【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 水位在正常范圍內(nèi)是鍋爐運(yùn)行的一項(xiàng)重要的安全性 能 指標(biāo) ， 由于負(fù)荷、燃燒 狀 況及給水流量 等因素 的變化， 汽 包水位會(huì)經(jīng)常 發(fā)生 變化 [1]。 因此鍋爐汽包水位應(yīng)當(dāng)根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加以嚴(yán)格控制以保證鍋爐的安全運(yùn)行。 工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài) 平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件，鍋爐汽包水位 也 是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)，它間接地體現(xiàn)了鍋爐負(fù)荷和給水之間的平衡關(guān)系 。 傳統(tǒng)的控制方法是以 各種 分立器件的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用各種檢測(cè)器件對(duì)被控參數(shù)實(shí)時(shí) 進(jìn)行 檢測(cè)并反饋給控制器件 ，再 根據(jù)自動(dòng)控制理論的有關(guān)算法完成相應(yīng)的運(yùn)算并驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而達(dá)到自動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)期安全、高效運(yùn)行 ?，F(xiàn)在廣泛使用的控制技術(shù)還有 DCS 集散控制系統(tǒng) [2]，但由于 DCS 系統(tǒng)適合有多個(gè)控制回路同時(shí)工作的復(fù)雜系統(tǒng)，而且集散控制系統(tǒng)往往價(jià)格昂貴，對(duì)于像汽包水位這樣的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)性?xún)r(jià)比太高，因此對(duì)于汽包水位控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并非理想的選擇。 PLC 是 70 年代發(fā)展起來(lái)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(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、化工、能源、交通等各種行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)在操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、通信能力上的飛速發(fā)展，大大增強(qiáng)了 PLC 通信能力，豐富了 PLC 編程軟件和編程技巧，增 強(qiáng)了 PLC 過(guò)程控制能力。因此，無(wú)論是單機(jī)還是多機(jī)控制、生產(chǎn)流水線(xiàn)控制及過(guò)程控制都可以采用PLC技術(shù)。 PLC 控制 鍋爐技術(shù) 是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是 PLC 軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物 。 作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。 采用 PLC 控制 技術(shù) ，能 實(shí)現(xiàn)對(duì) 鍋爐 運(yùn) 行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。它的被 控 量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是 汽包 給水流量，通過(guò)對(duì) 汽包水位的實(shí)河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 1 緒論 2 時(shí)檢測(cè)并進(jìn)行反饋， PLC 對(duì)反饋信號(hào)和給定信號(hào)進(jìn)行比較，然后根據(jù)控制算法對(duì)二者的 偏差進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn) 給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡， 汽包水位 變化在允許范圍之內(nèi)。 本次設(shè)計(jì)的主要工作有： （ 1） 設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制方案 從鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)性能入手，分析影響鍋爐汽包水位的主要因素，并對(duì)這些因素對(duì)鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)性能的影響進(jìn)行理論研究。在此基礎(chǔ)之上，根據(jù)各個(gè)因素對(duì)鍋爐汽包水位的影響采用汽包水位三沖量方案，達(dá)到控制鍋爐汽包水位穩(wěn)定的目的。 （ 2） 硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案合理地選擇檢測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控 制設(shè)備以及其它必要設(shè)備，并在此基礎(chǔ)之上根據(jù)控制方案合理地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)。 （ 3） 控制算法的參數(shù)整定 根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)以及它的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性按照工程整定的方法進(jìn)行控制器的參數(shù)整定，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行仿真，并對(duì)整定結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整判斷其可行性，為后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。 （ 4） PLC程序 根據(jù)參數(shù)整定和仿真的結(jié)果利用相關(guān)軟件進(jìn)行 PLC 梯形圖程序設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)控制算法。河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 控制方案設(shè)計(jì) 3 2 控制方案設(shè)計(jì) 鍋爐是重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以 滿(mǎn)足負(fù)荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。如果水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以 鍋爐 汽包水位過(guò)高過(guò)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(diào)節(jié)量則是給水流量，通過(guò)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié) , 使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內(nèi) ， 保證鍋爐的安全運(yùn)行 ， 生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿(mǎn)足負(fù)荷的需要。 本設(shè)計(jì) 控制對(duì)象的主要參數(shù)有： 汽包水位控制在 ： 300177。10 mm 正常工作時(shí)的蒸發(fā)量： 35t/h 水位穩(wěn)定時(shí)供水量為： 35 m3/h 正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是 虛假水位是鍋爐運(yùn)行時(shí)不真實(shí)的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當(dāng)汽包壓力突降時(shí)，爐水飽和溫度下降到壓力較低時(shí)的飽和溫度，使?fàn)t水大量放出熱量來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)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(dāng)汽包壓力突升時(shí)，則相應(yīng)的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來(lái)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(dāng)鍋爐內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會(huì)形成虛假水位。鍋爐負(fù)荷突變、滅火、安全門(mén)動(dòng)作、燃燒不穩(wěn)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生虛假水位。在負(fù)荷突然變化時(shí)，汽壓也相應(yīng)變化，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)虛假水位。負(fù)荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機(jī)甩負(fù)荷，汽壓突然升高，水位將瞬時(shí)下降；運(yùn)行中燃燒突然增強(qiáng)或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時(shí)升高或下降；安全閥起座時(shí)，由于壓力突然下降，水位瞬時(shí)明顯升高；鍋爐滅火時(shí)，由于燃燒 突然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時(shí)下降。 在輸入端引入蒸汽流量信號(hào)，設(shè)置水位系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)，于是當(dāng)蒸汽流量增大時(shí)，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(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 控制方案設(shè)計(jì) 4 汽包水位的影響因素 首先應(yīng)該從分析汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象如圖 所示。給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量 W，汽輪機(jī)耗汽量 D是由汽輪機(jī)閥門(mén)開(kāi)度來(lái)控制的。 省 煤 器過(guò) 熱 器水 冷 壁汽包變頻器 圖 鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象 初看起來(lái)，汽包水位的動(dòng)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(shí)際情況并非如此，最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿(mǎn)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(fù)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(méi)有發(fā)生變化，汽包水位也會(huì)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(jī)耗汽量 D 和燃料量 B三個(gè)主要因素。 （ 1） 給水?dāng)_動(dòng)的影響 如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作 一個(gè) 單容水槽 ， 那么水位的給水階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn) 應(yīng)該 為圖 所示 的曲線(xiàn) H1所示。但考慮到 給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和的水溫度，當(dāng)它進(jìn)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(nèi)部的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡 的 總體積 V 也就 會(huì) 相應(yīng) 的 減小，從而導(dǎo)致水位下降如圖 所示的 曲線(xiàn) H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線(xiàn)應(yīng)是曲線(xiàn) H1和 H2之和 ， 如圖 曲線(xiàn) H所示。它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大則響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。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(shí)間。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 控制方案設(shè)計(jì) 5 tHH1HH 2 圖 給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn) （ 2） 汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響 當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量 D