【文章內(nèi)容簡介】 冷壁燒壞，引起爆炸。所以，必須對(duì)汽包水位進(jìn)行嚴(yán)格的控制。 鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的任務(wù)，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(jià)及自動(dòng)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(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。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。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的 3 設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的 設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)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(dòng)控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準(zhǔn)確性，保證鍋爐運(yùn)行的安全可靠，而且大大減輕工作人員的工作強(qiáng)度，減少人為因素的影響。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性兩個(gè)方面考慮，本設(shè)計(jì)將通過單片機(jī)對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制。 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。其特點(diǎn)是：控制功能通過內(nèi)部的控制程序來實(shí)現(xiàn)，人們只需改變這些程序，就可以改變鍋爐設(shè)備的控制功能， 以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動(dòng)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到的一個(gè)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(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。前敘的各種汽包水位控制策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(xiàng)很有意義的工作，也是可行的 [ 1 ]。 本 設(shè) 計(jì) 采 用 的 是 煙 道 式 余 熱 鍋 爐 ， 其 型 號(hào) 為70/95/ 0 040 ??Q ,表示利用潔凈煙氣所攜帶的顯熱，進(jìn)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(shè)計(jì)工作壓力為 、額定出口水溫度為 95℃，進(jìn)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(shè)計(jì) 余熱鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，它 是一個(gè)多輸入多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對(duì)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(dòng)控制系統(tǒng)就是一個(gè)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(shè)計(jì)。 汽包水位控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析 保持汽包正常水位的意義 鍋爐運(yùn)行中，汽包水位過高過低都會(huì)給鍋爐和汽輪機(jī)的 安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。 汽包水位過高，汽包空間縮小，會(huì)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(yán)重滿水時(shí)，會(huì)造成蒸汽大量帶水，引起蒸汽管道和汽輪機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的水沖擊，甚至打壞汽輪機(jī)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(yán)重缺水時(shí)，還可能造成更嚴(yán)重的設(shè)備損壞事故。 所以，鍋爐運(yùn)行中，對(duì)水位監(jiān)視不嚴(yán)，操作不當(dāng)，都會(huì)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(dòng)的水量更少。如果給水中斷而繼續(xù)運(yùn)行，則在 10～30s 內(nèi)，汽包 水位計(jì)中的水位就會(huì)消失或降到危險(xiǎn)水位。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]。 一般汽包正常波動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)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(jī)構(gòu)來改變給水量，以達(dá)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(dòng)態(tài)特性來設(shè)計(jì)汽包水位的自動(dòng)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(shè)定值的偏差去控制給水閥的開度，就能對(duì)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(guān)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(fù)荷即蒸汽壓 7 力有關(guān)。綜合看來，影響汽包水位變化的因素主要有以下四個(gè)方面： ⒈ 余熱鍋爐蒸汽負(fù)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?dāng)_動(dòng)； 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(duì)水位的影響有較大的容量滯后性和傳輸滯后性，變化相當(dāng)緩慢，可忽略不計(jì)；蒸汽負(fù)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(fù)荷中去，因此壓力變化對(duì)汽包水位的影響可忽略不計(jì)。 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 ?? 。 通過鍋爐汽包水位的動(dòng)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(dòng)。 在給水流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)給水量發(fā)生變化，蒸汽流量不變時(shí)，根據(jù) 式（ 21） ， 汽包水位調(diào) 節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： WWWW uKdtduTdtdhTdt hdTT ??? 12221 （ 22） 對(duì) 式（ 22） 進(jìn)行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?sUKssUTssHTsHsTT WWWW ??? 1221 （ 23） 汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可由 式（ 23） 變化得到： ? ? ? ?? ? ? ?121 ???? sTsT KsTsU sHsG WWWW （ 24） 在實(shí)際工程中，對(duì)于蒸汽壓力小于 的中壓以下的鍋爐，給水量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)一般較小，可忽略不計(jì)，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(shí)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(dòng)態(tài)特性，是由慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)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(yīng)曲線。如果把汽包和給水看作單容量無自衡對(duì)象，水位階躍響應(yīng)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(dāng)水位下汽包容積的變化過稱逐漸平衡時(shí)，水位則因汽包中儲(chǔ)水量的增加而上升。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。所以圖中 H 線是水位的實(shí)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(dòng)下的動(dòng)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(shí)，根據(jù) 式（ 21），此時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性微分方程可表示為： ?????? ???? DDDD uKdtduTdtdhTdt hdTT 12221 （ 26） 對(duì)式（ 26）進(jìn)行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?? ?sUKssUTssHTsHsTT DDDD ???? 1221 （ 27） 蒸汽擾動(dòng)下汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)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(gè)動(dòng)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(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，即干擾通道的動(dòng)態(tài)特性。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。 但實(shí)際情況并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬間必導(dǎo)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(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線 H 為 H1 和 H2 的疊加，即 H=H1+H2 。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。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(shí)水位的變化速度，ht smm； K2 — 響應(yīng)曲線 H 2 的放大系數(shù)； T 2 — 響應(yīng)曲線 H 2 的時(shí)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(guān)。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。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(shè)計(jì)時(shí)，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(lǐng)域的一個(gè)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(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。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。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(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)。 ：是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)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(shè) 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 13 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)于汽包內(nèi)水的停留時(shí)間長、負(fù)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(yùn)行。 但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個(gè)問題。 ，將使控制器反向錯(cuò)誤動(dòng)作。例如，蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，虛假水位上升，此時(shí)控制器不但不能開大給水閥，增加給水量，反而關(guān)小控制閥，減少給水量。等到虛假水位消失時(shí)，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)厲害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)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(yán)重后果。 。負(fù)荷變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制