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基于單片機的余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)設計(編輯修改稿)

2024-07-13 02:08 本頁面
 

【文章內容簡介】 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,維持汽包內水位在允許的范圍內變化。 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)應用自控技術在中國的推廣使用較晚,但近年來發(fā)展較快。國內現(xiàn)在做汽包水位自動控制系統(tǒng)方面的 3 設計公司很多,但由于能夠集工藝要求、自動化技術和電氣技術三者于一體的 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。 國內外發(fā)展情況 隨著科學技術的發(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,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 自調整、自校正主要采用不同的優(yōu)化方法對參數(shù)進行自調整;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 4 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,蒸汽品質惡化;容易造成過熱器管內積鹽垢,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,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。 余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以汽包水位 h作為被控量,以給水調節(jié)閥作為調節(jié)機構來改變給水量,以達到保持汽包水位在允許范圍內的目的。其結構框圖如 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 包括給水調節(jié)閥開度的變化和給水母管壓力的變化在內的給水擾動; ⒋ 包括影響余熱發(fā)熱量變化的其他在內的余熱的變化; 蒸汽發(fā)生過程中汽包內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 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。汽包內水沸騰突然加劇,產(chǎn)生內蒸,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) 。 12 :即在單沖量系統(tǒng)的基礎上引入了蒸汽流量信號。 :是在雙沖量系統(tǒng)的基礎上再引入給水流量信號而構成。 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 節(jié) 器變 送 器汽 包 水 位水 位 設 定 值調 節(jié) 閥汽 包 水 位+ 圖 25 單沖量水位 控制系統(tǒng)框圖 13 這種控制系統(tǒng)結構簡單,對于汽包內水的停留時間長、負荷變化小的小型鍋爐,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來的嚴重后果。 。負荷變化時,需引起汽包水位變化后才起控制
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