【文章內(nèi)容簡介】 的停留時間極短，從而導致水冷壁燒壞，引起爆炸。所以，必須對汽包水位進行嚴格的控制。 鍋爐汽包水位自動控制的任務，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)品的降價及自動化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動化生產(chǎn)線或者對個別關鍵工藝參數(shù)采用自動控制。工業(yè)應用自控技術(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)在做汽包水位自動控制系統(tǒng)方面的設計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術(shù)和電氣技術(shù)三 3 者于一體的 設計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術(shù)在工業(yè)應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)采用自動控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準確性，保證鍋爐運行的安全可靠，而且大大減輕工作人員的工作強度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟性和實用性兩個方面考慮，本設計將通過單片機對鍋爐汽包水位進行控制。 國內(nèi)外發(fā)展情況 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，微型計算機控制鍋爐水位得到很多企業(yè)的認可。其特點是：控制功能通過內(nèi)部的控制程序來實現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可以改變鍋爐設備的控制功能， 以適應新的控制要求而不需要改動硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒有的。因此，掌握微型計算機應用系統(tǒng)的設計和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計算機應用到的一個很重要的課題。 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 自校準自調(diào)整的比較多，特別是前兩種，其中三沖量水位自動控制系統(tǒng)引進蒸汽流量和給水流量作為控制信號，系統(tǒng)動作及時，有較強的抗干擾能力，因此得到廣泛應用；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)化方法對參數(shù)進行自調(diào)整；預測函數(shù)控制、廣義預報自適應控制、模型參考自適應控制等基于模型的控制方法發(fā)展的比較少，具體在實際應用中應用的則更少。前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點，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 4 很有意義的工作，也是可行的 [ 1 ]。 本 設 計 采 用 的 是 煙 道 式 余 熱 鍋 爐 ， 其 型 號 為70/95/ 0 040 ??Q ,表示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進入鍋爐的煙氣流量為 40000 hm3 ，煙氣溫度為 500℃ ，鍋爐額定熱功率為、熱水設計工作壓力為 、額定出口水溫度為 95℃ ，進口水溫度為 70℃ 的熱水余熱額鍋爐。 5 第 2 章 余熱鍋爐汽包水位的設計 余熱鍋爐是一個復雜的控制對象，它 是一個多輸入多輸出且相互關聯(lián)的控制對象。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控制系統(tǒng)就是一個典型的控制過程。本章主要介紹余熱鍋爐汽包水位的總體設計。 汽包水位控制系統(tǒng)的動態(tài)特性分析 保持汽包正常水位的意義 鍋爐運行中，汽包水位過高過低都會給鍋爐和汽輪機的 安全運行帶來嚴重的威脅。 汽包水位過高，汽包空間縮小，會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；汽包嚴重滿水時，會造成蒸汽大量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機產(chǎn)生嚴重的水沖擊，甚至打壞汽輪機葉片。 汽包水位過低，將可能破壞水循環(huán)，水冷壁管超溫過熱；嚴重缺水時，還可能造成更嚴重的設備損壞事故。 所以，鍋爐運行中，對水位監(jiān)視不嚴，操作不當，都會造成巨大的損失。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，允許變動的水量更少。如果給水中斷而繼續(xù)運行，則在 10～30s 內(nèi)，汽包 水位計中的水位就會消失或降到危險水位。即使是給水量與蒸發(fā)量不相適應，也會在幾分鐘內(nèi)發(fā)生鍋爐缺水或滿水事故 [ 2]。 一般汽包正常波動范圍為土 50mm。 6 被控參數(shù)與控制變量選擇 余熱鍋爐給水自動調(diào)節(jié)的任務是，給水量跟隨蒸發(fā)量的變化而變化并維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 h 作為被控量，以給水調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)機構(gòu)來改變給水量，以達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)鍋爐汽包水位的動態(tài)特性來設計汽包水位的自動調(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)水位測量值與設定值的偏差去控制給水閥的開度，就能對水位起到調(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 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。水面下氣泡的體積還與鍋爐負荷即蒸汽壓 7 力有關。綜合看來，影響汽包水位變化的因素主要有以下四個方面： ⒈ 余熱鍋爐蒸汽負荷的變化； 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)的給水擾動； ⒋ 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 vV 、蒸發(fā)面以下的蒸汽體積 sV 和蒸發(fā)面以上的蒸汽體積 DV 三部分組成，其中蒸發(fā)面以下的汽水體積由 sV 和 vV 構(gòu)成。燃料量對水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變化相當緩慢，可忽略不計；蒸汽負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荷中去，因此壓力變化對汽包水位的影響可忽略不計。 經(jīng)理論推導和化間，汽包水位動態(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 —給水流量項的時間常數(shù)，單位 s(秒 )； DT —蒸汽流量項的時間常數(shù)，單位 s(秒 )； WK —給水流量項的放大倍數(shù)； DK —蒸汽流量項的放大倍數(shù)； maxDDuD ?? ；maxWWuW ?? 。 通過鍋爐汽包水位的動態(tài)微分方程，我們可以得到：影響汽包 8 水位的主要因素是蒸汽流量和給水流量的擾動。 在給水流量擾動下的動態(tài)特性 當給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時，根據(jù) 式（ 21）， 汽包水位調(diào) 節(jié)對象的運動方程可表示為： WWWW uKdtduTdtdhTdt hdTT ??? 12221 （ 22） 對 式（ 22） 進行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?sUKssUTssHTsHsTT WWWW ??? 1221 （ 23） 汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水擾動下的傳遞函數(shù)可由 式（ 23） 變化得到： ? ? ? ?? ? ? ?121 ???? sTsT KsTsU sHsG WWWW （ 24） 在實際工程中，對于蒸汽壓力小于 的中壓以下的鍋爐，給水量項的時間常數(shù)一般較小，可忽略不計，因此 式（ 24） 可簡化為： ? ?? ? ? ?nsTssWsH 12 ?? ? （ 25） 式中1TKW?? 為飛 升 速 度 ， 即 給水 流 量 變 化 單位 流 量 時 水 位 的變 化 速 度 ，ht smm。 從 式（ 25） 可看出，汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性，是由慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)組成。 圖 22 是給水流量作用下水位變化的階躍響應曲線。如果把汽包和給水看作單容量無自衡對象，水位階躍響應曲線將如 圖 22 中的 9 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。當水位下汽包容積的變化過稱逐漸平衡時，水位則因汽包中儲水量的增加而上升。最后當水位下汽包容積不再變化時，水位變化就完全反應了因儲水量的增加而直線上升。所以圖中 H 線是水位的實際變化曲線。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。 在蒸汽流量擾動下的動態(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，根 據(jù) 式（ 21），此時汽包水位的動態(tài)特性微分方程可表示為： ?????? ???? DDDD uKdtduTdtdhTdt hdTT 12221 （ 26） 對式（ 26）進行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?sUKssUTssHTsHsTT DDDD ???? 1221 （ 27） 蒸汽擾動下汽包水位調(diào)節(jié)對象的傳遞函數(shù)可由式（ 27）變化得到： ? ? ? ?? ? ? ?121 ????? sTsT KsTsU sHsG DDDD （ 28） 式（ 28）可等效為兩個動態(tài)環(huán)節(jié)的和 : ? ? ? ?? ? ? ?nfDD sTKsKsU sHsG 122????? （ 29） 式（ 29）中： ? ? 122 TTTKK DD ?? 10 1TKK Df ? 汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性，即干擾通道的動態(tài)特性。在蒸汽流量干擾作用下，水位變化的階躍響應曲線如 圖 22 與圖23 所示： WHHH 1ttτ 圖 22 給水流量擾動下的水位階躍響應曲線 DHH 2H 1Htt 圖 23 蒸汽流量擾動下的水位階躍響應曲線圖 當蒸汽流量 D 突然增加，在燃料不變的情況下，從鍋爐的物料平衡關系來看，蒸汽流量 D 大于給水流量 W，水位變化應如圖中的曲線 H1。 但實際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導致汽包壓力的下降。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。而實際顯示的水位響應曲線 H 為 H1 和 H2 的疊加，即 H=H1+H2 。從 11 圖 23 中可看出，當蒸汽變量加大時，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，則水位先下降，然后上升。這種現(xiàn)象稱之為 “虛假水位 ”。 ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? 12221 ?????? sT KsKsD sHsD sHsD sH f （ 210） 式 （ 210）中： K f —飛升速度，即在蒸汽流量變化單位流量時水位的變化速度，ht smm； K2 —響應曲線 H 2 的放大系數(shù)； T 2 —響應曲線 H 2 的時間常數(shù)。 虛假水位的變化大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量有關。對于一般 100~300t/h 的中高壓鍋爐，當負荷變化 10%時，虛假水位可達30~40mm。虛假水位現(xiàn)象屬于反相特性，給控制帶來一定的困難，在控制方案設計時，必須引起注意 [ 3]。 控制系統(tǒng)的 方案 汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領域的一個典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐漸提高。期間主要經(jīng)歷了上世紀三四十年代單參數(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算機控制等幾個階段。通常有如下幾種方案： ：即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng) 。 ：即在單沖量系統(tǒng)的基礎上引入了蒸汽流量信號。 12 ：是在雙沖量系統(tǒng)的基礎上再引入給水流量信號而構(gòu)成。 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)。這里的沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包水位。圖 25 是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。 蒸 汽 流 量 D給 水 W省 煤 器 L CL T汽 包 圖 24 單沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖 調(diào) 節(jié) 器變 送 器汽 包 水 位水 位 設 定 值調(diào) 節(jié) 閥汽 包 水 位+ 圖 25 單沖量水位 控制系統(tǒng)框圖 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于汽包內(nèi)水的停留時間長、負荷變 13 化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證鍋爐的安全運行。 但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個問題。 ，將使控制器反向錯誤動作。例如，蒸汽負荷突然大幅度增加時，虛假水位上升，此時控制器不但不能開大給水閥，增加給水量，反而關小控制閥，減少給水量。等到虛假水位消失時，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴重下降，波動厲害，嚴重時甚至會使汽包水位降到危險程度而發(fā)生事故。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶