专利名称：湿蒸汽锅炉干度自动化调节控制方法
技术领域：
本发明涉及一种自动化调节控制系统，特别是涉及湿蒸汽锅炉生产过程中湿蒸汽干度自动化调节控制系统。
背景技术：
湿蒸汽锅炉是一种工业用直流锅炉，广泛应用于石油工业中的稠油开采等行业。它的主要用途是用来生产一种具有一定干度的湿蒸汽，供其它生产工艺利用。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。一般情况下，湿蒸汽锅炉工作在超高压甚至亚临界状态。湿蒸汽的干度是一项涉及安全生产和生产工艺的重要指标。
迄今为止，由于湿蒸汽锅炉的容量系数大，惯性延迟时间长，以及当前的干度传感器的可靠性无法满足适时控制的要求等因素，使湿蒸汽的干度控制无法实现自动化，停滞在手动控制状态。由于受人为因素的影响，这种控制方式稳定性很差，给安全生产与生产工艺都带来了很大的影响。
发明内容
本文提出了一种湿蒸汽锅炉干度自动调节控制方法，有效地解决了湿蒸汽锅炉生产过程中湿蒸汽干度自动化调节控制的问题。
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与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。再根据焓的定义可知，实际上所谓焓只是能量的一种存在形式，可以与热能相互转化。因此，在假设水的焓为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。进而，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等，就实现了湿蒸汽干度的自动化调节控制。用该方法构成的湿蒸汽锅炉干度调节控制系统典型流程图如图1所示。
从图1中可以看到，该调节控制系统共有两大部分组成。其中，给定值部分又由湿蒸汽的焓和锅炉给水的焓两部分组成。用数学表达方式可以表述为〔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(1)式中“〔K1×f1(P)+K2×f2(P)〕×G”部分的结果为湿蒸汽的焓，它在给定值中起主导作用，因此它是调节控制系统给定值中的基本给定值部分；另一部分“F3(T)×G”为锅炉给水的焓，它在给定值中其辅助修正的作用，因此它是给定值的修正值部分。调节系统的另一个主要部分为调解反馈回路部分，它的作用是通过反馈信号与给定值的比较与调整实现控制目的。整个系统的工作过程如下。
湿蒸汽压力变送器将测得的湿蒸汽压力信号分别传递给单位质量饱和水的焓与单位质量饱和水蒸汽的焓关于压力的函数部件，由这两个部件把压力信号分别转换成单位质量饱和水的焓与单位质量饱和水蒸汽的焓并输出。然后在各自指向的乘法运算器中分别与饱和水与饱和水蒸汽在湿蒸汽中各自所占的质量比例系数相乘，之后将结果在它们共同指向的求和运算器中进行求和并输出，再在它指向的乘法运算器中与给水流量变送器测得的给水流量(由于给水流量等与湿蒸汽流量)信号相乘即得到了湿蒸汽的焓。另一方面，给水温度变送器将测得的给水温度传递给单位质量锅炉给水的焓关于给水温度的函数部件，由这个部件将给水温度转换成单位质量锅炉给水的焓并输出，然后在它指向的乘法运算器中与给水流量相乘即得到了锅炉给水的焓。这两个焓值在它们共同指向的求和运算器中相减即得到了调节系统的给定值，并输出到调节器。调节器将由燃料流量变送器部件测得的燃料流量信号与给定值信号进行比较，当反馈信号比给定值大时，调节器改变其输出信号使燃料调解阀的开度减小，以降低燃料流量；当反馈信号比给定值小时，调节器改变其输出信号使燃料调解阀的开度增大，以升高燃料流量；当反馈信号与给定值相等时则保持调节器的输出不变，使燃料的流量稳定，达到控制目的。如果需要调整湿蒸汽干度，只需改变单位质量饱和水蒸汽在湿蒸汽中所占的比例系数就可以实现。
该控制系统在实施时具有一定的灵活性。控制系统流程图并不是唯一的，根据实际需要可以对它进行演变或整合，成为其它形式的与附图等效的流程图。主要的优点1.本控制系统最突出的特点是借助特殊的一一对应关系，对最终要达到的控制目标“湿蒸汽干度”实施间接控制。通过这种方法改变了控制系统的控制对象，克服了控制对象的惯性以及传感器件的可靠性等问题，进而实现了湿蒸汽干度的自动化控制。
2.可以实现任意湿蒸汽干度控制，控制结果稳定可靠，湿蒸汽干度的波动范围可以控制在±0.5％以内，较手动控制方式大大提高。
3.系统结构简单易于实现。
四
图1是利用本文的方法构成的典型湿蒸汽干度自动化调节控制系统流程图。
附图中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气的焓并输出。
4——乘法运算器，功能是将输入的信号进行乘法运算并将结果输出。
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部件，饱和水在湿蒸汽中所占的质量比例系数。
9——K2部件，饱和水蒸气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，可以转换成自定义标准函数，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。
二.
具体实施例方式
第1步通过查表或者其他方式获得单位质量饱和水的焓与单位质量饱和水蒸汽的焓关于压力的函数f1(P)和f2(P)，以及单位质量水的焓关于温度的函数f3(T)。然后根据需要，将它们转换成与原函数一一对应的控制系统所能接受的自定义标准函数。
第2步根据本文提供的方法或者式(1)和图1绘制出控制系统的流程图，或者直接采用图1所示的湿蒸汽干度调节控制系统流程图。
第3步按流程图连接硬件设备，或按流程图编制软件输入硬件设备。
第4步进行系统投运与调试。
权利要求
1.湿蒸汽锅炉干度自动化调节控制方法，其特征是利用湿蒸汽的焓与湿蒸汽干度的一一对应关系，以湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓为调节系统的给定值，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是蒸汽的焓减去锅炉给水的焓得差值相等，它主要由调节系统的基本给定值部分、给定值的修正部分和调节反馈回路部分组成，其中给定值用数学表达式为〔K1×f1(P)+K2×f2(P)〕×G-F3(T)×G
2.按权利要求1所述湿蒸汽干度自动化调节控制方法，其特征是调节系统的给定值的基本给定值部分，由湿蒸汽压力变送器将测得的湿蒸汽压力信号分别传递给单位质量饱和水的焓与单位质量饱和水蒸汽的焓关于压力的函数部件，由这两个部件把压力信号分别转换成单位质量饱和水的焓与单位质量饱和水蒸汽的焓并输出，然后在各自指向的乘法运算器中分别与饱和水与饱和水蒸汽在湿蒸汽中各自所占的质量比例系数相乘，之后将结果在它们共同指向的求和运算器中进行求和并输出，再在它指向的乘法运算器中与给水流量变送器测得的给水流量信号相乘求得。
3.按权利要求1所述湿蒸汽干度自动化调节控制方法，其特征是调节系统的给定值的修正值部分，给水温度变送器将测得的给水温度传递给单位质量锅炉给水的焓关于给水温度的函数部件，由这个部件将给水温度转换成单位质量锅炉给水的焓并输出，然后在它指向的乘法运算器中与给水流量相乘求得。
4.按权利要求1所述湿蒸汽干度自动化调节控制方法，其特征是反馈调节部分，由湿蒸汽的焓减去锅炉给水的焓为调节系统的给定值，调节器输出控制燃料控制阀的开度调整燃料流量，燃料流量变送器将测得的燃料流量，反馈给调节器进行调节。
全文摘要
湿蒸汽锅炉干度自动化调节控制方法属电器领域内一种自动化调节控制系统，是涉及湿蒸汽锅炉生产过程中湿蒸汽干度自动化调节控制方法。其主要特征是所用湿蒸汽的焓与湿蒸汽干度的特殊的对应关系，以湿蒸汽的焓作为调节系统的给定值，以燃料量为被调量，实施燃料量对湿蒸汽的焓进行适时跟踪，实现湿蒸汽干度自动化调节控制。解决了原先手动控状态，稳定性差，实现了自动调节控制，控制结果稳定可靠、结构简单、便于操作、保证了安全生产、提高经济效益明显。
文档编号F22B35/16GK1442628SQ0311213
公开日2003年9月17日 申请日期2003年4月7日 优先权日2003年4月7日
发明者李金叶, 吴业飞 申请人:李金叶