基于單片機(jī)的余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ...51Introduction .............................................................................................................54Acknowledgements .................................................................................................55VReferences ................................................................................................................56Appendix 1 ...............................................................................................................................58Appendix 2 ............................................................................................................................59 1第 1 章 緒論隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)化水平的不斷提高，在各種應(yīng)用領(lǐng)用中都大量采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。特別是單片機(jī)控制系統(tǒng)，作為嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)主流發(fā)展方向，在功能、可靠性、實(shí)時(shí)性和控制算法等方面得到了快速發(fā)展。 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策。做好節(jié)能減排工作，是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建社會(huì)主義和諧社會(huì)的重案措施，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然選擇。當(dāng)前，全社會(huì)都在開展節(jié)能降耗，緩解能源壓力，建設(shè)節(jié)能型社會(huì)，而工業(yè)余熱資源的回收利用是節(jié)約能源的重要措施，且煙氣余熱在工業(yè)余熱中占有很大比重，且節(jié)能潛力巨大，如不加以利用，將造成極大地浪費(fèi)。隨著能源供應(yīng)的緊張，為了更好更充分地利用資源和減少能源浪費(fèi)，一些企業(yè)不斷提高“節(jié)能增效、降耗增產(chǎn)”的意識(shí)。因此，余熱鍋爐作為“降耗、增效”的首選設(shè)備不斷在能源消耗大的鋼鐵、化工、建材等行業(yè)得到用戶的青睞。同時(shí)各個(gè)鍋爐廠家對(duì)余熱鍋爐的開發(fā)力度和深度也逐漸加大，不斷開發(fā)出高性能的產(chǎn)品來占領(lǐng)和擴(kuò)大市場(chǎng)份額。余熱鍋爐HRSG，顧名思義是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。 “余熱”是在工業(yè)生產(chǎn)中未被充分利用就排放掉的熱量，它屬于二次能源，是一次能源和可燃物料轉(zhuǎn)換后的產(chǎn)物。它與傳統(tǒng)意義上的鍋爐相比僅有“鍋”而沒有“爐” ，即沒有燃燒器，如果需要高壓高溫的蒸汽，可以在余熱鍋爐內(nèi)裝一個(gè)附加燃燒器，通過燃料的燃燒使整個(gè)煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。由于“余熱”種類的多樣性使得余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)形式各式各樣，不盡相同。余熱鍋爐按“余熱”種類可分為高溫?zé)煔庥酂徨仩t、高溫爐渣余熱鍋爐、高溫廢氣廢熱余熱鍋2爐、高溫產(chǎn)品余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱鍋爐、冷卻介質(zhì)余熱鍋爐、冷凝水余熱鍋爐。其中高溫?zé)煔庥酂徨仩t是最常見的一種余熱鍋爐。余熱鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的控制對(duì)象，生產(chǎn)過程中的各個(gè)主要參數(shù)都必須嚴(yán)格控制。其中，汽包水位就是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)很重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系。余熱鍋爐汽包水位高度是確保生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。首先，水位過高會(huì)影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會(huì)帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴(yán)重下降。如以此過熱蒸汽被用戶用來帶動(dòng)汽輪機(jī)，則將因蒸汽帶液損壞汽輪機(jī)的葉片，造成運(yùn)行的安全事故。然而，水位過低，則因汽包內(nèi)的水量少，而負(fù)荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時(shí)加以控制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化，尤其對(duì)于大型鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，引起爆炸。所以，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的任務(wù)，就是控制給水流量，使其與蒸發(fā)量保持平衡，維持汽包內(nèi)水位在允許的范圍內(nèi)變化。隨著電子產(chǎn)品的降價(jià)及自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。工業(yè)應(yīng)用自控技術(shù)在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用。因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準(zhǔn)確性，保證鍋爐運(yùn)行的安全可靠，而且大大減輕工作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兩個(gè)方面考慮，本設(shè)計(jì)將通過單片機(jī)對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制。3 國內(nèi)外發(fā)展情況隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)控制鍋爐水位得到很多企業(yè)的認(rèn)可。其特點(diǎn)是：控制功能通過內(nèi)部的控制程序來實(shí)現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可以改變鍋爐設(shè)備的控制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動(dòng)硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒有的。因此，掌握微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到的一個(gè)很重要的課題。目前，國內(nèi)外汽包水位控制主要采用三沖量控制、模糊控制及 PID 自校準(zhǔn)自調(diào)整的比較多，特別是前兩種，其中三沖量水位自動(dòng)控制系統(tǒng)引進(jìn)蒸汽流量和給水流量作為控制信號(hào)，系統(tǒng)動(dòng)作及時(shí)，有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此得到廣泛應(yīng)用；模糊控制主要是朝智能化方向發(fā)展，表現(xiàn)在模糊控制和智能控制的結(jié)合，采用遺傳算法優(yōu)化模糊控制等，主要解決的問題是：規(guī)整的完整性、規(guī)則的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；PID 自調(diào)整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行自調(diào)整；預(yù)測(cè)函數(shù)控制、廣義預(yù)報(bào)自適應(yīng)控制、模型參考自適應(yīng)控制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用的則更少。前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，引入汽包水位噪聲的因素，并基于這些控制策略開發(fā)新的控制策略將是項(xiàng)很有意義的工作，也是可行的 [1]。本設(shè)計(jì)采用的是煙道式余熱鍋爐，其型號(hào)為 ,表70/?Q示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進(jìn)入鍋爐的煙氣流量為 40000 ，煙氣溫hm3度為 500℃，鍋爐額定熱功率為 、熱水設(shè)計(jì)工作壓力為 、額定出口水溫度為 95℃，進(jìn)口水溫度為 70℃的熱水余熱額鍋爐。4第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設(shè)計(jì)余熱鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，它是一個(gè)多輸入多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)象。其中以鍋爐給水量作為輸入，汽包水位作為輸出的給水自動(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)典型的控制過程。本章主要介紹余熱鍋爐汽包水位的總體設(shè)計(jì)。 汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析 保持汽包正常水位的意義鍋爐運(yùn)行中，汽包水位過高過低都會(huì)給鍋爐和汽輪機(jī)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。汽包水位過高，汽包空間縮小，會(huì)引起蒸汽中的水分增加，蒸汽品質(zhì)惡化；容易造成過熱器管內(nèi)積鹽垢，管子過熱損壞；汽包嚴(yán)重滿水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的水沖擊，甚至打壞汽輪機(jī)葉片。汽包水位過低，將可能破壞水循環(huán)，水冷壁管超溫過熱；嚴(yán)重缺水時(shí)，還可能造成更嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。所以，鍋爐運(yùn)行中，對(duì)水位監(jiān)視不嚴(yán)，操作不當(dāng)，都會(huì)造成巨大的損失。尤其是現(xiàn)代大型鍋爐，與蒸發(fā)量相比汽包中的存水量是不多的，允許變動(dòng)的水量更少。如果給水中斷而繼續(xù)運(yùn)行，則在 10～30s 內(nèi)，汽包水位計(jì)中的水位就會(huì)消失或降到危險(xiǎn)水位。即使是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，也會(huì)在幾分鐘內(nèi)發(fā)生鍋爐缺水或滿水事故 [2]。一般汽包正常波動(dòng)范圍為土 50mm。 被控參數(shù)與控制變量選擇余熱鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是，給水量跟隨蒸發(fā)量的變化而變化并維5持汽包水位在工藝范圍內(nèi)。余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位 作為被控量，以給水調(diào)節(jié)閥作h為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來改變給水量，以達(dá)到保持汽包水位在允許范圍內(nèi)的目的。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 21 所示：12345 678余熱圖 21 余熱鍋爐的汽水系統(tǒng)1—給水母；2—給水控制閥；3—省煤器；4—汽包；5—下降管；6—上升管；7—過熱器；8—蒸汽母管根據(jù)鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來設(shè)計(jì)汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。給水流量和蒸汽流量的階躍變化是引起水位變化的主要因素。調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測(cè)量值與設(shè)定值的偏差去控制給水閥的開度，就能對(duì)水位起到調(diào)節(jié)作用。鍋爐汽包水位不僅受到給水量和蒸汽流量之間的平衡關(guān)系的影響，還受到水循環(huán)管路內(nèi)汽水混合物中汽水體積的變化的影響。汽包水位 不僅反映了h水面下氣泡的體積，還反映了汽包（包括水循環(huán)的管路）中的蓄水體積。水面下氣泡的體積還與鍋爐負(fù)荷即蒸汽壓力有關(guān)。綜合看來，影響汽包水位變化的因素主要有以下四個(gè)方面：⒈余熱鍋爐蒸汽負(fù)荷的變化；⒉余熱鍋爐蒸汽壓力的變化；⒊包括給水調(diào)節(jié)閥開度的變化和給水母管壓力的變化在內(nèi)的給水?dāng)_動(dòng)；6⒋包括影響余熱發(fā)熱量變化的其他在內(nèi)的余熱的變化；蒸汽發(fā)生過程中汽包內(nèi)部的體積可看成水的體積 、蒸發(fā)面以下的蒸汽vV體積 和蒸發(fā)面以上的蒸汽體積 三部分組成，其中蒸發(fā)面以下的汽水體積sVDV由 和 構(gòu)成。燃料量對(duì)水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變v化相當(dāng)緩慢，可忽略不計(jì)；蒸汽負(fù)荷變化往往引起汽包壓力的變化，所以壓力變化可歸類到蒸汽負(fù)荷中去，因此壓力變化對(duì)汽包水位的影響可忽略不計(jì)。經(jīng)理論推導(dǎo)和化間，汽包水位動(dòng)態(tài)特性方程式可表示為如下： （21）????????????????? DDWWuKdtTuKdtTthdtT121式（21 ）中：—汽包水位；h、 —時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；1T2—鍋爐蒸汽流量，單位 ；DhT—鍋爐給水流量，單位 ；W—給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；—蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒)；DT—給水流量項(xiàng)的放大倍數(shù)；WK—蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)；； 。maxuD??maxuW通過鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)微分方程，我們可以得到：影響汽包水位的主要因素是蒸汽流量和給水流量的擾動(dòng)。 在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時(shí)，根據(jù)式（21） ，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： WWuKdtTthdtT???121 （22 ）7對(duì)式（22 ）進(jìn)行拉氏變換，可得： （23）????sUKsTsHsTWW???121汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可由式（23）變化得到： （24）????121?sTsUsGW在實(shí)際工程中，對(duì)于蒸汽壓力小于 的中壓以下的鍋爐，給水量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)一般較小，可忽略不計(jì)，因此式（24）可簡(jiǎn)化為： （25）???nsTsH12???式中 為飛升速度，即給水流量變化單位流量時(shí)水位的變化速度， 。1TKW?? htsm從式（25 ）可看出，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性，是由慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)組成。圖 22 是給水流量作用下水位變化的階躍響應(yīng)曲線。如果把汽包和給水看作單容量無自衡對(duì)象，水位階躍響應(yīng)曲線將如圖 22 中的 H1 線。由于給水溫度變化要比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，需從原有飽和水中吸收部分熱量，使水位下汽包容積減少。當(dāng)水位下汽包容積的變化過稱逐漸平衡時(shí)，水位則因汽包中儲(chǔ)水量的增加而上升。最后當(dāng)水位下汽包容積不再變化時(shí)，水位變化就完全反應(yīng)了因儲(chǔ)水量的增加而直線上升。所以圖中 H 線是水位的實(shí)際變化曲線。在給水量作階躍變化后，汽包水位不馬上增加，而呈現(xiàn)一段起始慣性線。 在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性如果給水流量保持不變，蒸汽流量發(fā)生階躍變化時(shí)，根據(jù)式（21） ，此時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性微分方程可表示為： ??????????DDuKdtTthdtT121 （26）8對(duì)式（26 ）進(jìn)行拉氏變換，可得： （27）??????sUKsTsHsTDD????121蒸汽擾動(dòng)下汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的傳遞函數(shù)可由式（27）變化得到： （28）???12ssUGD式（28 ）可等效為兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的和: （29）????nfDsTKsH12???式（29 ）中： 122K1TDf?汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性。在蒸汽流量干擾作用下，水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖 22 與圖 23 所示：WHHH 1ttτ圖 22 給水流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線9 DHH 2H 1Htt圖 23 蒸汽流量擾動(dòng)下的水位階躍響應(yīng)曲線圖 當(dāng)蒸汽流量 D 突然增加，在燃料不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來看，蒸汽流量 D 大于給水流量 W，水位變化應(yīng)如圖中的曲線 H1。但實(shí)際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水沸騰突然加劇，產(chǎn)生內(nèi)蒸，水中氣泡迅速增加，因汽包容積增加，而使水位變化的曲線如圖中的 H2。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線 H 為 H1 和 H