【正文】 與汽包水位組成前饋 反饋控制系統(tǒng)，通常稱為雙沖量控制系統(tǒng)。 為了克服上面三個(gè)問題，除了依據(jù)汽包水位之外，也可依據(jù)蒸汽流量和給水流量的變化來控制給水閥，將能獲得良好的控制效果，這就產(chǎn)生了雙沖量和三沖量水位控制系統(tǒng)。 。負(fù)荷變化時(shí)，需引起汽包水位變化后才起控制作用。因此這種系統(tǒng)克服不了虛假水位帶來的嚴(yán)重后果。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。 但是，單沖量控制系統(tǒng)存在三個(gè)問題。圖 25 是單沖量水位控制系統(tǒng)框圖。 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)。 ：即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號。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。 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。對于一般 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。 ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? 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)。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。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。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 給水流量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線 DHH 2H 1Htt 圖 23 蒸汽流量擾動下的水位階躍響應(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。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。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)了因儲水量的增加而直線上升。 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。 圖 22 是給水流量作用下水位變化的階躍響應(yīng)曲線。 在給水流量擾動下的動態(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)對象的運(yùn)動方程可表示為： WWWW uKdtduTdtdhTdt hdTT ??? 12221 （ 22） 對 式（ 22） 進(jìn)行拉氏變換，可得： ? ? ? ? ? ? ? ?sUKssUTssHTsHsTT WWWW ??? 1221 （ 23） 汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水?dāng)_動下的傳遞函數(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。 經(jīng)理論推導(dǎo)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(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 ?? 。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； 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。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。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，就能對水位起到調(diào)節(jié)作用。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)鍋爐汽包水位的動態(tài)特性來設(shè)計(jì)汽包水位的自動調(diào)節(jié)。 6 被控參數(shù)與控制變量選擇 余熱鍋爐給水自動調(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)。即使是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，也會在幾分鐘內(nèi)發(fā)生鍋爐缺水或滿水事故 [ 2]。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。 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。 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(yùn)行中，汽包水位過高過低都會給鍋爐和汽輪機(jī)的 安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅。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(gè)典型的控制過程。 本 設(shè) 計(jì) 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(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。 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控制系統(tǒng)引進(jìn)蒸汽流量和給水流量作為控制信號，系統(tǒng)動作及時(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。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒有的。 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。 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(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。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。 鍋爐汽包水位自動控制的任務(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。然而，水位過低，則因汽包內(nèi)的水量少，而負(fù)荷很大，加快水的汽化速度，使汽包內(nèi)的水量變化速度很快，若不及時(shí)加以控制，將有可能使汽包內(nèi)的水全部汽化，尤其對于大型 鍋爐，水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間極短，從而導(dǎo)致水冷壁燒壞，引起爆炸。首先，水位過高會影響汽包內(nèi)的汽水分離，飽和水蒸氣將會帶水過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢并損壞，使過熱蒸汽的溫度嚴(yán)重下降。 余熱鍋 爐汽 包水位 高度 是確 保生產(chǎn) 和提 供優(yōu) 質(zhì)蒸 汽的重 要參數(shù)。余熱鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的控制對象，生產(chǎn)過程中的各個(gè)主要參數(shù)都必須嚴(yán)格控制。余熱鍋爐按 “余熱 ”種類可分為高溫?zé)煔庥酂徨仩t、高溫爐渣余熱鍋爐、高溫廢氣廢熱余熱鍋爐、高溫產(chǎn)品余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱鍋爐、冷卻介質(zhì)余熱鍋爐、冷凝水余熱鍋爐。它與傳統(tǒng)意義上的鍋爐相比僅有 “鍋 ”而沒有 “爐 ”，即沒有燃燒器，如果需要高壓高溫的蒸汽，可 2 以 在余熱鍋爐內(nèi)裝一個(gè)附加燃燒器，通過燃料的燃燒使整個(gè) 煙氣溫度升高，能夠產(chǎn)生高參數(shù)的蒸汽。 余熱鍋爐 HRSG，顧名思義是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的鍋爐。因此，余熱鍋爐作為 “降耗、增效 ”的首選設(shè)備不斷在能源消耗大的鋼鐵、化工、建材等行業(yè)得到用戶的青睞。當(dāng)前，全社會都在開展節(jié)能降耗，緩解能源壓力，建設(shè)節(jié)能型社會，而工業(yè)余熱資源的回收利用是節(jié)約能源的重要措施，且煙氣余熱在工業(yè)余熱中占有很大比重，且節(jié)能潛力巨大，如不加以利用，將造成極大地浪費(fèi)。 本設(shè)計(jì)研究的目的和意義 節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境是我國的基本國策。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用使得科學(xué)研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工藝實(shí)踐的效率大大提高，同時(shí)也大幅度提高了產(chǎn)品和成果的質(zhì)量。根據(jù)控制要求和所設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行了 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，利用了單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn) 控制算法并進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最終完成單片機(jī)在余熱鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)從分析影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，提出了采用汽包水位三沖量控制系統(tǒng)方案。因此對汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。 I 摘 要 汽包水位是影響余熱鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)。汽包水位過高或過低的后果都是非常嚴(yán)重的。單片機(jī)技術(shù)的快速 發(fā)展使得單片機(jī)廣泛應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域并極大地提高了控制 性能。按照工程整定的方法，進(jìn)行了 PID 參數(shù)整定，并以 MATLAB 為仿真平臺進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明此控制系統(tǒng)具 有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞 ：汽包水位 三沖量控制 單片機(jī) PID 控制 II ABSTRACT Drum water level is an important para meter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. The consequences are very serious w hen the w ater level is too high or too low. So the drum water level must be strictly controlled. The rapid development of SCM technology makes it widely used in control field and it improves t he performance of control greatly. According to the influence of various factors on the drum water level, this design adopts the three impulse control system scheme of drum level. According to the method of engineering tuning, the design adopts the tuning of PID parameters and uses MATLAB as the simulation platfor m. The simulation results show that this control system has high quality regulation and it can maintain the stability of the drum level. According to the control requirements and the design scheme of the control system, the hardware design w as carried out. The softw are design of the system uses SCM programming control. Finally, we can finish that the drum water level of the surplus energy boiler is controlled based on SCM. Keywords: water level of the steam