【正文】 于遠(yuǎn)距離傳輸，并且多數(shù)電動(dòng)閥門的控制信號(hào)為電流信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)還配有一個(gè) V/I 轉(zhuǎn)換器，把電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 4～ 20mA 電流信號(hào)，用于控制閥門的開度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知，水位的測(cè)量范圍為 300～ 300mm [ 9]。 dK =? ? ? ? ??? （ 217） 給水調(diào)節(jié)閥轉(zhuǎn)換系數(shù)的計(jì)算 此系統(tǒng)的執(zhí)行器選擇調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樗梢灾苯痈淖兘o水量，反應(yīng)時(shí)間短，有利于系統(tǒng)控制品質(zhì)的改善，它是控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它接收控制器的輸出信號(hào)，執(zhí)行最終任務(wù)。水位檢測(cè)變送器可采用 1151 差壓式變送器；流量變送器可 采用渦街式流量計(jì)；給水調(diào)節(jié)閥采用電動(dòng)的。 執(zhí)行機(jī) 構(gòu)的傳遞函數(shù) 執(zhí)行器接受控制器的命令執(zhí)行控制任務(wù)，由于在石油、化工等過程控制中，執(zhí)行器最終是以閥門的形式出現(xiàn)，所以，執(zhí)行器往往被稱為控制閥或調(diào)節(jié)閥。一階滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) 2T 經(jīng)測(cè)量為 2T =。蒸汽流量 D 及其蒸汽流量變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)，但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性 [7]。 “虛假水位”現(xiàn)象。 16 變 送 器調(diào) 節(jié) 機(jī) 構(gòu)變 送 器變 送 器汽 包調(diào) 節(jié) 器HD+++rHW 圖 28 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖 三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)以后，給水流量必然等于蒸汽流量，水位 H 也會(huì)維持在設(shè)定值。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)上述兩種方案取長補(bǔ)短，極大的提高了水位控制質(zhì)量。但雙沖量水位控制系統(tǒng)仍存在兩個(gè)問題，一是調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定為線性特性，要做到完全靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；其次是給水壓 力擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響不能及時(shí)消除。在給水 流量比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。考慮到蒸汽負(fù)荷的擾動(dòng)可測(cè)而不可控，因此可將蒸汽流量信號(hào)引入系統(tǒng)作為前饋信號(hào)，與汽包水位組成前饋 反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。 。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來的嚴(yán)重后果。 但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個(gè)問題。 單沖量 控制系統(tǒng) 單沖量控制系統(tǒng)即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)，圖 24 所示是典型的單回路控制系統(tǒng)。期間主要經(jīng)歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。對(duì)于一般 100~300t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化 10%時(shí)，虛假水位可達(dá)30~40mm。從 11 圖 23 中可看出，當(dāng)蒸汽變量加大時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始，水位不僅不下降，反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升。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 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。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。 圖 22 是給水流量作用下水位變化的階躍響應(yīng)曲線。 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： ?????? ???????? ??? DDDDWWWW uKdtduTuKdtduTdtdhTdt hdTT 12221 （ 21） 式（ 21）中： h — 汽包水位； 1T 、 2T — 時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒 )； D — 鍋爐蒸汽流量，單位 hT ； W — 鍋爐給水流量，單位 hT ； WT — 給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒 )； DT — 蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)，單位 s(秒 )； WK — 給水流量項(xiàng)的放大倍數(shù)； DK — 蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)； maxDDuD ?? ；maxWWuW ?? 。汽包水位 h不僅反映了 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。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)。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]。 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。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。 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。 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。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。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。 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)。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。 余熱鍋爐 HRSG，顧名思義是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。 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)。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。 本設(shè)計(jì)從分析影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，提出了采用汽包水位三沖量控制系統(tǒng)方案。 I 摘 要 汽包水位是影響余熱鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)。單片機(jī)技術(shù)的快速 發(fā)展使得單片機(jī)廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域并極大地提高了控制 性能。 關(guān)鍵詞 ：汽包水位 三沖量控制 單片機(jī) PID 控制 II ABSTRACT Drum water level is an important para meter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. The consequences are very serious w hen the w ater level is too high or too low. So the drum water level must be strictly controlled. The rapid development of SCM technology makes it widely used in control field and it improves the performance of control greatly. According to the influence of various factors on the drum water level, this design adopts the three impulse control system scheme of drum level. According to the method of engineering tuning, the design adopts the tuning of PID parameters and uses MATLAB as the simulation platfor m. The simulation results show that this control system has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum level. According to the control requirements and the desi gn scheme of the control system, the hardware design w as carried out. The softw are design of the system uses SCM programming control. Finally, we can finish that the drum water level of the surplus energy boiler is controlled based on SCM. Keywords: water level of the steam drum three impulse control SCM PID control I 目 錄 摘 要 .................................................................................................... I ABSTRACT ..........................................................................................II 第 1 章 緒論 ......................................................................................... 1 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義 .......................................................... 1 國內(nèi)外發(fā)展情況 ......................................................................... 3 第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設(shè)計(jì) ...................................................... 5 汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析 .......................................... 5 保持汽包正常水位的意義 .................................................. 5 被控參數(shù)與控制變量選擇 .................................................. 6 在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 ........................................... 8 在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 ........................................... 9 控制系統(tǒng)的方案 ........................................................................11 單沖量控制系統(tǒng) ................................................................ 12 雙 沖量控制系統(tǒng) ................................................................ 13 三沖量控制系統(tǒng) ................................................................ 15 方案選擇 ........................................................................... 16 建立數(shù)學(xué)模型 ........................................................................... 16 汽包水位控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 ............................