專利名稱：濕蒸汽鍋爐干度自動化調(diào)節(jié)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，特別是涉及濕蒸汽鍋爐生產(chǎn)過程中濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
濕蒸汽鍋爐是一種工業(yè)用直流鍋爐，廣泛應(yīng)用于石油工業(yè)中的稠油開采等行業(yè)。它的主要用途是用來生產(chǎn)一種具有一定干度的濕蒸汽，供其它生產(chǎn)工藝?yán)?。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)。一般情況下，濕蒸汽鍋爐工作在超高壓甚至亞臨界狀態(tài)。濕蒸汽的干度是一項(xiàng)涉及安全生產(chǎn)和生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)。
迄今為止，由于濕蒸汽鍋爐的容量系數(shù)大，慣性延遲時間長，以及當(dāng)前的干度傳感器的可靠性無法滿足適時控制的要求等因素，使?jié)裾羝母啥瓤刂茻o法實(shí)現(xiàn)自動化，停滯在手動控制狀態(tài)。由于受人為因素的影響，這種控制方式穩(wěn)定性很差，給安全生產(chǎn)與生產(chǎn)工藝都帶來了很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本文提出了一種濕蒸汽鍋爐干度自動調(diào)節(jié)控制方法，有效地解決了濕蒸汽鍋爐生產(chǎn)過程中濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制的問題。
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與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。再根據(jù)焓的定義可知，實(shí)際上所謂焓只是能量的一種存在形式，可以與熱能相互轉(zhuǎn)化。因此，在假設(shè)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。進(jìn)而，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(shí)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等，就實(shí)現(xiàn)了濕蒸汽干度的自動化調(diào)節(jié)控制。用該方法構(gòu)成的濕蒸汽鍋爐干度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)典型流程圖如圖1所示。
從圖1中可以看到，該調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)共有兩大部分組成。其中，給定值部分又由濕蒸汽的焓和鍋爐給水的焓兩部分組成。用數(shù)學(xué)表達(dá)方式可以表述為〔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)(1)式中“〔K1×f1(P)+K2×f2(P)〕×G”部分的結(jié)果為濕蒸汽的焓，它在給定值中起主導(dǎo)作用，因此它是調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)給定值中的基本給定值部分；另一部分“F3(T)×G”為鍋爐給水的焓，它在給定值中其輔助修正的作用，因此它是給定值的修正值部分。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的另一個主要部分為調(diào)解反饋回路部分，它的作用是通過反饋信號與給定值的比較與調(diào)整實(shí)現(xiàn)控制目的。整個系統(tǒng)的工作過程如下。
濕蒸汽壓力變送器將測得的濕蒸汽壓力信號分別傳遞給單位質(zhì)量飽和水的焓與單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓關(guān)于壓力的函數(shù)部件，由這兩個部件把壓力信號分別轉(zhuǎn)換成單位質(zhì)量飽和水的焓與單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓并輸出。然后在各自指向的乘法運(yùn)算器中分別與飽和水與飽和水蒸汽在濕蒸汽中各自所占的質(zhì)量比例系數(shù)相乘，之后將結(jié)果在它們共同指向的求和運(yùn)算器中進(jìn)行求和并輸出，再在它指向的乘法運(yùn)算器中與給水流量變送器測得的給水流量(由于給水流量等與濕蒸汽流量)信號相乘即得到了濕蒸汽的焓。另一方面，給水溫度變送器將測得的給水溫度傳遞給單位質(zhì)量鍋爐給水的焓關(guān)于給水溫度的函數(shù)部件，由這個部件將給水溫度轉(zhuǎn)換成單位質(zhì)量鍋爐給水的焓并輸出，然后在它指向的乘法運(yùn)算器中與給水流量相乘即得到了鍋爐給水的焓。這兩個焓值在它們共同指向的求和運(yùn)算器中相減即得到了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，并輸出到調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器將由燃料流量變送器部件測得的燃料流量信號與給定值信號進(jìn)行比較，當(dāng)反饋信號比給定值大時，調(diào)節(jié)器改變其輸出信號使燃料調(diào)解閥的開度減小，以降低燃料流量；當(dāng)反饋信號比給定值小時，調(diào)節(jié)器改變其輸出信號使燃料調(diào)解閥的開度增大，以升高燃料流量；當(dāng)反饋信號與給定值相等時則保持調(diào)節(jié)器的輸出不變，使燃料的流量穩(wěn)定，達(dá)到控制目的。如果需要調(diào)整濕蒸汽干度，只需改變單位質(zhì)量飽和水蒸汽在濕蒸汽中所占的比例系數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。
該控制系統(tǒng)在實(shí)施時具有一定的靈活性?？刂葡到y(tǒng)流程圖并不是唯一的，根據(jù)實(shí)際需要可以對它進(jìn)行演變或整合，成為其它形式的與附圖等效的流程圖。主要的優(yōu)點(diǎn)1.本控制系統(tǒng)最突出的特點(diǎn)是借助特殊的一一對應(yīng)關(guān)系，對最終要達(dá)到的控制目標(biāo)“濕蒸汽干度”實(shí)施間接控制。通過這種方法改變了控制系統(tǒng)的控制對象，克服了控制對象的慣性以及傳感器件的可靠性等問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了濕蒸汽干度的自動化控制。
2.可以實(shí)現(xiàn)任意濕蒸汽干度控制，控制結(jié)果穩(wěn)定可靠，濕蒸汽干度的波動范圍可以控制在±0.5％以內(nèi)，較手動控制方式大大提高。
3.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)。
四

圖1是利用本文的方法構(gòu)成的典型濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)流程圖。
附圖中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(shí)在函數(shù)，即可以不是真實(shí)的單位質(zhì)量飽和水的焓關(guān)于壓力的函數(shù)，實(shí)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(shí)的函數(shù)轉(zhuǎn)換成硬件設(shè)備能夠執(zhí)行的與真實(shí)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)量飽和水蒸氣的焓并輸出。
4——乘法運(yùn)算器，功能是將輸入的信號進(jìn)行乘法運(yùn)算并將結(jié)果輸出。
5——求和運(yùn)算器，功能是將輸入的信號進(jìn)行求和運(yùn)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部件，飽和水在濕蒸汽中所占的質(zhì)量比例系數(shù)。
9——K2部件，飽和水蒸氣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)換成自定義標(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。
二.
具體實(shí)施例方式
第1步通過查表或者其他方式獲得單位質(zhì)量飽和水的焓與單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓關(guān)于壓力的函數(shù)f1(P)和f2(P)，以及單位質(zhì)量水的焓關(guān)于溫度的函數(shù)f3(T)。然后根據(jù)需要，將它們轉(zhuǎn)換成與原函數(shù)一一對應(yīng)的控制系統(tǒng)所能接受的自定義標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。
第2步根據(jù)本文提供的方法或者式(1)和圖1繪制出控制系統(tǒng)的流程圖，或者直接采用圖1所示的濕蒸汽干度調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)流程圖。
第3步按流程圖連接硬件設(shè)備，或按流程圖編制軟件輸入硬件設(shè)備。
第4步進(jìn)行系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試。
權(quán)利要求
1.濕蒸汽鍋爐干度自動化調(diào)節(jié)控制方法，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，以濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，以投入鍋爐的燃料量為被調(diào)量，實(shí)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)壓力下指定干度的是蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓得差值相等，它主要由調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本給定值部分、給定值的修正部分和調(diào)節(jié)反饋回路部分組成，其中給定值用數(shù)學(xué)表達(dá)式為〔K1×f1(P)+K2×f2(P)〕×G-F3(T)×G
2.按權(quán)利要求1所述濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制方法，其特征是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值的基本給定值部分，由濕蒸汽壓力變送器將測得的濕蒸汽壓力信號分別傳遞給單位質(zhì)量飽和水的焓與單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓關(guān)于壓力的函數(shù)部件，由這兩個部件把壓力信號分別轉(zhuǎn)換成單位質(zhì)量飽和水的焓與單位質(zhì)量飽和水蒸汽的焓并輸出，然后在各自指向的乘法運(yùn)算器中分別與飽和水與飽和水蒸汽在濕蒸汽中各自所占的質(zhì)量比例系數(shù)相乘，之后將結(jié)果在它們共同指向的求和運(yùn)算器中進(jìn)行求和并輸出，再在它指向的乘法運(yùn)算器中與給水流量變送器測得的給水流量信號相乘求得。
3.按權(quán)利要求1所述濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制方法，其特征是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值的修正值部分，給水溫度變送器將測得的給水溫度傳遞給單位質(zhì)量鍋爐給水的焓關(guān)于給水溫度的函數(shù)部件，由這個部件將給水溫度轉(zhuǎn)換成單位質(zhì)量鍋爐給水的焓并輸出，然后在它指向的乘法運(yùn)算器中與給水流量相乘求得。
4.按權(quán)利要求1所述濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制方法，其特征是反饋調(diào)節(jié)部分，由濕蒸汽的焓減去鍋爐給水的焓為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，調(diào)節(jié)器輸出控制燃料控制閥的開度調(diào)整燃料流量，燃料流量變送器將測得的燃料流量，反饋給調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。
全文摘要
濕蒸汽鍋爐干度自動化調(diào)節(jié)控制方法屬電器領(lǐng)域內(nèi)一種自動化調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，是涉及濕蒸汽鍋爐生產(chǎn)過程中濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制方法。其主要特征是所用濕蒸汽的焓與濕蒸汽干度的特殊的對應(yīng)關(guān)系，以濕蒸汽的焓作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定值，以燃料量為被調(diào)量，實(shí)施燃料量對濕蒸汽的焓進(jìn)行適時跟蹤，實(shí)現(xiàn)濕蒸汽干度自動化調(diào)節(jié)控制。解決了原先手動控狀態(tài)，穩(wěn)定性差，實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)控制，控制結(jié)果穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、便于操作、保證了安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益明顯。
文檔編號F22B35/16GK1442628SQ0311213
公開日2003年9月17日 申請日期2003年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月7日
發(fā)明者李金葉, 吳業(yè)飛 申請人:李金葉