【文章內容簡介】 水位在正常范圍內是鍋爐運行的一項重要的安全性 能 指標 ， 由于負荷、燃燒 狀 況及給水流量 等因素 的變化， 汽 包水位會經常 發(fā)生 變化 [1]。 因此鍋爐汽包水位應當根據(jù)設備的運行狀況進行實時調節(jié)加以嚴格控制以保證鍋爐的安全運行。 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動態(tài) 平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內，是保證鍋爐安全生產運行的必要條件，鍋爐汽包水位 也 是鍋爐運行中一個重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負荷和給水之間的平衡關系 。 傳統(tǒng)的控制方法是以 各種 分立器件的應用為基礎，利用各種檢測器件對被控參數(shù)實時 進行 檢測并反饋給控制器件 ，再 根據(jù)自動控制理論的有關算法完成相應的運算并驅動調節(jié)機構完成相應的動作，從而達到自動控制的目的。但是這種控制方式受分立器件的性能影響大 ， 系統(tǒng)各部分之間影響較大，自動化水平不高，控制效果并非十分理想，而且 容易出現(xiàn)故障 ，不利于系統(tǒng)的長期安全、高效運行 ?，F(xiàn)在廣泛使用的控制技術還有 DCS 集散控制系統(tǒng) [2]，但由于 DCS 系統(tǒng)適合有多個控制回路同時工作的復雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價格昂貴，對于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來說性價比太高，因此對于汽包水位控制系統(tǒng)來說并非理想的選擇。 PLC 是 70 年代發(fā)展起來的中大規(guī)模的控制器，是集 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口與中斷系統(tǒng)于一體的器件 [3]，已經被廣泛應用于機械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計算機在操作系統(tǒng)、應用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強了 PLC 通信能力，豐富了 PLC 編程軟件和編程技巧，增 強了 PLC 過程控制能力。因此，無論是單機還是多機控制、生產流水線控制及過程控制都可以采用PLC技術。 PLC 控制 鍋爐技術 是近年來開發(fā)的一項新技術。它是 PLC 軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術緊密結合的產物 。 作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經濟運行，減輕操作人員的勞動強度。 采用 PLC 控制 技術 ，能 實現(xiàn)對 鍋爐 運 行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被 控 量是汽包水位，而調節(jié)量則是 汽包 給水流量，通過對 汽包水位的實河南城建學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 1 緒論 2 時檢測并進行反饋， PLC 對反饋信號和給定信號進行比較，然后根據(jù)控制算法對二者的 偏差進行相應的運算，運算結果輸出給執(zhí)行機構從而實現(xiàn) 給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡， 汽包水位 變化在允許范圍之內。 本次設計的主要工作有： （ 1） 設計鍋爐汽包水位控制方案 從鍋爐汽包水位的動態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，并對這些因素對鍋爐汽包水位動態(tài)性能的影響進行理論研究。在此基礎之上，根據(jù)各個因素對鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達到控制鍋爐汽包水位穩(wěn)定的目的。 （ 2） 硬件設備的選型與設計 根據(jù)所設計的控制方案合理地選擇檢測元件、執(zhí)行機構和控 制設備以及其它必要設備，并在此基礎之上根據(jù)控制方案合理地進行硬件設計。為整個系統(tǒng)的實現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運行打下基礎。 （ 3） 控制算法的參數(shù)整定 根據(jù)被控對象的特點以及它的靜態(tài)、動態(tài)特性按照工程整定的方法進行控制器的參數(shù)整定，設計調節(jié)器的各個參數(shù)。在此基礎之上對整定結果進行仿真，并對整定結果進行進一步調整判斷其可行性，為后續(xù)的軟件設計工作打下基礎。 （ 4） PLC程序 根據(jù)參數(shù)整定和仿真的結果利用相關軟件進行 PLC 梯形圖程序設計，最終實現(xiàn)控制算法。河南城建學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 2 控制方案設計 3 2 控制方案設計 鍋爐是重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以 滿足負荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，如果水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。如果水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以 鍋爐 汽包水位過高過低都可能造成重大事故。 在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中 被控量是汽包水位，而調節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié) , 使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內 ， 保證鍋爐的安全運行 ， 生產出合格穩(wěn)定的高質量蒸汽，以滿足負荷的需要。 本設計 控制對象的主要參數(shù)有： 汽包水位控制在 ： 300177。10 mm 正常工作時的蒸發(fā)量： 35t/h 水位穩(wěn)定時供水量為： 35 m3/h 正常工作時汽包蒸汽壓力大約是 虛假水位是鍋爐運行時不真實的水位。虛假水位的產生是由于當汽包壓力突降時，爐水飽和溫度下降到壓力較低時的飽和溫度，使爐水大量放出熱量來進行蒸發(fā)。于是爐水內的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。當汽包壓力突升時，則相應的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發(fā)爐水的熱量則 減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下降，形成虛假水位。 此外當鍋爐內熱負荷增加或驟減時，水的比容將增大或減小，也會形成虛假水位。鍋爐負荷突變、滅火、安全門動作、燃燒不穩(wěn)時，都會產生虛假水位。在負荷突然變化時，汽壓也相應變化，這時將會出現(xiàn)虛假水位。負荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機甩負荷，汽壓突然升高，水位將瞬時下降；運行中燃燒突然增強或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時升高或下降；安全閥起座時，由于壓力突然下降，水位瞬時明顯升高；鍋爐滅火時，由于燃燒 突然停止，鍋水中汽泡產量迅速減少，水位也將瞬時下降。 在輸入端引入蒸汽流量信號，設置水位系統(tǒng)的前饋調節(jié)，于是當蒸汽流量增大時，給水量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的影響。 河南城建學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 2 控制方案設計 4 汽包水位的影響因素 首先應該從分析汽包水位的動態(tài)特性入手。鍋爐給水調節(jié)對象如圖 所示。給水調節(jié)機構為變頻器調節(jié)給水量 W，汽輪機耗汽量 D是由汽輪機閥門開度來控制的。 省 煤 器過 熱 器水 冷 壁汽包變頻器 圖 鍋爐給水調節(jié)對象 初看起來，汽包水位的動態(tài)特性似乎和單容水槽一樣， 給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低 [4]。但實際情況并非如此，最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽 泡 的水，而蒸汽泡的體積 V 是隨著汽包壓力和爐膛熱負荷的變化而變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環(huán)系統(tǒng) 的 總水量沒有發(fā)生變化，汽包水位也會因此隨之發(fā)生改變 從而 影響水位的穩(wěn)定。 影響汽包水位 H的主要因素有給水量 W，汽輪機耗汽量 D 和燃料量 B三個主要因素。 （ 1） 給水擾動的影響 如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作 一個 單容水槽 ， 那么水位的給水階躍擾動響應曲線 應該 為圖 所示 的曲線 H1所示。但考慮到 給水的溫度低于汽包內飽和的水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使 得 鍋爐內部的蒸汽產量下降，水面以下的汽泡 的 總體積 V 也就 會 相應 的 減小，從而導致水位下降如圖 所示的 曲線 H2所示。水位的實際響應曲線應是曲線 H1和 H2之和 ， 如圖 曲線 H所示。它是一個具有延遲時間的積分環(huán)節(jié)，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數(shù)可以近似表示為： ? ?11 s (1 )G SS? ?? ? () 式 中 1? 表示汽包水位的飛升速度， ? 表示延遲時間。 河南城建學院本科畢業(yè)設計 (論文 ) 2 控制方案設計 5 tHH1HH 2 圖 給水擾動響應曲線 （ 2） 汽輪機耗汽量擾動的影響 當汽輪機耗汽量 D