锅炉设备与加热炉的控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,11.1,概述,对物料进行加热或冷却的设备称为传热设备,结构形式：列管式、蛇管式、夹套式、套管式,一般传热设备（以上）,特殊传热设备：加热炉、锅炉、蒸发器等,传热设备的类型,11.1.1,传热方式：,传导、对流、辐射,物流接触关系：,直接接触式，间壁式、蓄热式,热量交换形式：,无相变的热量交换、有相变的热量交换,传热设备的类型,11.1.1,（,a,）,列管式换热器,液体1进口,液体2入口,液体1出口,花板,液体2出口,列管,11.2,一般传热设备的控制,换热器、蒸汽加热器、再沸器、冷凝器等,传热设备作用及控制,11.1.2,（1） 对工艺介质进行加热或冷却,（2） 使工艺介质发生相变,（3） 热量回收,主要是进行温度控制，以及一些保护性控制,控制要求：,换热器的控制,11.2.1,图11-2 逆流单程换热器,G,2,c,2,T,2i,G,1,c,1,T,1i,G,1,c,1,T,10,G,2,c,2,T,20, 对象静态特性分析,基于热量平衡方程和传热速率方程,用于系统扰动分析及静态控制设计依据,（1）特性分析,换热器的控制,11.2.1,q=KF,T,单程、逆流管式换热器静态特性基本表达式,(11-6),仿真分析（静态放大倍数）：,T1i T1o ： 式11-8 T2i T1o ： 式11-9,换热器的控制,11.2.1,仿真分析（静态放大倍数）：,T1o -G2 ： T1o -G1 ：,3,1,2,4,换热器的控制,11.2.1,图11-4,图11-5, 对象动态特性分析,换热器的控制,11.2.1,T1iT1o ：,式11-11 动态纯滞后环节,T2iT1o、 G1T1o 、 G2T1o,式11-12 带纯滞后的二阶惯性环节,分布参数对象：既是时间函数，,又是空间的函数,精确描述：偏微分方程，,求解困难,经验公式近似描述：,特点：简单易行,但是，当G2已经很大，而温差较小时，迟钝控制,另外，若工艺上不允许对载热体节流时，不能采用这种方案,（2）控制方案,两类基本方案：控制载热体流量、旁路控制介质流量,换热器的控制,11.2.1,工业介质G,1,载热体,G2,TC,图11-7,控制载热体流量,用载热体流量控制介质出口温度，最常用的方法, 介质旁路控制,介质混合过程,控制及时（相当于前馈机理）,另外，还可以组成前馈串级控制方案图,换热器的控制,11.2.1,图11-9,工业介质G,1,载热体,G2,TC,蒸汽加热器的控制,11.2.2,控制载热体流量,蒸汽发生相变，可同时通过T和传热面积控制，只是要注意出口液体能够连续排出。,蒸汽作为热载体，工业常用,蒸汽G,2,TC,凝液,G,1,图11-11,控制冷凝液排量,热载体的出口控制，通过改变F控制,控制阀控制液体，口径可以小些，液体 控制平稳，缺点：滞后,蒸汽G,2,凝液,TC,FC,G,1,蒸汽加热器的控制,11.2.2,图11-14 前馈-反馈控制系统,冷凝冷却器的控制,11.2.3,缺点：控制不灵活，另外要保证液位不能过高，防止汽带液,T-L串级控制系统 图11-16,热载体为液态冷却剂，通过在换热器内蒸发，带走介质热量,气氨,TC,液氮,图11-15, 控制载热体流量,优点：控制平稳，对出口气相压力没有影响,冷凝冷却器的控制,11.2.3, 控制汽相流量,控制灵活，但出口压力波 动，若直接进入压缩机，对压缩机有影响,TC,LC,液氮,气氨,11.3,锅炉设备的控制,11.3,锅炉设备的控制,11.3.1,概述,主要结构图 P199 图11-19,燃烧系统、给水系统、蒸汽产生系统,锅炉产生蒸汽，而蒸汽一般是过程设备的能量来源动力设备，而蒸汽质量对过程生产有直接影响,作用：,分类：,锅炉有多种分类，根据锅炉用途、燃料性质,（煤、油、气）、压力（高、中、低）,结构：,（4）水处理控制,防止或减少结垢,主要控制系统,11.3.1,概述,（1）汽包水位控制,保持水量与蒸汽量的物料平衡,（2）燃烧控制,保证燃烧的经济性和安全性,（3）蒸汽控制,控制过热蒸汽的温度,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,锅炉的汽包水位控制一般比较严格,汽包水位的控制是锅炉和蒸汽用户的平稳、安全的保证,水位过高,影响汽水分离，使饱和蒸汽带水过多，,使过热蒸汽温度下降,水位过低,可能全部汽化，产生危险,汽包水位的动态特性,影响因素多,主要讨论水流量、蒸汽流量L 特性,11.3.2,锅炉汽包水位的控制, 给水流量WL,阶跃响应H曲线，相当于积分加纯滞后环节,给水温度越低，纯滞后时间越大,W,H,H,1,H,t,t,曲线H汽包水位，开始上升，然后再下降，“虚假水位”现象,11.3.2,锅炉汽包水位的控制, 蒸汽流量DL,曲线H1D突然增加，物料平衡，水位下降,曲线H2D突然增加，瞬间汽包压力下降，水沸腾加剧，,气泡增加，水位上升,H1,H2,H, 对给水扰动控制滞后,蒸汽,气泡,省煤器,给水,LC,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,（1）单冲量控制系统,汽包水位的单回路控制， “单冲量”汽包水位,适用于负荷小的锅炉,三个问题：, 不能克服虚假水位带来的后果, 对蒸汽负荷的变化控制不灵敏,前馈（蒸汽流量）反馈（汽包水位）控制系统,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,（2）双冲量控制系统,为了克服虚假水位现象，引入蒸汽流量，“双冲量”,I=C,1,I,C,C,2,I,F,I,0,蒸汽,I,C,I,F,I,0,LC,给水,静态前馈,G,C,C,1,G,V,G,PC,G,mF,C,2,G,m,G,PD,I,F,L,0,I,C,I,0,I,图11-24,（b）,D,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,加法器系数,I,C,汽包水位信号，C11,I,F,蒸汽流量信号，C2根据静态前馈补偿设置,I0偏置值，调整I的输出，正常负荷下，I0与C2、IF相互抵消,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,安全角度，保护锅炉，气闭，防止烧干,保护蒸汽用户，气开,11.3.2,锅炉汽包水位的控制, 阀、控制器、运算器符号,阀的开闭形式：,控制器正反作用：,对象：正，,若气闭阀，LC=正，若气开阀 LC=负,运算器正负号：,C2： 取决于控制阀开闭形式,蒸汽量,给水量应该,：,气闭：I应该,C2取“-”,气开：I应该,C2取“+”, 双冲量控制系统其它形式,LC,水位,蒸汽量,给水阀,LC,水位,蒸汽量,T,d,S,给水阀,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,在双冲量基础上，进一步克服给水干扰，引入给水流量信号,I=I,C,CI,F,-I,0,蒸汽,LC,FC,给水,I,F,I,C,I,F,I,0,I,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,（3）三冲量控制系统,前馈（蒸汽流量）串级（汽包水位给水流量）控制系统,G,PD,G,mF,G,PC,G,P2,G,C2,G,mF,G,C1,G,m,I,F,I,C,I,0,I,0,I,F,I,U,L,11.3.2,锅炉汽包水位的控制,I0与IC抵消,11.3.2,锅炉汽包水位的控制, 加法器系数C,根据给水流量变化W=蒸汽流量变化 （前馈补偿）,对于I0，正常负荷时,由于CI,F,作为流量控制器的给定，蒸汽流量增加，给水流量应该提高，C永远为正（与阀的形式无关，与双冲量不同）,I=I,C,+ CI,F,- I0,11.3.2,锅炉汽包水位的控制, 阀、控制器、运算器符号,阀安全角度确定,控制器按串级系统确定（先副后主）,运算器符号：,出口温度控制 控制方案,一级过热器、二级过热器、减温器,11.3.3,过热蒸汽系统控制,d/dt,TC,图11-33 双冲量控制,T,2,C,T,1,C,减温水,图11-32 串级,减温器,减温器,与燃料种类（油、气、煤）、燃烧设备、锅炉形式有关,基本要求：,（1）出口蒸汽压力稳定，根据蒸汽负荷调节燃烧程度,（2）燃烧良好,（3）安全,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,（1）蒸汽压力与燃烧控制,一般，用燃料量控制蒸汽压力，单回路/串级,燃烧控制要求燃料与空气的一定比例，比值控制,加入逻辑关系，,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,FC,FC,FC,FC,LS,HS,PC,PC,K,K,燃料阀,燃料阀,空气阀,空,气,量,空,气,量,燃料量,燃料量,p,p,图11-35,图11-34,燃料与空气比值的最优化,维持燃烧，理论上要维持一个最低空气量，实际空气量要略大于最低量，过剩空气量。大，能量浪费，小，燃烧不完全,对于不同的燃料，都有一个最优空气量最经济燃烧,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,（2）烟气含氧量控制,可通过烟气含氧量信号间接获得,燃料阀,空气阀,燃料量,空气量,最优值,O,2,p,PC,FC,LS,AC,FC,HS,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,在燃烧控制方案中引入含氧量信号校正,若要求能够适应负荷变化，可构成图11-40的控制系统。,燃烧嘴背压过低，实施联锁保护，切断燃气阀。,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,（3）炉膛负压控制及安全控制, 炉膛负压控制,引风量控制,为克服滞后，可引入蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈反馈控制系统, 防脱火控制,引入燃气压力信号（燃烧嘴背压）构成选择性系统, 防回火控制,蒸汽,气泡,P,1,C,LS,P,2,C,PSA,P,3,C,K,燃料,11.3.4,锅炉燃烧过程的控制,炉膛负压控制及安全控制,火力加热设备，主要是控制炉膛温度（防止烧坏）、燃烧控制，以及被加热物料出口温度控制。,11.4,加热炉的控制,