【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Interrupt Service ..................................................................................... 30 Digital Filter............................................................................................ 33 PC control software design .................................................................... 34 PID subroutine ........................................................................................ 35 Chapter 5 System Simulation ............................................................................... 38 Simulation Tools ............................................................................................ 38 MATLAB and fuzzy logic toolbox and simulation environment ................ 38 MATLAB Overview ............................................................................... 38 Fuzzy Logic Toolbox .............................................................................. 39 PID algorithm design and analysis ............................................................... 40 Determination of the control algorithm................................................. 40 IX Mathematical Model ............................................................................. 41 Based on Matlab simulation ........................................................................ 44 Conclusion ............................................................................................................... 47 Acknowledgements ................................................................................................. 48 References................................................................................................................ 49 Appendix 1 design system part of the source code……… .................……….. 51 Appendix 2 System hardware chart.................................................................54 1 第 1 章 緒論 設(shè)計(jì)的背景及意義 余熱鍋爐是專門用于與轉(zhuǎn)爐配套的熱能利用轉(zhuǎn)換設(shè)備，包括熱交換、鍋筒、除氧水箱等三部分。它利用轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈱?duì)鍋筒中的水循環(huán)加熱，并在鍋筒中進(jìn)行汽水分離，把產(chǎn)生的蒸汽送往廠區(qū)熱力網(wǎng)。其中，鍋筒的給水來(lái)自除氧器，通過(guò)給水調(diào)節(jié)閥門來(lái)調(diào)整給水流量。 [11]同時(shí)，鍋筒內(nèi)的水通過(guò)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。鍋筒內(nèi)的水溫遠(yuǎn)高于水的沸點(diǎn)，由此產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過(guò)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(jì)效益。 [9]從轉(zhuǎn)爐來(lái)的煙氣通過(guò)熱交換器后，溫度達(dá)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(guò)程。 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(diǎn)，但對(duì)過(guò)程檢測(cè)、控制的要求是基本相同的。這既包括對(duì)鍋爐產(chǎn)汽量和產(chǎn)汽壓力的要求，也包括對(duì)鍋爐自身安全、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。鍋爐生產(chǎn)過(guò)程檢測(cè)控制應(yīng)達(dá)到下述基本目的：鍋爐汽包水位必須保持在一定范圍內(nèi)；鍋爐產(chǎn)汽量必須適應(yīng)用汽設(shè)備用汽量變化的要求；鍋爐產(chǎn)汽壓力必須滿足用汽設(shè)備的要求；過(guò)熱蒸汽溫度必須根據(jù)用汽設(shè)備的要求保持在一定的范圍內(nèi)；燃燒系統(tǒng)必須維持安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。 過(guò)熱蒸汽溫度是火力發(fā)電廠鍋爐設(shè)備的重要參數(shù)，在熱電廠生產(chǎn)過(guò)程中，整個(gè)汽水 通道中溫度最高的是過(guò)熱蒸汽溫度。過(guò)熱器正常工作的溫度，一般要接近于材料允許的最高溫度。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，則過(guò)熱器易損壞，還會(huì)使汽輪機(jī)內(nèi)部引起過(guò)度的熱膨脹，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行的安全；如果過(guò)熱蒸汽溫度偏低，則設(shè)備的效率將會(huì)降低，同時(shí)使通過(guò)汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。因此，在鍋爐運(yùn)行中，保證過(guò)熱蒸汽的溫 2 度在正常范圍內(nèi)是非常重要的。 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(duì)各類加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制。 可以說(shuō)幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。因此，這就需要在現(xiàn)有鍋爐控制技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行一定的改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種性價(jià)比合理的、使用和維護(hù)方便的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。 此外，如果過(guò)熱蒸汽溫度變化過(guò)大，還會(huì)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸的漲差變化，甚至?xí)a(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及到機(jī)組的運(yùn)行安全。因此，必須相當(dāng)嚴(yán)格地將過(guò)熱汽溫控制在給定值附近。一般中、高壓鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度的暫時(shí)偏差不允許超過(guò)177。 10℃，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)177。 5℃，這個(gè)要求對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常高的。所以對(duì)鍋爐蒸汽溫度的控制非常必要。 國(guó)內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 目前，國(guó)外利用余熱發(fā)電的新趨勢(shì)，是單機(jī)功率小，載熱體溫度低（即利用中低溫余熱發(fā)電）?；騼?nèi)也有一些利用余熱發(fā)電，如炭黑工業(yè)中的低熱值尾氣余熱和硫酸工業(yè)中的硫酸余熱發(fā)電等，所發(fā)的電能主要工廠自用。目前，已把如何利用中低溫的低品位余熱發(fā)電，作為開發(fā)節(jié)能新技術(shù)的重要課題。 余熱鍋爐是一種理想的節(jié)能設(shè)備，它不但能節(jié)約能源，而且對(duì)提高主流程的質(zhì)量，減輕公害和滿足某些工藝流程要求，都起著十分重要的作用?，F(xiàn)有的余熱鍋爐按進(jìn)鍋爐的介質(zhì)特性，有以下幾種主要型式： 1）廢煙氣不需要進(jìn)一步處理的余熱鍋爐； 2）廢煙氣需要 進(jìn)一步處理的余熱鍋爐； 3）廢煙氣要進(jìn)一步處理，且其冷卻在給定時(shí)間內(nèi)完成的余熱鍋爐； 4）固體顯熱的余熱鍋爐。 近十幾年，余熱鍋爐技術(shù)發(fā)展十分迅猛。七十年代初我國(guó)著手并開始實(shí) 3 施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。從 1974 年到 1980 年，先后投資擴(kuò)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。至今已開發(fā)并制造了涉及 15 個(gè)類別、 74 個(gè)品種、 101 個(gè)規(guī)格的余熱鍋爐 2020 余臺(tái)。 我國(guó)余熱鍋爐產(chǎn)品技術(shù)水品，除少數(shù)接近或到達(dá)國(guó)際上同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平外，大多數(shù)相當(dāng)于國(guó)外五、六十年代的水平，其主要差距反應(yīng)在 以下幾個(gè)方面： 1）熱利用率低； 2）自控水平落后； 3）積灰率高和清除效果差（特別是有色冶煉工藝中的余熱鍋爐）。 實(shí)踐證明，余熱鍋爐在各企業(yè)的節(jié)能中發(fā)揮了相當(dāng)有效的作用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，其投資一般可在 3～ 4 年內(nèi)回收。余熱鍋爐的作用現(xiàn)已超越了單純的余熱利用，事實(shí)上它的作用與工藝流程現(xiàn)代化和防止環(huán)境污染方面已無(wú)法截然分開，所以各種類型的余熱鍋爐相繼問(wèn)世。我國(guó)近幾年產(chǎn)量每年約在 400～ 500 蒸噸之間，尚不能滿足市場(chǎng)的需要。據(jù)預(yù)測(cè)， 1990 年，全國(guó)余熱鍋爐需要量在 1000 蒸噸 /年以上。 隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后 工業(yè)部門將普遍采用高能效的先進(jìn)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(zhǎng)。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。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。當(dāng)然也必須為今后發(fā)展中、低溫和固體顯熱回收的余熱利用技術(shù)以及城市垃圾焚燒余熱鍋爐開展一些科研工作，以加快設(shè)計(jì)，制造各種類型、容量和參數(shù)的余熱鍋爐，來(lái)滿足是長(zhǎng)的需求。 余熱鍋爐是機(jī)械產(chǎn)品及余熱發(fā)電設(shè)備的一個(gè)重要組成部分 ，因此發(fā)展余熱鍋爐，振興余熱鍋爐行業(yè)，也是振興機(jī)械工業(yè)和電力工業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量、上品種和上水平不可缺少的環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，建議采取以下措施： 4 1）改進(jìn)老式產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品，趕上世界先進(jìn)水平； 2）在產(chǎn)品發(fā)展中，科研設(shè)計(jì)要與推廣應(yīng)用相結(jié)合； 3）加強(qiáng)與國(guó)外的技術(shù)交流，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)； 4）制定必要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策，發(fā)揮科研人員的工作積極性。 設(shè)計(jì)的目的 余熱鍋爐是燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電的主設(shè)備之一。和常規(guī)鍋爐不同，余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過(guò)程，也沒(méi)有燃燒相關(guān)的設(shè)備，從本質(zhì)上講，它只是一個(gè)燃?xì)?— 水蒸 汽的換熱器。其與燃?xì)廨啓C(jī)配合，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣 (溫度約在500～ 600℃）進(jìn)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(jìn)入汽輪機(jī)，完成聯(lián)合循環(huán)。 鍋爐是火力發(fā)電廠單元機(jī)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(guò)程非常復(fù)雜，而且各種過(guò)程機(jī)密耦合，他們相互制約、相互影響。對(duì)于余熱鍋爐動(dòng)態(tài)的研究，往往借助于為它建立的某種簡(jiǎn)化模型。然而，對(duì)于鍋爐內(nèi)部的某些工作機(jī)理，人們至今尚未充分掌握。因此，如何建立比較符合實(shí)際而又相當(dāng)簡(jiǎn)單的鍋爐數(shù)學(xué)模型，尚待研究和值得 研究。 本文的設(shè)計(jì)目的，就是針對(duì)過(guò)熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，在深入分析過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程，過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及過(guò)熱蒸汽溫度控制的設(shè)計(jì)難的基礎(chǔ)上，確定在過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用單回路控制的可行性，并考慮根據(jù)蒸汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。并且由控制系統(tǒng)輸出信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行器，通過(guò)調(diào)節(jié)執(zhí)行器去控制減溫水閥門的開度，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)熱蒸汽溫度。并且通過(guò)仿真驗(yàn)證來(lái)控制效果。 采用 AT89C51 單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，可以大幅度提高被控溫度的技 5 術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn) 品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機(jī)對(duì)溫度的控制問(wèn)題是一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。 6 第 2 章 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制方案選擇 隨著控制理論的發(fā)展，越來(lái)越多的智能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制中。但這些控制技術(shù)主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒(méi)有從引起過(guò)熱蒸汽溫度波動(dòng)的源頭入手。通常，煙氣溫度過(guò)高是引起過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高的主要原因。一般，過(guò)熱蒸汽溫度在煙氣擾動(dòng)下延遲較小，而在減溫水量擾動(dòng)下延遲較大，這種特性將使過(guò)熱蒸汽溫度的控制滯后。 蒸汽溫度系統(tǒng)則是余熱鍋爐系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本設(shè)計(jì)主要考慮的部分是余熱鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。 蒸汽溫度系統(tǒng)包括一級(jí)過(guò)熱器、減溫器、二級(jí)過(guò)熱器。控制任務(wù)是使過(guò)熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器時(shí)管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。 影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素 影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過(guò)熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在若矛盾，各種擾動(dòng)因素之間相互影響，如蒸汽量、鍋爐給水溫度、流經(jīng) 過(guò)熱器的煙氣溫度及流速的變化等。而對(duì)各種不同的擾動(dòng)，過(guò)熱蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性也各不相同。 蒸汽流量擾動(dòng)下的蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 引起蒸汽流量擾動(dòng)的原因有兩個(gè)：一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥的開度變化。結(jié)構(gòu)形式不同的過(guò)熱器，在相同蒸汽流量的擾動(dòng)下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量的變化使沿整個(gè) 7 過(guò)熱器管路長(zhǎng)度上各點(diǎn)的蒸汽流速幾乎同時(shí)改變，從而改變過(guò)熱器的對(duì)流放熱系數(shù)，使沿整個(gè)過(guò)熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度幾乎同時(shí)改變，因而汽溫反應(yīng)較快。 其傳遞函數(shù)可以表示為：