【正文】 能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 目前，國外利用余熱發(fā)電的新趨勢，是單機功率小，載熱體溫度低（即利用中低溫余熱發(fā)電）。 盡管鍋爐系統(tǒng)種類繁多，各種類型鍋爐的工藝流程和操作控制各有特點，但對過程檢測、控制的要求是基本相同的。[1] 設(shè)計時采用單回路控制系統(tǒng)對余熱鍋爐的過熱蒸汽溫度進行控制，以AT89S51 單片機為核心，包括溫度采集模塊、按鍵處理模塊、溫度顯示模塊、控制輸出模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊和通信模塊等組成。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器易損壞，還會使汽輪機內(nèi)部引起過度的熱膨脹，嚴重影響生產(chǎn)運行的安全；如果過熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的效率將會降低，同時使通過汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。 近十幾年，余熱鍋爐技術(shù)發(fā)展十分迅猛。和常規(guī)鍋爐不同，余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程，也沒有燃燒相關(guān)的設(shè)備，從本質(zhì)上講，它只是一個燃氣 — 水蒸 汽的換熱器。本設(shè)計主要考慮的部分是余熱鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。 △ QtD , Q0? stTτ0 圖 21 蒸汽量 D 和煙氣傳熱量 Q 擾動 蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性 當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動地點（過熱器入口）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。調(diào)節(jié)器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主 要組成部分。 噴 水 減溫 閥 出口 溫 度過 熱 蒸汽 溫 度噴 水 減 溫 閥 出 口 溫 度 測 量過 熱 蒸 汽 溫 度 測 量e 1u 1e 2u 2y 2y 1主 調(diào)節(jié) 器過 熱 器 出口 溫 度 調(diào)節(jié) 器噴 水 減溫 閥 圖 25 串級 PID 控制圖 12 一般在過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)回路的動態(tài)特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調(diào)節(jié)過 程快得多，當副回路消除噴水擾動時，過熱汽溫度基本上不受影響。 [17]在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。相形之下，一個反饋回路有可能克服多種干擾的影響。 OUTe 可以表示為： D01t1 1 V)RR)(RR( R ??? △Re OUT （ 31） 在圖中所示參數(shù)的條件下， OUTe 的靈敏度為 ℃ 。 D721D620D519D418D38D215D114D017E O C7OE9A L E22S T A R T6V r 16G N D13I N 026I N 127I N 228I N 31I N 42I N 53I N 64I N 75A D D A25A D D B24A D D C23C L O C K10V r +12V C C11A D C 0809+ 5V123312PA0PA1PA2PA3PA5PA4PA6PA7RDP 2 . 5WR 圖 34 ADC0809 與單片機的接口設(shè)計 顯示電路設(shè)計 數(shù)碼管動態(tài)顯示實際是將所有數(shù)碼管的 8個筆畫段 a～ h的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單片機的字段輸出口上。如圖 36 為 DAC0832與單片機的連接電路。三極管采用PNP 型 8550， PB口接的限流電阻是 8 個 470Ω的； PC 口上接的電阻是 4 個； PB 口接的 8 個上拉電阻都是 。 AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，固選擇 ADC0809的 VREF 接 +5V 和 5V。其基本硬件連接方法如圖 32 所示。前饋控制必須使用針對具體過程的干擾和受控輸出變量特性的專用控制器。現(xiàn)希望用 s)(1CG 完全抵消擾動的影響。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐溫變化。 本設(shè)計主要以控制減溫水流量的變化來闡述對蒸汽溫度的自動調(diào)節(jié)。動態(tài)特性曲線如圖 21 所示。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。因此，余熱利用技術(shù)將由高溫余熱回收技術(shù)轉(zhuǎn)向中，低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術(shù)，但在近期仍以發(fā)展高溫余熱回收的鍋爐產(chǎn)品為主。所以對鍋爐蒸汽溫度的控制非常必要。 [9]從轉(zhuǎn)爐來的煙氣通過熱交換器后，溫度達到旋風(fēng)收塵和化工廠所能接受的數(shù)值，參 與后續(xù)生產(chǎn)過程。 [12]溫度控制的關(guān)鍵在于測溫和控溫兩個方面。因此，在鍋爐運行中，保證過熱蒸汽的溫 2 度在正常范圍內(nèi)是非常重要的。七十年代初我國著手并開始實 3 施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。其與燃氣輪機配合，燃氣輪機的排氣 (溫度約在500～ 600℃）進入余熱鍋爐，加熱受熱面中的水，水吸熱變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝龠M入汽輪機，完成聯(lián)合循環(huán)。 蒸汽溫度系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。動態(tài)曲線圖如圖 22 所示。它們的特性將決定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù) 10 對控制質(zhì)量的影響是非常必要的。因此，當副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統(tǒng)，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號 e2 成比例變化。 串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實現(xiàn)完美控制的吸引力，實際應(yīng)用還仍然受到許多限制。為了將他 放大為10mA/℃的靈敏度，差動放大器的增益 G 必須為 10/= 倍。為了防止各個數(shù)碼管同時顯示相同的數(shù)字，各個數(shù)碼管的公共端 COM 還要收到另一組信號的控制，即把他們連到位輸出口上。 R F B9I 2out12I 1out11D I 713D I 614D I 515D I 416D I 34D I 25D I 16D I 07I L E19V R E F8V C C20D G N D10A G N D3W R 12W R 218X F E R17CS1D A C 0832+ 12V 12V+L M 324P 1 . 1P 1 . 6P 1 . 7P 1 . 3P 1 . 2P 1 . 0P 1 . 4P 1 . 5P 2 . 6WRV C C 圖 36 DAC0832 與 單片機的接口設(shè)計 22 420mA 標準信號輸出 LM324 的 5 管腳與 DAC0832 的（ IOUT2） 12 管腳相連， LM324 的 6管腳與 DAC0832 的（ IOUT1） 11 管腳相連， LM324 的 7 管腳與 DAC0832的 REF（ 9）管腳相連。本例中數(shù)碼管選擇的是 SM410364 共陽極四位一體的 LED 顯示器。 START 腳為 AD 轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制 。 單 片機溫 度 轉(zhuǎn) 換余熱鍋爐傳 感 器調(diào) 節(jié) 閥報 警復(fù) 位時 鐘鍵 盤顯 示上位機 圖 31 系統(tǒng)方案框圖 17 單片機與 8155 的接口電路 MCS51 單片機可直接和 8155 連接，不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加 256B 外部 RAM、 22 根 I/O 線及一個 14 位定時器。 前饋控制系統(tǒng)是依據(jù)干擾的大??；其調(diào)節(jié)作用發(fā)生在過程輸出變量出現(xiàn) 15 偏差之前，比單回路控制及時。其中 s)(CG 是原調(diào)節(jié)算法， s)(1CG 是執(zhí)行元件和 可能的其他環(huán)節(jié)。過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的主要困難在于引起蒸汽 溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。 因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是： （ 1）克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸汽品質(zhì)合格； （ 2）保護過熱器管 壁溫度不超過允許的工作溫度。 從階躍響應(yīng) 曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時間常數(shù) DT 和滯后時間 ? 都比較小，且DT? 較小。 采用 AT89C51 單片機來對溫度進行控制，可以大幅度提高被控溫度的技 5 術(shù)指標，從而能夠大大提高產(chǎn) 品的質(zhì)量和數(shù)量。 隨著技術(shù)的進步，今后 工業(yè)部門將普遍采用高能效的先進工藝流程，這樣能源的有效利用率提高，高溫余熱資源總量相應(yīng)減少，而中、低溫余熱資源相應(yīng)增長。 5℃，這個要求對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)來說是非常高的。鍋筒內(nèi)的水溫遠高于水的沸點，由此產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門送入廠區(qū)熱力網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。溫度測量是溫度控制的基礎(chǔ)，這方面 的技術(shù)比較成熟。 另外，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。從 1974 年到 1980 年，先后投資擴建余熱鍋爐研究和制造基地，現(xiàn)已形成具有一定的余熱鍋爐研制能力以及科研基地。 鍋爐是火力發(fā)電廠單元機組中的主要設(shè)備之一，它是一種系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大和昂貴上的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，其內(nèi)部發(fā)生的物理化學(xué)過程非常復(fù)雜，而且各種過程機密耦合，他們相互制約、相互影響。控制任務(wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護過熱器時管壁溫度不超過允許的工作溫度。當擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是 蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間比較大，滯后時間約為 3060s。對象動態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對象動態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項重要工作。 前饋控制方案 為改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，引入導(dǎo)前氣溫微分信號，組成氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有一種策略。同時，由于串級系統(tǒng)有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強。 方案的確定 不同的控制方法都有自己的優(yōu)點與缺點，由于 此 系統(tǒng)干擾很小可以忽略不計，以上三種方案都能實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制，但是從成本上來看單回路控制更經(jīng)濟些，因此經(jīng)過分析采用單回路控制能滿足本設(shè)計的需要，而且單回路控制形式簡單，容易實現(xiàn)。具體電路如圖 33 所示。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號來控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組 20 是位輸出口的控制信號，用來選擇第幾個顯示器工作，稱為位碼。 第一級運算放大器的作用是將 DAC0832 輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號 V1，第二級運算放大器的作用是將輸出的 05V 電壓轉(zhuǎn)換為 420mA 標準信號。但是，需要注意的是不能讓 PC0～ PC3 中的 2 個或 2 個以上同時輸出低電平 0，否則就會造成顯示混亂，除非 2 個數(shù)碼管上要顯示的內(nèi)容相同。 系統(tǒng)只需要一路信號，選擇 IN0 作為輸入。下圖 31 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。在多數(shù)的過程控制中，一般都將通過檢測環(huán)節(jié)的信號變換成便于控制的信號。穩(wěn)定情況下，該微分信號為零，與單回路控制系統(tǒng)相同。 如圖 24 所示為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖。 總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象做階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性曲線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。 其傳遞函數(shù)可以表示為： seSTKsD ssW DD ?? ??? 1)( )()( 2 (21) 式中 ： DK — 鍋 爐負荷擾動時被控對象的放大系數(shù)； ? 一負荷擾動后對象的滯后時間 ； DT — 對象的時間常數(shù)。并且通過仿真驗證來控制效果。據(jù)預(yù)測， 1990 年，全國余熱鍋爐需要量在 1000 蒸噸 /年以上。 10℃，長期偏差不允許超過177。 [11]同時，鍋筒內(nèi)的水通過循環(huán)泵循環(huán)流經(jīng)熱交換器，吸取熱交換器中煙氣的熱量，以獲得能量。但由于控制對象的越來越復(fù)雜，在溫度控制方面還存在許多問題。 可以說幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。至今已開發(fā)并制造了涉及 15 個類別、 74 個品種、 101 個規(guī)格的余熱鍋爐 20xx 余臺。對于余熱鍋爐動態(tài)的研究，往往借助于為它建立的某種簡化模型。 影響過熱蒸汽溫度的因素 影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制要求存在若矛盾，各種擾動因素之間相互影響，如蒸汽量、鍋爐給水溫度、流經(jīng) 過熱器的煙氣溫度及流速的變化等。 △ W sW s0τTt0 圖 22 蒸汽溫度在減溫水 Ws 擾動 綜上所述，可歸納出以下幾點： （ 1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。