專利名稱：濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)電領(lǐng)域內(nèi)一種自動化調(diào)節(jié)控制方面，涉及一種濕蒸汽鍋爐自動化控制系統(tǒng)，特別是涉及濕蒸汽鍋爐的主要控制系統(tǒng)一濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制。
背景技術(shù)：
濕蒸汽鍋爐是一種特種設(shè)備。通常情況下，它工作在甚高壓或者亞臨界狀態(tài)，因此它也是一種危險性和危害性極大的設(shè)備。與次同時，濕蒸汽鍋爐又是一種慣性龐大的熱力系統(tǒng)，其慣性之龐大是一般常見鍋爐所無法比擬，而且沒有自平衡能力，即無法依靠自身的平衡能力穩(wěn)定運行。
然而，由于傳感技術(shù)的缺陷，濕蒸汽鍋爐的控制系統(tǒng)之一，濕蒸汽干度生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，一直處于手動控制狀態(tài)。濕蒸汽干度控制系統(tǒng)是濕蒸汽鍋爐的核心控制系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)無法實現(xiàn)自動化控制，致使其它系統(tǒng)也無法實現(xiàn)自動化控制；即便實現(xiàn)自動化控制，也基本上沒有什么意義。
眾所周知，手動控制是一種最為原始和古老的控制方法。一般情況下，它只能適用于一些小動態(tài)的和小規(guī)模的簡單生產(chǎn)過程控制的目的。但是，迄今為止，由于用于濕蒸汽干度測量的濕蒸汽干度傳感器，或者可將信號轉(zhuǎn)換為干度信號的電導(dǎo)儀，存在著巨大的不穩(wěn)定性的缺陷；使控制系統(tǒng)極其不可靠，從而導(dǎo)致濕蒸汽干度無法實現(xiàn)自動化控制。
在過去的一年中曾有一項專利技術(shù)，專利申請?zhí)枮?3112131.4。該技術(shù)雖然解決了一些基本控制問題。但是對解決不了燃料發(fā)熱量以及鍋爐熱效率等因素對濕蒸汽干度產(chǎn)生的影響，使?jié)裾羝啥纫约皾裾羝仩t其它生產(chǎn)過程仍然很不穩(wěn)定。因此留下了重大的安全隱患，對企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益帶來極其不利的影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)是上述存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制。本發(fā)明在專利技術(shù)(申請?zhí)枮?3112131.4)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重要的改進(jìn)，徹底解決了濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)控制的問題。
所謂濕蒸汽就是，由一定質(zhì)量比例的飽和水與飽和水蒸汽組成的兩相流介質(zhì)。所謂干度就是濕蒸汽中所含的飽和水蒸汽在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)熱力學(xué)理論，一定壓力下單位質(zhì)量的飽和水與單位質(zhì)量的飽和水蒸汽各自所具有的焓是一定的。因此，一定壓力下由一定比例的飽和水和飽和水蒸汽所組成的單位質(zhì)量的濕蒸汽的焓也是一定的。進(jìn)而，根據(jù)干度的定義可知，具有一定干度的單位質(zhì)量濕蒸汽在一定壓力下所具有的焓是一定的，即在一定的壓力下，濕蒸汽的焓與濕蒸汽的干度是一一對應(yīng)的。
由于濕蒸汽壓力是可以測得的，而且壓力測量技術(shù)是非常完善和可靠的。因此，即便不采用干度傳感器，利用一定壓力下濕蒸汽的焓與濕蒸汽的干度是一一對應(yīng)關(guān)系，僅需要對濕蒸汽壓力、鍋爐的瞬時給水流量、燃料的瞬時流量以及鍋爐的給水溫度進(jìn)行實時測量，既可以實現(xiàn)對濕蒸汽干度的自動化控制。
控制系統(tǒng)原理和方法如下在假設(shè)鍋爐給水的焓為0的情況下，當(dāng)一定質(zhì)量的水吸收了與某壓力下指定干度且質(zhì)量與一定質(zhì)量水相等的濕蒸汽的焓相等的熱能之后，就轉(zhuǎn)化成了某壓力下指定干度的濕蒸汽。但是，鍋爐給水本身具有一定的熱能，因此以要達(dá)到的某壓力下目標(biāo)干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的給定值，以投入鍋爐的燃料量為被調(diào)量，實施燃料量對這一給定值進(jìn)行適時跟蹤，使燃料所提供的人能始終保持與目標(biāo)壓力下指定干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值相一致，就實現(xiàn)了濕蒸汽干度的自動化調(diào)節(jié)控制。由該方法構(gòu)成的濕蒸汽干度生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)流程圖如圖1所示。
該方法較現(xiàn)有控制技術(shù)的重大改進(jìn)關(guān)鍵在于提供給鍋爐的燃料，單位體積或者單位質(zhì)量的發(fā)熱量是要時常發(fā)生變化的，而對燃料的測量只能對其體積或者質(zhì)量進(jìn)行測量，不能測量出單位體積或者單位質(zhì)量的燃料發(fā)熱量。因此當(dāng)燃料的發(fā)熱量發(fā)生變化時，將對濕蒸汽干度產(chǎn)生很大的影響。與此同時，鍋爐的熱效率也不是恒定的，當(dāng)鍋爐的熱效率發(fā)生變化時也將會較大影響濕蒸汽干度。因此這里引進(jìn)了一個非常關(guān)鍵的參數(shù)-濕蒸汽干度修正系數(shù)，即圖1中的部件。該部件整合了燃料發(fā)熱量以及鍋爐熱效率變化兩方面影響濕蒸汽干度的因素，使?jié)裾羝啥鹊靡苑€(wěn)定控制。該部件不僅解決了這個問題，如果在鍋爐的給水溫度可以保持恒定的場合，則控制系統(tǒng)可以省略用于給水溫度測量的傳感器，甚至可以忽略控制系統(tǒng)中給定值部分鍋爐給水的焓，使控制系統(tǒng)變得更加簡單和有效。但是一般情況下不建議省略給水溫度傳感器，以及鍋爐給水的焓。
從圖中可以看出，由該方法構(gòu)成的濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，相對于濕蒸汽干度而言，是一個開環(huán)控制系統(tǒng)。盡管此系統(tǒng)應(yīng)用起來很簡單，但是卻非常有效。這種方法避免的使用感度傳感器等，因此使?jié)裾羝啥壬a(chǎn)過程自動化控制得以實現(xiàn)，并能夠達(dá)到穩(wěn)定控制的目的。
實施該方法時，由于計算量較大，為使控制系統(tǒng)的實現(xiàn)更加簡便可靠，要依靠計算機(jī)設(shè)備來輔助完成各種計算。從圖1中可以看到，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值計算公式為[K1×f1(P)+K2×f2(P)]×G-f3(T)×G(1)
式中G-濕蒸汽的質(zhì)量流量(它等于鍋爐給水流量)K1-飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)K2-飽和水蒸汽在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)f1(P)-單位質(zhì)量飽和水的焓關(guān)于濕蒸汽壓力的函數(shù)f2(P)-單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓關(guān)于濕蒸汽壓力的函數(shù)f3(T)-單位質(zhì)量鍋爐給水的焓關(guān)于給水溫度的函數(shù)由于該系統(tǒng)是個開環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐的燃料發(fā)熱量、熱效率等發(fā)生變化時，對濕蒸汽干度產(chǎn)生的影響，由濕蒸汽干度修正系數(shù)部件(K3)進(jìn)行自動修正，因此該系統(tǒng)引入施政器干度修正系數(shù)K3，即部件19。這個參數(shù)的推導(dǎo)比較復(fù)雜，根據(jù)濕蒸汽鍋爐的特性、熱力學(xué)理論，利用高等數(shù)學(xué)方法-拉普拉斯變換既可以獲得K3的計算公司K3＝0.0468+0.9864×(K1/K2)2G1+0.0904×(K1/K2)3G11/2(2)式中K1-飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)K2-飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)G1-燃油流量通過(2)式即可獲得濕蒸汽干度修正系數(shù)為避免人工計算，在應(yīng)用濕蒸汽干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制方法時，可以使用計算機(jī)。在使用計算機(jī)的情況下，首先應(yīng)將該方法和所有公司編輯并輸入計算機(jī)。這樣，當(dāng)濕蒸汽干度偏離設(shè)定的干度值時，只要輸入實際的濕蒸汽干度，計算機(jī)便會自動完成濕蒸汽干度修正系數(shù)的計算，使?jié)裾羝啥然謴?fù)到設(shè)定值。
濕蒸汽干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制方法，應(yīng)用起來非常方便靈活，很便于應(yīng)用。由該方法構(gòu)成的濕蒸汽干度自動化控制系統(tǒng)，可以作為一個獨立的控制系統(tǒng)單獨使用，也可以作為濕蒸汽鍋爐全部生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)使用。濕蒸汽干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制的實現(xiàn)，使安全生產(chǎn)和濕蒸汽鍋爐的穩(wěn)定運行都有了可靠的保障。
主要的優(yōu)點1、系統(tǒng)簡單，運行安全可靠，確保安全生產(chǎn)。
2、克服了在現(xiàn)有技術(shù)中存在的，燃料發(fā)熱量、鍋爐熱效率變化等對濕蒸汽干度造成的影響，使?jié)裾羝啥鹊靡苑€(wěn)定控制。
3、在使用計算機(jī)的情況下，當(dāng)實際的濕蒸汽干度偏離給定值時，只要輸入實際的濕蒸汽干度值，控制系統(tǒng)便能夠自動完成對系統(tǒng)本身的整定，使實際的濕蒸汽干度等于給定值。
4、在控制系統(tǒng)中避免了使用干度傳感器，進(jìn)而避免了因傳感器的不穩(wěn)定造成的濕蒸汽干度不穩(wěn)定等一切后果。
四

圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)流程示意圖；圖2是本發(fā)明的圖1的概要說明示意圖。
圖中1、壓力變送器，2、函數(shù)部件，3、函數(shù)部件，4、乘法運算器，5、求和運算器，6、流量變送器，7、溫度變送器，8、K1，9、K2，10、函數(shù)部件，11、濕蒸汽的焓，12、鍋爐給水的焓，13、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，14、比例積分微分調(diào)節(jié)器，15、流量變送器，16、調(diào)解閥，17、燃料流量測量的一次部件，18、調(diào)節(jié)反饋回路，19、K3的干度修正系數(shù)，20、給定值，1—壓力變送器，它測量的是濕蒸汽壓力。
2—單位質(zhì)量飽和水的焓的函數(shù)部件。此函數(shù)可以不是實在函數(shù)，即可以不是真實的單位質(zhì)量飽和水的焓關(guān)于壓力的函數(shù)，實施該系統(tǒng)的人員可以根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備，將真實的函數(shù)轉(zhuǎn)換成硬件設(shè)備能夠執(zhí)行的與真實焓關(guān)于壓力的函數(shù)一一對應(yīng)的自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。它的功能是將濕蒸汽壓力信號轉(zhuǎn)換成與壓力對應(yīng)的單位質(zhì)量飽和水的焓并輸出。
3—單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓的函數(shù)部件。此函數(shù)與部件2的函數(shù)一樣可以轉(zhuǎn)換成自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，但是必須與部件2的自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。它的功能是將濕蒸汽壓力信號轉(zhuǎn)換成與壓力對應(yīng)的單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓并輸出。
4—乘法運算器，功能是將輸入的信號進(jìn)行乘法運算并將結(jié)構(gòu)輸出。
5—求和運算器，功能是將輸入的信號進(jìn)行求和運算并將結(jié)果輸出。
6—流量變送器，它測量的是鍋爐給水流量。由于濕蒸汽鍋爐的濕蒸汽(質(zhì)量)流量等于給水流量，因此鍋爐給水流量亦可以代替濕蒸汽流量。
7—溫度變送器，它測量的是鍋爐給水溫度。
8—K1，飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)。
9—K2，飽和水蒸汽在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)。
10—單位質(zhì)量鍋爐給水的焓的函數(shù)部件，此處它的值取負(fù)數(shù)。此函數(shù)與部件2和3一樣，可以轉(zhuǎn)換趁個自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，但是必須與部件2和3的自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。它的功能是將給水溫度轉(zhuǎn)換成與溫度對應(yīng)的單位質(zhì)量鍋爐給水的焓的負(fù)數(shù)。
11—濕蒸汽的焓，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本給定值部分。
12—鍋爐給水的焓，調(diào)節(jié)系統(tǒng)給定值的修正部分。
13—調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值。由部件11和12相加得到。
14—比例積分微分調(diào)節(jié)器，也叫PID調(diào)節(jié)器。它的功能是將被調(diào)量的反饋信號與給定值進(jìn)行比較，將偏差經(jīng)比例積分微分環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砀淖冋{(diào)解器的輸出值，使燃料調(diào)節(jié)閥動作，進(jìn)而使反饋信號與給定值相等。如果反饋信號與給定值相等，則調(diào)節(jié)器的輸出處于穩(wěn)定狀態(tài)。
15—流量變送器，它測量的是鍋爐燃料供給流量。
16—燃料流量調(diào)解閥。
17—燃料流量測量的一次部件。
18—調(diào)節(jié)反饋回路。
19—K3的干度修正系數(shù)。
20—給定值。
五具體實施例方式第1步 首先，為避免人工計算，若實施本方法必須選擇合適的硬件設(shè)備，如工業(yè)計算機(jī)、PLC(邏輯控制計算機(jī))等。設(shè)備必須具有如下功能PID(比例積分微分)調(diào)節(jié)功能、指數(shù)運算和數(shù)學(xué)運算。
第2步 查表獲得單位質(zhì)量飽和蒸汽和水的焓關(guān)于壓力的曲線，利用加權(quán)法獲得某特定干度的單位質(zhì)量濕蒸汽的焓。同樣插《(水與水蒸汽性質(zhì)表》可以獲得單位質(zhì)量鍋爐給水的焓。然后，以單位質(zhì)量濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓，再乘以給水流量，做為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值。
第3步 根據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗計算出K3之值。
第4步 依據(jù)逐次逼近法，推導(dǎo)出K3之值的數(shù)學(xué)模型。
第5步 設(shè)置干度自動修正數(shù)學(xué)模型。將濕蒸汽干度輸入此模型時能夠自動計算K3之值。
第6步 根據(jù)所選擇的硬件編程語言，按工藝流程圖以及數(shù)學(xué)模型編輯成軟件，輸入硬件設(shè)備。
第7步 安裝調(diào)試。首先將K3的經(jīng)驗值輸入控制系統(tǒng)。但濕蒸汽干度穩(wěn)定后將實際的濕蒸汽干度輸入控制系統(tǒng)，則系統(tǒng)實現(xiàn)自動穩(wěn)定控制。
權(quán)利要求
1.濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制，其特征是利用濕蒸汽的焓與濕蒸汽干度的一一對應(yīng)關(guān)系，在達(dá)到某壓力下目標(biāo)干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的給定值，以投入鍋爐的燃料量為被調(diào)量，實施燃料量對這一給定值進(jìn)行適時跟蹤，使燃料所提供的熱能始終保持與目標(biāo)壓力下指定干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值相一致，實現(xiàn)濕蒸汽干度的自動化調(diào)節(jié)控制，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值計算公式為[K1×f1(P)+K2×f2(P)]×G-f3(T)×G式中G—濕蒸汽的質(zhì)量流量 K1—飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)K2—飽和水蒸汽在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)f1(P)—單位質(zhì)量飽和水的焓關(guān)于濕蒸汽壓力的函數(shù)f2(P)—單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓關(guān)于濕蒸汽壓力的函數(shù)f3(T)—單位質(zhì)量鍋爐給水的焓關(guān)于給水溫度的函數(shù)該系統(tǒng)是個開環(huán)控制系統(tǒng)，當(dāng)鍋爐的燃料發(fā)熱量、熱效率發(fā)生變化，對濕蒸汽干度產(chǎn)生的影響，由濕蒸汽干度修正系數(shù)部件K3進(jìn)行自動修正，其計算公式K3＝0.0468+0.9864×(K1/K2)2G1+0.0904×(K1/K2)3G11/2式中K1—飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)K2—飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)G1—燃油流量
2.按權(quán)利要求1所述的濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制，其特征是濕蒸汽干度修正系數(shù)部件K3是依據(jù)現(xiàn)場實際經(jīng)驗計算，用逐次逼近法推導(dǎo)出K3之值的數(shù)學(xué)模型，即設(shè)置干度自動修正數(shù)學(xué)模型，將濕蒸汽干度輸入此模型實現(xiàn)自動計算K3之值，按工藝流程及數(shù)學(xué)模型編輯成軟件，輸入硬件計算機(jī)設(shè)備，實現(xiàn)自動穩(wěn)定控制。
全文摘要
濕蒸汽鍋爐干度生產(chǎn)過程自動化調(diào)節(jié)控制屬機(jī)電領(lǐng)域內(nèi)一種自動化調(diào)節(jié)控制方面，涉及濕蒸汽鍋爐自動化控制。其特征是利用濕蒸汽的焓與濕蒸汽干度的一一對應(yīng)關(guān)系，在達(dá)到某壓力下目標(biāo)干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值為調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的給定值，以投入鍋爐的燃料量為被調(diào)量，實施燃料量對這一給定值進(jìn)行適時跟蹤，使燃料所提供的熱能始終保持與目標(biāo)壓力下指定干度的濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓的差值相一致，實現(xiàn)濕蒸汽干度的自動化調(diào)節(jié)控制。其主要優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)控制，能確保安全生產(chǎn)，進(jìn)而避免了因傳感器的不穩(wěn)定造成的濕蒸汽干度不穩(wěn)定的不良后果。
文檔編號F22B35/00GK1560510SQ20041002369
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
發(fā)明者吳業(yè)飛, 李金葉 申請人:吳業(yè)飛