CN1560510A

CN1560510A - 湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制

Info

Publication number: CN1560510A
Application number: CNA2004100236970A
Authority: CN
Inventors: 吴业飞; 李金叶
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2005-01-05

Abstract

湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制属机电领域内一种自动化调节控制方面，涉及湿蒸汽锅炉自动化控制。其特征是利用湿蒸汽的焓与湿蒸汽干度的一一对应关系，在达到某压力下目标干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值为调节控制系统的给定值，以投入锅炉的燃料量为被调量，实施燃料量对这一给定值进行适时跟踪，使燃料所提供的热能始终保持与目标压力下指定干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值相一致，实现湿蒸汽干度的自动化调节控制。其主要优点是系统结构简单、运行安全可靠，实现自动调节控制，能确保安全生产，进而避免了因传感器的不稳定造成的湿蒸汽干度不稳定的不良后果。

Description

湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制

一、技术领域：

本发明属机电领域内一种自动化调节控制方面，涉及一种湿蒸汽锅炉自动化控制系统，特别是涉及湿蒸汽锅炉的主要控制系统一湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制。

二、背景技术：

湿蒸汽锅炉是一种特种设备。通常情况下，它工作在甚高压或者亚临界状态，因此它也是一种危险性和危害性极大的设备。与次同时，湿蒸汽锅炉又是一种惯性庞大的热力系统，其惯性之庞大是一般常见锅炉所无法比拟，而且没有自平衡能力，即无法依靠自身的平衡能力稳定运行。

然而，由于传感技术的缺陷，湿蒸汽锅炉的控制系统之一，湿蒸汽干度生产过程控制系统，一直处于手动控制状态。湿蒸汽干度控制系统是湿蒸汽锅炉的核心控制系统，由于该系统无法实现自动化控制，致使其它系统也无法实现自动化控制；即便实现自动化控制，也基本上没有什么意义。

众所周知，手动控制是一种最为原始和古老的控制方法。一般情况下，它只能适用于一些小动态的和小规模的简单生产过程控制的目的。但是，迄今为止，由于用于湿蒸汽干度测量的湿蒸汽干度传感器，或者可将信号转换为干度信号的电导仪，存在着巨大的不稳定性的缺陷；使控制系统极其不可靠，从而导致湿蒸汽干度无法实现自动化控制。

在过去的一年中曾有一项专利技术，专利申请号为03112131.4。该技术虽然解决了一些基本控制问题。但是对解决不了燃料发热量以及锅炉热效率等因素对湿蒸汽干度产生的影响，使湿蒸汽干度以及湿蒸汽锅炉其它生产过程仍然很不稳定。因此留下了重大的安全隐患，对企业的安全生产和经济效益带来极其不利的影响。

三、发明内容：

根据是上述存在的缺陷，本发明的目的是提供湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制。本发明在专利技术(申请号为03112131.4)的基础上进行了重要的改进，彻底解决了湿蒸汽锅炉干度生产过程自动调节控制的问题。

所谓湿蒸汽就是，由一定质量比例的饱和水与饱和水蒸汽组成的两相流介质。所谓干度就是湿蒸汽中所含的饱和水蒸汽在湿蒸汽中所占的质量比例的百分数。根据热力学理论，一定压力下单位质量的饱和水与单位质量的饱和水蒸汽各自所具有的焓是一定的。因此，一定压力下由一定比例的饱和水和饱和水蒸汽所组成的单位质量的湿蒸汽的焓也是一定的。进而，根据干度的定义可知，具有一定干度的单位质量湿蒸汽在一定压力下所具有的焓是一定的，即在一定的压力下，湿蒸汽的焓与湿蒸汽的干度是一一对应的。

由于湿蒸汽压力是可以测得的，而且压力测量技术是非常完善和可靠的。因此，即便不采用干度传感器，利用一定压力下湿蒸汽的焓与湿蒸汽的干度是一一对应关系，仅需要对湿蒸汽压力、锅炉的瞬时给水流量、燃料的瞬时流量以及锅炉的给水温度进行实时测量，既可以实现对湿蒸汽干度的自动化控制。

控制系统原理和方法如下：

在假设锅炉给水的焓为0的情况下，当一定质量的水吸收了与某压力下指定干度且质量与一定质量水相等的湿蒸汽的焓相等的热能之后，就转化成了某压力下指定干度的湿蒸汽。但是，锅炉给水本身具有一定的热能，因此以要达到的某压力下目标干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值为调节控制系统的给定值，以投入锅炉的燃料量为被调量，实施燃料量对这一给定值进行适时跟踪，使燃料所提供的人能始终保持与目标压力下指定干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值相一致，就实现了湿蒸汽干度的自动化调节控制。由该方法构成的湿蒸汽干度生产过程自动化控制系统流程图如图1所示。

该方法较现有控制技术的重大改进关键在于：提供给锅炉的燃料，单位体积或者单位质量的发热量是要时常发生变化的，而对燃料的测量只能对其体积或者质量进行测量，不能测量出单位体积或者单位质量的燃料发热量。因此当燃料的发热量发生变化时，将对湿蒸汽干度产生很大的影响。与此同时，锅炉的热效率也不是恒定的，当锅炉的热效率发生变化时也将会较大影响湿蒸汽干度。因此这里引进了一个非常关键的参数-湿蒸汽干度修正系数，即图1中的部件。该部件整合了燃料发热量以及锅炉热效率变化两方面影响湿蒸汽干度的因素，使湿蒸汽干度得以稳定控制。该部件不仅解决了这个问题，如果在锅炉的给水温度可以保持恒定的场合，则控制系统可以省略用于给水温度测量的传感器，甚至可以忽略控制系统中给定值部分锅炉给水的焓，使控制系统变得更加简单和有效。但是一般情况下不建议省略给水温度传感器，以及锅炉给水的焓。

从图中可以看出，由该方法构成的湿蒸汽干度自动化调节控制系统，相对于湿蒸汽干度而言，是一个开环控制系统。尽管此系统应用起来很简单，但是却非常有效。这种方法避免的使用感度传感器等，因此使湿蒸汽干度生产过程自动化控制得以实现，并能够达到稳定控制的目的。

实施该方法时，由于计算量较大，为使控制系统的实现更加简便可靠，要依靠计算机设备来辅助完成各种计算。从图1中可以看到，调节系统的给定值计算公式为

[K1×f₁(P)+K2×f₂(P)]×G-f₃(T)×G (1)

式中G-湿蒸汽的质量流量(它等于锅炉给水流量)

K1-饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数

K2-饱和水蒸汽在湿蒸汽中所占的质量比例系数

f₁(P)-单位质量饱和水的焓关于湿蒸汽压力的函数

f₂(P)-单位质量饱和水蒸汽的焓关于湿蒸汽压力的函数

f₃(T)-单位质量锅炉给水的焓关于给水温度的函数

由于该系统是个开环控制系统，当锅炉的燃料发热量、热效率等发生变化时，对湿蒸汽干度产生的影响，由湿蒸汽干度修正系数部件(K3)进行自动修正，因此该系统引入施政器干度修正系数K3，即部件19。这个参数的推导比较复杂，根据湿蒸汽锅炉的特性、热力学理论，利用高等数学方法-拉普拉斯变换既可以获得K3的计算公司

K3＝0.0468+0.9864×(K1/K2)²G1+0.0904×(K1/K2)³G1^1/2 (2)

式中K1-饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数

K2-饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数

G1-燃油流量

通过(2)式即可获得湿蒸汽干度修正系数

为避免人工计算，在应用湿蒸汽干度生产过程自动化调节控制方法时，可以使用计算机。在使用计算机的情况下，首先应将该方法和所有公司编辑并输入计算机。这样，当湿蒸汽干度偏离设定的干度值时，只要输入实际的湿蒸汽干度，计算机便会自动完成湿蒸汽干度修正系数的计算，使湿蒸汽干度恢复到设定值。

湿蒸汽干度生产过程自动化调节控制方法，应用起来非常方便灵活，很便于应用。由该方法构成的湿蒸汽干度自动化控制系统，可以作为一个独立的控制系统单独使用，也可以作为湿蒸汽锅炉全部生产过程自动控制系统的一个子系统使用。湿蒸汽干度生产过程自动化调节控制的实现，使安全生产和湿蒸汽锅炉的稳定运行都有了可靠的保障。

主要的优点：

1、系统简单，运行安全可靠，确保安全生产。

2、克服了在现有技术中存在的，燃料发热量、锅炉热效率变化等对湿蒸汽干度造成的影响，使湿蒸汽干度得以稳定控制。

3、在使用计算机的情况下，当实际的湿蒸汽干度偏离给定值时，只要输入实际的湿蒸汽干度值，控制系统便能够自动完成对系统本身的整定，使实际的湿蒸汽干度等于给定值。

4、在控制系统中避免了使用干度传感器，进而避免了因传感器的不稳定造成的湿蒸汽干度不稳定等一切后果。

四、附图说明：

图1是本发明的控制系统流程示意图；

图2是本发明的图1的概要说明示意图。

图中1、压力变送器，2、函数部件，3、函数部件，4、乘法运算器，5、求和运算器，6、流量变送器，7、温度变送器，8、K1，9、K2，10、函数部件，11、湿蒸汽的焓，12、锅炉给水的焓，13、调节系统的给定值，14、比例积分微分调节器，15、流量变送器，16、调解阀，17、燃料流量测量的一次部件，18、调节反馈回路，19、K3的干度修正系数，20、给定值，

1—压力变送器，它测量的是湿蒸汽压力。

2—单位质量饱和水的焓的函数部件。此函数可以不是实在函数，即可以不是真实的单位质量饱和水的焓关于压力的函数，实施该系统的人员可以根据现有技术和控制系统的硬件设备，将真实的函数转换成硬件设备能够执行的与真实焓关于压力的函数一一对应的自定义标准函数。它的功能是将湿蒸汽压力信号转换成与压力对应的单位质量饱和水的焓并输出。

3—单位质量饱和水蒸汽的焓的函数部件。此函数与部件2的函数一样可以转换成自定义标准函数，但是必须与部件2的自定义标准函数按统一标准转换。它的功能是将湿蒸汽压力信号转换成与压力对应的单位质量饱和水蒸汽的焓并输出。

4—乘法运算器，功能是将输入的信号进行乘法运算并将结构输出。

5—求和运算器，功能是将输入的信号进行求和运算并将结果输出。

6—流量变送器，它测量的是锅炉给水流量。由于湿蒸汽锅炉的湿蒸汽(质量)流量等于给水流量，因此锅炉给水流量亦可以代替湿蒸汽流量。

7—温度变送器，它测量的是锅炉给水温度。

8—K1，饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数。

9—K2，饱和水蒸汽在湿蒸汽中所占的质量比例系数。

10—单位质量锅炉给水的焓的函数部件，此处它的值取负数。此函数与部件2和3一样，可以转换趁个自定义标准函数，但是必须与部件2和3的自定义标准函数按统一标准转换。它的功能是将给水温度转换成与温度对应的单位质量锅炉给水的焓的负数。

11—湿蒸汽的焓，调节系统的基本给定值部分。

12—锅炉给水的焓，调节系统给定值的修正部分。

13—调节系统的给定值。由部件11和12相加得到。

14—比例积分微分调节器，也叫PID调节器。它的功能是将被调量的反馈信号与给定值进行比较，将偏差经比例积分微分环节进行适当的处理改变调解器的输出值，使燃料调节阀动作，进而使反馈信号与给定值相等。如果反馈信号与给定值相等，则调节器的输出处于稳定状态。

15—流量变送器，它测量的是锅炉燃料供给流量。

16—燃料流量调解阀。

17—燃料流量测量的一次部件。

18—调节反馈回路。

19—K3的干度修正系数。

20—给定值。

五、具体实施方式：

第1步首先，为避免人工计算，若实施本方法必须选择合适的硬件设备，如工业计算机、PLC(逻辑控制计算机)等。设备必须具有如下功能：PID(比例积分微分)调节功能、指数运算和数学运算。

第2步查表获得单位质量饱和蒸汽和水的焓关于压力的曲线，利用加权法获得某特定干度的单位质量湿蒸汽的焓。同样插《(水与水蒸汽性质表》可以获得单位质量锅炉给水的焓。然后，以单位质量湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓，再乘以给水流量，做为调节系统的给定值。

第3步根据现场实际经验计算出K3之值。

第4步依据逐次逼近法，推导出K3之值的数学模型。

第5步设置干度自动修正数学模型。将湿蒸汽干度输入此模型时能够自动计算K3之值。

第6步根据所选择的硬件编程语言，按工艺流程图以及数学模型编辑成软件，输入硬件设备。

第7步安装调试。首先将K3的经验值输入控制系统。但湿蒸汽干度稳定后将实际的湿蒸汽干度输入控制系统，则系统实现自动稳定控制。

Claims

1、湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制，其特征是利用湿蒸汽的焓与湿蒸汽干度的一一对应关系，在达到某压力下目标干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值为调节控制系统的给定值，以投入锅炉的燃料量为被调量，实施燃料量对这一给定值进行适时跟踪，使燃料所提供的热能始终保持与目标压力下指定干度的湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓的差值相一致，实现湿蒸汽干度的自动化调节控制，调节系统的给定值计算公式为[K1×f₁(P)+K2×f₂(P)]×G-f₃(T)×G

式中G—湿蒸汽的质量流量 K1—饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数

K2—饱和水蒸汽在湿蒸汽中所占的质量比例系数

f₁(P)—单位质量饱和水的焓关于湿蒸汽压力的函数

f₂(P)—单位质量饱和水蒸汽的焓关于湿蒸汽压力的函数

f₃(T)—单位质量锅炉给水的焓关于给水温度的函数

该系统是个开环控制系统，当锅炉的燃料发热量、热效率发生变化，对湿蒸汽干度产生的影响，由湿蒸汽干度修正系数部件K3进行自动修正，其计算公式 K3＝0.0468+0.9864×(K1/K2)²G1+0.0904×(K1/K2)³G1^1/2

式中K1—饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数

K2—饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数 G1—燃油流量

2、按权利要求1所述的湿蒸汽锅炉干度生产过程自动化调节控制，其特征是湿蒸汽干度修正系数部件K3是依据现场实际经验计算，用逐次逼近法推导出K3之值的数学模型，即设置干度自动修正数学模型，将湿蒸汽干度输入此模型实现自动计算K3之值，按工艺流程及数学模型编辑成软件，输入硬件计算机设备，实现自动稳定控制。