设计及举例,10.1 过程控制设计概要,过程控制设计的基本任务是：根据生产工艺的要求，以经济效益、生产安全、环境保护为原则，用先进的技术，对生产工艺过程中的温度、流量、压力、物位、成分、位置和速度等多种参数进行自动检测、反馈控制、顺序控制、程序控制、远程遥控及安全保护等方面的设计，并进行与之配套的辅助设计，如控制室、配电柜、控制柜、管线配设、气和水的配套、原材料的配送，以及成品的传输等。,10.1.1 过程控制的设计要求,工业生产包括许多行业部门，如化工、轻工、石油、冶金和电力等，生产内容与过程决定着生产工艺多样性，它们对过程控制系统提出了不相同的要求。服务生产过程
2、、满足工艺要求是过程控制系统的责任。保证产品质量、提高劳动生产效率、稳定产品性能、抵抗各种干扰、节约能源与材料、保证生产安全、改善生产条件、保护环境等，都是过程控制系统设计中应该做到的。将这些内容总结归类，过程控制系统的设计要求主要体现在以下几点：,1. 经济性。生产企业是通过向社会提供产品来获得经济效益的，产品是通过质量与数量来实现经济效益的，而产品的质量与数量是靠生产技术来保障的，过程控制技术就是生产企业最主要的技术之一。,2. 稳定性。在产品的加工生产中，保证产品的质量和数量是生产者十分关切的，这种保证是通过过程控制系统的稳定来实现的。系统稳定了，生产质量和数量才能稳定。在完成了生产试验
3、之后，控制系统定型了，它应该对外界的干扰具有一定抵抗能力，当系统参数和工艺条件在一定范围内变化时，系统应有一定适应能力，并维持稳定。用控制的术语来说，应有一定的稳定裕量。,3. 安全性。安全性就是要保障生产者生命与生产设备的安全，这是通过一定的措施来实现的。目前在过程控制中的保护性措施主要有：保护性连锁或互锁，参数超限报警、故障报警与排除，以及设备冗余等。,10.1.2 设计过程控制前要做的工作,作为一名过程控制工程师，要设计好一个生产过程控制系统，首先需要花一定的时间了解和熟悉生产过程的基本原理、工艺流程，掌握生产过程特点与要求，为设计和实施过程控制系统提供客观而真实的基础。这些可以通过下到
4、生产现场与工人一起工作、实际操作，以及与生产工艺技术人员进行交流等途径来获得。,其次，对生产过程中的有关状态（例如压力、流量、物位、温度和成分等）要准确和及时掌握，做到心中有数，这些可通过检测器来实现，并将这些状态信息实时传递给有关仪表和设备，以便对其进行显示、控制和评估，为后续控制工作提供信息。,最后，根据获得的现场实时状态信息和预期的工艺控制目的，决定对生产过程中的物料流（如固体、液体和气体等）、能量流（如蒸汽、煤气和电源等）实施合理的调度和传输，满足各种工艺要求的各种反应、配比、控温、调压和位移等作业程序，实现预期的各项技术指标，最终获得合格的产品。,总的来说，过程控制设计前的工作归纳起
5、来主要有如下几条：,1. 深入了解生产产品要求，提出满足生产过程的各种控制技术要求或指标。,2. 深入作业现场调查生产工艺流程及各种物料配送或变化情况，以便实现对各种被测参数的实时检测，以及对各种物料和能量的有效控制，完成产品的生产制造过程。,10.1.3 过程控制系统设计的主要内容,一个完整的过程控制系统设计包括：控制方案设计（Control Scheme Design）、工程设计（Engineering Design）、工程安装与仪表调试（Engineering Installation and Instrument Debugging），以及控制器参数整定（Controller Para
6、meter Setting）等四部分。,1. 控制方案设计,3. 建立被控过程数学模型，以便合理选择控制器形式和控制算法，实现预期的控制系统指标。,控制方案设计是控制系统设计的核心内容，必须确保正确无误。因为如果控制方案不正确，不管你选何种仪表、安装如何合格，控制系统在生产中难以发挥作用，达不到预期的指标，从而导致劳民伤财。,系统控制方案的设计主要是针对生产过程流程中的问题与生产技术要求，确定系统的控制方式和组成。这是在了解过程特性的基础上，根据控制任务和技术指标要求，对系统的运行方式作总体考虑与计划。控制系统需考虑的问题主要有：被控变量的选择、操作变量的选择、被控量检测器的选择、执行器的选择
7、和控制器控制规律选择和正反作用方式的确定等。其中有些具体的问题，也划归工程设计来考虑。方案设计与工程设计两者既有联系，又有各自不同的分工，共同完成系统设计的任务。前者着重一些大的框架性的东西，后者较为具体，表现为现场化的工作。鉴于方案设计的内容在第 6 章的单回路控制系统中基本都讨论过，这里不准备重复。至于一些开关量的控制，也属于考虑的范围，一般较为简单，这些大都由可编程控制器来解决。,2. 工程设计,工程设计是在控制方案设计正确的基础上进行的，它是工程建设中重要的一环，是工程实施的依据。过程控制工程设计是运用控制工程的知识，针对具体的工艺流程，实现自动控制的具体体现。具体内容包括仪表选型、控
8、制室和仪表盘设计、仪表供电和供气系统设计、信号及连锁保护系统的设计、线路设计、电缆铺设、以及施工图的绘制等。对于一些危险或恶劣的现场环境，如高温、高压、易燃易爆、强腐蚀等生产现场，还要增加相应的防护措施，确实保证工作人员生命和财产的安全。,过程控制工程设计中通常需要完成的内容有：,（1）熟悉工艺流程：这是控制方案设计的基础，也是工程设计的第一步。在熟悉工艺流程中，应注意有关物料或半成品的物理和化学特性，关键参数和重要数据。,（2）确定控制方案，绘制工艺控制流程图：在了解工艺过程，并与工艺人员充分协商之后，确定全工艺流程的控制方案，并在此基础上绘制工艺控制流程图，配合工艺专业完成各管道、仪表流程
9、图。,（3）仪表选型，编制与仪表相关信息的设计文件：首先确定是采用常规仪表，还是现场控制总线，还是工业以太网，然后根据控制方案确定的检测器和执行器，按工艺要求及仪表选型原则，查阅有关组织和机构汇编的产品目录、厂家产品样本和说明书等资料，调研产品性能、质量和价格，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格与型号，并编制出仪表数据表或设备表。,（4）控制室设计：在控制方案和仪表选型确定之后，根据工艺要求和现场实际情况进行控制室设计。画出控制室的布置图、以及控制室与现场信号的连接图等。对常规仪表，应考虑仪表盘的正面布置，并画出仪表盘布置图等系列图纸。还应与土建、通暖、电气等专业人员协商，提出有关设计
10、要求。,（5）节流装置和调节阀的计算：控制方案确定之后，所需的节流装置和调节阀的数量和位置也确定了。根据工艺过程数据和有关计算方法进行计算，获得调节阀和节流装置计算的数据与结果，并提供给管道专业技术人员进行管道设计。,（6）供电和供气系统的设计：由于电动仪表和气动仪表需要电能和气能才能工作，所以需要有相应的供电供气系统。具体来说，需要按照供电供气负荷大小及配置方式，画出仪表供电系统图、仪表空气管道平面图等设计文件。,（7）控制室与现场设备之间相关连接的设计：根据现场设备的位置，进行现场与控制室之间仪表管线的配置。并画出相关的图纸和表格，例如，电缆表、管缆表、仪表伴热绝热表、配线图、配管图、仪表
11、电缆桥架布置图等。,（8）根据与控制相关的设备、材料的选用情况，编制有关设计文件：在进行仪表与控制设备的设计、安装和使用中，可能会选用一些辅助设备和材料，需要根据施工要求，画出相关图纸、编制相关材料表格。,（9）编写设计文件目录，归档编号等：整理设计文件，编制设计文件目录、仪表规定和施工要求等工程设计文件，统一定制归档编号。,3. 工程安装与仪表调试,工程安装是保证系统正常工作的前提。工程安装是依据施工图纸，对控制系统进行装配与调试。安装完毕后，需对照图纸逐项逐条检查核实，然后对每台仪表进行单独校验，接着对每个控制回路进行校验，对控制器还需进行参数整定（属下面的内容），待各部分完成调试后，还需
12、进行整个系统进行联动校验。由于这部分内容实践性较强，需在现场实际操作才能获得具体的技能。,4. 控制器参数整定,在控制方案正确、安装无误的情况下，需进行控制器参数整定，即通过调整控制器参数，使系统运行在最佳的状态，并使各项指标满足要求。这是过程控制设计中重要的环节之一。如果多次进行控制器参数整定，仍达不到预期的控制效果，此时应考虑控制方案是否合理，控制器选择是否恰当等问题。,关于如何进行控制器参数整定，在第 6 章中已有介绍，这里不再重复。,锅炉（Boiler）是工业生产中非常重要的动力设备，它产生的高压蒸汽（Steam/Vapor），既是发电机的动力源，又是干燥、蒸发、蒸馏和化学反应等过程的
13、热源。锅炉设备的控制直接关系到高效、安全和经济等方面的问题。,10.2 锅炉设备的控制,10.2.1 锅炉设备,锅炉的种类比较多，如果按锅炉所用燃料（Fuel）的不同进行划分，可分为燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉等。在化工、制糖和造纸等生产中，也利用各种可燃废料作为燃料，或者利用化学反应产生的热量，来生产蒸汽，形成了废热锅炉。在石油化工和炼油行业，也利用残油、残渣和残余可燃气体等作燃料，形成废料锅炉。虽然燃料种类不同，但是，蒸汽产生和处理程序基本相似，工业生产中常见的锅炉设备产生蒸汽的流程如图 10-1 所示。,让燃料与热空气按一定比例一起进入炉膛，点火燃烧，烧水产生的热量通过蒸汽表现出来，该蒸
14、汽称为饱和蒸汽（Saturated Vapor/Steam），用 表示。该蒸汽通过过热器（Superheater / Overheater），形成过热蒸汽 D（Superheated Vapor/Steam），其气压为过热蒸汽压，用 表示。过热蒸汽经阀门控制后，送负荷设备使用。燃烧中产生的烟和气除了将饱和蒸汽变为过热蒸汽之外，还通过省煤器（Economizer）预热锅炉给水，以及通过空气预热器预热空气，最后经引风机（Induced Draft Fan）送往烟囱（Chimney），排入空中。,图 10-1 锅炉产生蒸汽流程图,控制锅炉设备的任务是：根据生产负荷的需要，提供一定压力和温度的蒸汽，同
15、时保证锅炉安全、经济地运行。,对于锅炉燃烧供气这一被控过程来说，它是一个多输入多输出对象，且变量之间相互关联，情况比较复杂。主要输入变量有：负荷（蒸汽需求量）、锅炉给水、燃料、降温水、送风和引风等，主要输出变量有：蒸汽压力、汽包（Steam Drum）水位、过热蒸汽温度、炉膛负压和过剩空气等。其输入输出关系如图 10-2 所示。,图10-2 锅炉过程输入输出关系示意图,举例来说，如果蒸汽需求量变化，势必影响汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等输出量的变化；燃料的变化，将影响蒸汽压力、汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化，不仅影响汽包水位，而且影响蒸汽压力和过热蒸汽温度等量。,
16、对一般锅炉设备控制的要求是：,（1）供给的蒸汽应随负荷变化而变化，或者保持给定负荷； （2）供给的蒸汽压力和过热蒸汽温度应保持在一定范围内； （3）汽包水位应保持在一定高度（范围）； （4）炉膛负压应保持在一定范围内。,鉴于以上控制要求，根据锅炉设备的工作原理与工艺流程，现提出以下三个控制子系统来实现对锅炉运行中有关物理量的控制：,表 10-1 锅炉设备的主要控制子系统,10.2.2 汽包水位控制系统,使锅炉汽包水位处在一定范围是锅炉稳定而安全运行的基本要求。这是因为，如果汽包水位过高，饱和蒸汽带水过多，水汽难分离，从而使过热管壁结垢，过热蒸汽温度因为传热阻力增大而下降。如果该过热蒸汽作为汽轮
17、机动力源，则蒸汽带水会损坏汽轮机叶片，进而影响运行的安全性；如果汽包水位过低，则汽包水量较少，当负荷较大时，水的汽化速度快，因水量供给不足，会使汽包内的水全部汽化，进而导致锅炉烧坏或爆炸。所以，汽包水位过高或过低，都将产生较为严重的后果，必须将其控制在一个较为严格的范围之内。,1汽包水位过程的动态特性,从工作过程看，给水经省煤气加热后送到汽包，经加热蒸发为气体，再经过热器后供使用。输入量有两个：一是给水流量（操作量），另一个为过热蒸汽流量（干扰量）。被控量为汽包水位。控制的基本思路是，通过维持汽包水位恒定，达到供给水与蒸发气体流量的平衡。给水被控过程结构如图 10-3 所示。,(1) 当蒸汽负
18、荷突然增大时（相当于突加阶跃干扰），输出蒸汽量 D 大于给水量 W，水位应立即下降，如图 10-4 中曲线 。但实际情况并非完全如此，由于用气量的增加，顷刻间汽包压力下降，汽包内水沸腾加剧，水中气泡快速增加，汽包容积增加，使水位上升，如图 10-4中曲线 。所以，实际情况是，汽包内水位应为 。也就是，当蒸汽负荷增大时，尽管,图 10-3 锅炉给水被控过程,锅炉的给水量小于蒸发量，但刚开始时，水位不仅不下降，反而快速上升，然后再开始下降。有人称这种现象为虚假水位。实际上，负荷变大时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中的 的时间常数只有1020 s。,图 10-4 蒸汽流量干扰引
19、起的汽包水位响应,图 10-5 给水（流量）作用下汽包水位变化情况,蒸汽流量变化引起的汽包水位变化可用下述传递函数来描述,其中， 为蒸汽流量作单位流量变化时水位的变化速度， 为仅考虑水面下汽泡容积变化引起的水位 变化的增益， 为 的时间常数。,虚假水位变化的幅度与锅炉工作压力和蒸发量有关，对 100200 t/h 中高压锅炉，负荷变化10时，虚假水位可达 3040 mm。该现象的出现，本质上属对象的反向特性，给控制系统设计增加了一定的难度。,（2）当给水增加时，即操作量作用时，考察汽包水位变化情况。一定温度的水进入汽包后，由于进水温度低于汽包内水温，需要吸热，使得汽包水位不立即上升。经加热至蒸
20、发，然后输出给负载，才能影响汽包水位的变化，这个过程比较慢。另外，当给水 W 突然增加时，给水需要经过省煤器和管道等路径才能进入汽包。所以，可将其视为一个带有纯时延的单容无自平衡能力过程。其水位 h 变化如图 10-5 所示，具体可用下列传递函数来描述：,其中， 为给水流量作用下，汽包水位曲线的飞升速度， 为纯时延时间。实验证实，给水水温,越低， 越大，一般在 15100s 之间，如果给水经省煤器到汽包，它将增加到 100200s。,2. 单冲量水位控制系统,这里的冲量不是作用在物体上的力与力的作用时间的乘积，而是指变量，单冲量就是单变量，这里为汽包水位。单冲量水位控制系统实际上就是一个单回路
21、水位控制系统，被控（测）量为汽包水位，其结构如图 10-6 所示，相应的控制方框图见图 10-7。其中 LT 为水位检测器，LC 为水位控制器。,图10-7 单冲量水位控制方框图,图10-6 单冲量水位控制系统,对于小型的锅炉，由于给水在汽包中停留时间较长，加上负荷比较稳定，再配以连锁报警装置，该控制系统基本上可保证安全，满足生产需要。但是对于中大型锅炉，特别是负荷大幅波动的锅炉，由于假水位现象，使得问题表现得较为严重。具体情况是，当蒸汽负荷突然大幅增加时，在燃料量不变的情况下，汽包内蒸汽压力瞬时下降，汽包内液体大量汽化，沸腾突然加剧，水中气泡迅速增多，将水位抬高，形成虚假水位上升。即该水位的
22、上升，,并不是汽包内贮水量的真实增加。由于假水位的出现，控制器不仅不开大调节阀，引入较多给水，反而减小调节阀开度，使汽包水位进一步降低，严重时会使汽包内水位降到危险的程度，并引发事故。所以，对负荷波动大、给水在汽包中停留时间较短的情况，这类单冲量水位控制系统不能满足需要。,3. 双冲量水位控制系统,鉴于单冲量水位控制中，最主要的干扰是蒸汽流量变化，所以有必要针对该干扰实施相应的措施，这里用到前面谈到的前馈-反馈复合控制系统。利用蒸汽流量检测器，对锅炉负荷进行监测，并将其结果从前馈通道引入前向通道，具体如图 10-8 所示，系统控制方框图见图 10-9。其中FT为蒸汽流量检测器，为加法器。,图1
23、0-8 双冲量水位控制系统结构示意图,图10-9 双冲量水位控制系统方框图,与单冲量水位控制系统相比，双冲量水位控制能有效解决汽包中假水位的问题：通过引入蒸汽流量信号，来影响进水阀的开度。具体说，如果负荷增大，虽然有假水位出现，即水位检测器出现水位升高假象，欲使进水量减小，但是蒸汽流量会增大，该检测信号经前馈通道，进入反馈回路，并与水位控制器输出信号相叠加，通过恰当选择进水调节阀气开或气闭的方式，使得进水量增大，从而克服由假水位造成不良后果的毛病。,相叠加实际上可用一个加法器来实现，调节阀接受到的信号算式为,（10-1）,其中， 为水位控制器输出信号； 为蒸汽流量变送器输出信号（通常需经开方器
24、）； 为加法器系数，它取正或负，与调节阀的气开/气闭方式有关，而调节阀的气开/气闭方式需要从安全生产的角度老考虑， 为初始偏置， u为加法器输出信号。,由此看来，双冲量水位控制系统对负荷变化有较好的抵御能力。但是，它对于给水扰动，如水压变化，却难以抵抗。,4. 三冲量水位控制系统,为了有效地克服给水水压变化引起的汽包水位波动，在双冲量水位控制的基础上，将给水水流量（或水压力）作为副参数引入系统，形成三冲量水位控制系统，如图 10-10 所示，其控制方框图如图 10-11。其中， 为蒸汽流量检测器， 为给水流量检测器，FC 为水流量控制器。,实际上，三冲量水位控制系统就是前馈-串级控制系统，它是
25、在原前馈-反馈控制系统的基,础上，在反馈回路内增加了一个副回路。这种控制形式在前面的控制类型中，我们已经讨论过（见图 8-4 ）。主被控量，也称主冲量，仍为汽包水位，副被控量为给水流量，给水流量与蒸汽流量均为辅助冲量。,图 10-11 三冲量水位控制系统方框图,这里给水流量控制器的给定值 实际上是前面前馈-反馈控制系统中的 u，给水流量的变化通过给水流量检测器的输出反映出来，并经副回路可及时进行控制。蒸汽流量的变化作为主要干扰，通过前馈-反馈方式进行补偿。这里的主控制器是水位控制器，可选 PI 或 PID 控制算法，副控制器为给水流量控制器，可选 P 控制算法。,以上采用了三个检测器：汽包水位
26、检测器、给水流量检测器和蒸汽流量检测器，两个控制器：汽包水位控制器和给水流量控制器，其结构分明，控制思路清晰。三种检测信号与控制器、加法器以及调节阀的连接如图 10-12 所示。,图 10-12 三冲量信号连接图,图 10-13 两种三冲量信号简化连接图,值得一提的是，在有些场合，有人为了简化这种控制结构，采用了简便的控制方式：保留汽包水位控制器，省去给水流量控制器，其连接方法如图 10-13 所示的两种。图左边为汽包水位控制器在加法器之前，右边为汽包水位控制器在加法器之后。但是这两种方法在性能上不如,前面所述的方法，并且控制器参数整定上比较麻烦。所以，这类简化方案不具优势、不推荐使用。,三冲
27、量水位控制系统对于一般情况下的扰动或异动，都有较好的抵抗和纠正能力。如果遇到：锅炉进水在汽包中停留时间短、蒸汽流量变化幅度大、水位偏离设定值幅度过大等现象，可进一步采取在给水流量检测信号通道增加惯性环节、蒸汽流量检测信号通道增加反向微分环节，或在汽包水位检测信号通道附加微分环节等措施，减小水位波动，维持水和气的动态和静态平衡。,10.2.3 锅炉燃烧控制系统,锅炉燃烧的目的是为了产生热量，使液态水变为蒸汽，供给用汽环节使用。同时，也应保证锅炉燃烧的经济性和锅炉运行的安全性。燃烧过程的控制与燃料种类、燃烧设备、锅炉类型以及规模有直接的关系。锅炉燃烧控制的任务主要有以下几点：,(1) 保持锅炉输出
28、蒸汽压力稳定，如果蒸汽负荷变化，蒸汽压力也会随之而变，此时燃料和空气也应有相应的调整，即增大或减小燃料及其相应的氧气量，以适应变化。,(2) 按合理比例配置燃料量与送风量，发挥燃烧效率，保证燃烧的经济性。鉴于燃烧效率难以测量的事实，目前主要采用间接参数测量法，即通过测量锅炉排烟中的含氧量来反映过剩空气系数，间接表示送风量与燃料量之间的配比与燃烧效率。实施这一方案的控制手段，主要是比值控制技术。,(3) 维持锅炉炉膛负压稳定。通过排烟量与送风量的控制，将炉膛的负压固定在设定值上。这主要是因为如果负压太大，大量冷空气漏进炉膛，一来增大引风机负荷，二来排烟带走大量,的热量；如果负压过小，甚至为正压，
29、则炉膛热烟气，甚至火焰从里往外冒，直接影响设备与工作人员安全。通常炉膛负压应维持在：-20-50Pa。,另外，还应加强安全措施，防止喷嘴背压过高时，因燃油或燃气流速过高而脱火；喷嘴背压过低时，燃油或燃气流速过低而回火。,正如表 10-1 所示，锅炉燃烧控制系统主要包括蒸汽压力控制、烟气成分（燃料流量与空气流量配比）控制和炉膛负压控制等具体内容。,1. 蒸汽压力控制系统,因蒸汽负荷的变化，导致蒸汽压力的变化，使蒸汽压力偏离设定值，此时通过改变燃料流量（操作量），促使蒸汽压力回复至设定值。同时，为了确保燃烧的效率，还需实时调节送风量，最终蒸汽压力达到稳定。为此，采用串级-比值-选择控制系统，如图
30、10-14 所示。比值控制在内环，是燃料流量与空气流量之比，它充分而合理的燃烧是产生蒸汽的基础；外环是蒸汽压力控制，它要维持蒸汽压力恒定，不论蒸汽负荷如何变化。,从操作角度来说，为了使燃料充分燃烧，应有合理的送风量，在蒸汽流量增大时，应先增加送风量，然后增加燃料量；当蒸汽流量减小时，先减小燃料量，后减小送风量。这是工艺上的要求，符合经济和安全的原则。燃料量与送风量应协调配合，以实现节省能源。方案实现上采用双闭环比值控制加选择环节，称作燃烧过程交叉限幅协调控制。蒸汽压力处在外环位置，它是整个控制的落脚点。,在图 10-14 中，两个选择器是既保证稳态时空气与燃料比控制要求，又具有提升和降低燃料和
31、空气流量给定的功能。稳态时，各信号达到平衡，即有 ，K 为空气燃料比系数。如果此时由于蒸汽用量增大，则蒸汽压力下降，为使蒸汽压力恢复至设定值，需增大蒸汽压力控制器输出 。此时空气量和燃料量还未发生改变，即 。高选择器接通，有 ,即空气流量回路给定上升。于是启动空气流量控制器，改变空气阀门开度，提升空气流量。由于空气流量上升，使得 也上升，低选器的输出 跟踪 ，经燃料控制器，使燃料量得以提高，最终使燃料量与空气量都得以提高，从而使蒸汽压力回升至设定值。,图 10-14 蒸汽压力串级-比值-选择控制系统,同理，当蒸汽压力受扰上升时，蒸汽压力控制器输出 减小，低选器接通，即有 ，燃料控制回路给定值下
32、降。在其指导下，燃料流量 变小，并通过高选器，使 减小，即空气控制回路给定值变小，最终导致空气流量也减小，达到了与燃料流量减小一致的要求，使得蒸汽压力上升的态势被压制。,2. 燃烧过程的烟气氧含量控制,前述的蒸汽压力控制系统考虑了当负荷变化时，如何实时地调节燃料和空气比值的问题。但是，它并不能确保多种变化形式下的最优比值问题。例如，燃料成分的改变（如燃油或燃气主要成分的比例变化），不同负荷下，燃料与空气最优比值的变化等。对于这些变化的出现，前述的固定比值控制是难以解决问题的，这需要适时地根据变化，恰当地改变比值，以达到燃料与空气的最佳比，发挥燃烧产气的最大效率。,检测锅炉燃烧的热效率通常是对烟
33、气成分含量进行分析。烟气中含有 、 、 和未燃烧的烃等物质，最简单、最常用的方法是通过对烟气中氧含量 的检测来进行判断，常用的检测器是氧化锆（Zirconium Oxide， ）氧量仪表。由燃烧反应方程式，可算出燃料完全燃烧所需的氧气量，进而获得所需的空气量，称之为理论空气量 。实际上，完全燃烧需要的空气量,往往要超过理论计算量，也就是有一定的过剩空气量。当过剩空气量增多时，会降低炉膛温度，同时使烟气热损失增加。所以，过剩空气量对不同的燃料有一个最优值，例如，对液体燃料最优过剩空气量为 815。,过剩空气量一般用过剩空气系数 a 来表示，即实际空气量 与理论空气量 之比：,它是衡量经济燃烧的一
34、个指标。但是 a 难以直接测量，锅炉烟气中它与氧气 有近似关系：,可以通过测量氧气 来获得 a 值，有了a 值就可实现风量-燃料动态配比控制。,具体实施方案，可在前述串级-比值-选择控制系统基础上，将烟气含氧量测量与控制环节附加到空气流量控制回路中，如图 10-15 右边所示。,图 10-15 烟气含氧量控制方案示意图,3. 炉膛负压控制与安全保护系统,（1）炉膛负压控制,通常情况下，炉膛压力控制可另设一个控制回路，被控变量为炉膛压力 （设定值应为负压），操纵量为引风量，由控制器 来控制烟道中的蝶阀开度，以改变引风量，实现炉膛中负压恒定。这对于锅炉蒸汽负荷波动较小的情况，是可以的。但是，如果负
35、荷变化较大，燃料量与送风量会有相应改变，由于引风量仅在炉膛负压有偏差时才作调整，所以引风量的变化落后于送风量的变化，从而使炉膛负压产生较大波动。此时如果仍用单回路控制，恐怕难以解决问题。为此，可将送风量作为一种干扰，通过前馈的方式将其引入炉膛压力反馈控制系统中来，形成前馈-反馈控制系统，以确保炉膛负压稳定。实践中，也可以考虑将蒸汽压力控制器 的输出作为前馈输入，因为它直接反映了燃料量和空气量的变化，如图 10-16 所示左半部分。,（2）安全保护系统,这里的安全保护一是防止脱火，二是防止回火。其目的是保护锅炉的正常运行，并对工作人员的生命和锅炉设备具有保护作用。,当燃料压力过高，流速过快时，喷
36、嘴易发生脱火事故。正常情况下，由蒸汽压力控制器 的输出，控制燃料阀，以维持锅炉出口蒸汽压力稳定。当喷嘴压力异常高时，背压控制器 通过低选器 LS 控制燃料阀，即关小阀门，减小背压，防止脱火的出现。如图 10-16 左上半部分。,当燃料压力过低，炉膛内压力大于燃料压力时，喷嘴易发生回火事故。一旦喷嘴背压过低（由 检测），压力开关 PSA 动作，将燃料调节阀前的阀门关断，以保护锅炉安全。见图10-16 右上半部分所示。,图 10-16 炉膛压力控制及安全保护系统结构图,10.2.4 蒸汽过热过程的控制,过热蒸汽温度是锅炉设备，尤其是火力发电厂锅炉设备的重要参数。由于过热蒸汽温度很,高，通常是接近设
37、备材料允许的最高温度。如果温度再高，将损坏过热器，同时热膨胀会引起设备变形；如果过热蒸汽温度偏低，则设备或机组效率变低。所以，应控制过热器出口温度，使设备安全有效地运行。蒸汽过热设备包括一级过热器、降温器、二级过热器和输出管道等几部分，对这一过程控制的任务是：使过热蒸汽出口温度维持在既定的范围之内，并且不让过热器管壁温度超过允许范围，使水生气的生产过程高效、安全地运行。,通过对蒸汽过热过程的分析，不难看出，采用降温水作操纵量、出口过热蒸汽温度作被控量较为合理。但是，由于过热器管道较长、金属管壁有较大的热惯性，过程数学模型中的纯时延时间和惯性环节时间常数均不小，若采用单回路控制方式，则有控制不及
38、时的问题，难以满足生产需要。为此，可选用串级控制系统，将降温器蒸汽出口温度作副被控量，过热器出口温度作主被控量，可明显提高控制性能，具体控制结构如图 10-17 所示。,由于副控制器 需迅速消除副回路中干扰的影响，且对降温器出口处温度差无特别要求，可选择副控制器为比例控制规律，主控制器 需要控制过热器出口处温度为设定值，因而选用比例-积分控制规律或者比例-积分-微分控制规律。,有了控制系统结构图，画出系统控制方框图就比较容易，这可作为一个练习，留给读者自己完成。,以上的讨论基本涵盖了工业锅炉的主要流程控制问题，根据各个部分作用和功能的不同，将其分为汽包水位控制系统、燃烧控制系统和蒸汽过热控制系
39、统。实际上它们在运行过程中是互相联系、有序进行的。通过燃烧加热，使水变为蒸汽，最终为生产提供有压力和温度要求的蒸汽动力和热源，满足生产需要。由于控制过程中的物理量不少都是相互关联的，实际上锅炉,图10-17 过热蒸汽温度串级控制系统结构图,设备的过程控制是多输入多输出的控制问题，只是在一些条件下，尽量保持次要物理量不变，而着重考虑主要物理量的变化与控制。随着科学技术的发展，已经有不少锅炉设备的控制用上了计算机技术和网络技术，其控制方式也是以仪表控制为基础，适当地引入计算机和网络设备与技术，使得锅炉设备的控制性能与水平上了一个新的台阶。限于篇幅，在此不继续讨论了。,本章小结,过程控制系统的设计是
40、一个很大的题目，由于控制涉及的行业和部门不同，过程控制的形式会有不小的差别，但是设计内容和方法却大同小异。根据设计原则，做到具体问题，具体分析、区别对待、谨慎处理，这倒是有技巧，值得研究。本章介绍了过程控制系统设计的基本知识，包括设计内容和方法，并以工业锅炉设备的控制为例，讨论了具体的设计方法，提出了一些解决问题的思路，这些对其它控制系统的设计具有参考和借鉴作用。,一个完整的过程控制系统设计与建立，主要包括：控制方案设计、工程设计、工程安装与仪表调试，以及控制器参数整定等四部分。前两项是设计的主要内容，后两项着重于实施，也就是系统的建立与完善。,工业锅炉汽包水位控制是保证锅炉正常工作和安全运行
41、的基础，锅炉燃烧控制是保证锅炉经济、安全运行的关键，锅炉过热蒸汽温度控制是实现锅炉生产重要质量指标的方法。这三种控制构成了锅炉设备控制的主体。,思考题与习题,10-1 过程控制系统的设计有哪些内容？,10-2 过程控制系统的方案设计有哪些具体内容？ 10-3 什么是工程设计？它主要包括哪些内容？ 10-4 有习题 10-4 图所示的蒸汽加热器系统，要求工艺介质出口温度达到规定的控制指标，试分析下列情况下应选哪种控制方案，并画出带控制点的流程图与方框图。,习题 10-4 图,（1）工艺介质流量 与蒸汽压力 均比较稳定。,（2）工艺介质流量 比较稳定，但蒸汽压力 波动较大。,（3）蒸汽压力 比较稳
42、定，但工艺介质流,量波动较大。,10-5 根据图 10-17，画出相应的控制系统方框图。,10-6 习题 10-6 图所示的加热炉出口温度控制系统，其中 T 和 分别为被加热介质的加热炉出口温度及其测量值， p 和 分别为燃料气的阀后压力及其测量值，u 为 PC 控制器输出信号， 和 分别为压力控制器 PC 和温度控制器 TC 的设定值，PT 为压力检测器，TT 为温度检测器，PC 和 TC 分别为压力控制器和温度控制器。,习题 10-6 图,（1）画出该控制系统的完整方框图（要求注明每个方块的输入输出信号）。 （2）确定燃料气调节阀的气开、气闭形式，并说明理由。 （3）确定控制器 PC 和 TC 的正反作用方式。 （4）假设控制器 PC 和 TC 均采用 PID 规律，请说明 “积分饱和” 现象，并提出有效的防积分饱和措施。,
