鍋爐汽包水位保護(hù)設(shè)計(jì)方案

第1章 緒論

1.1 鍋爐汽包水位自動控制的意義

鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會造成爆炸事故。

隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。

1.2 鍋爐液位控制的難點(diǎn)

液位的控制技術(shù)是通過控制進(jìn)水或出水閥門的開度，改變水流量來實(shí)現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實(shí)現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比較難于控制的一項(xiàng)。由于在鍋爐運(yùn)行過程中存在進(jìn)水量和出水量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制器參數(shù)來滿足所有的運(yùn)行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過量會導(dǎo)致流量回路動作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額外的干擾。這樣就導(dǎo)致液位控制器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)，允許液位在一定范圍內(nèi)波動，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能及時(shí)抑制大擾動，這就可能引起鍋爐運(yùn)行的安全問題。

另外，液位的波動也會破壞鍋爐運(yùn)行過程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水流量、蒸汽出口流量和混合燃料的進(jìn)料量。各變量都有各自不同的擾動。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過程暫時(shí)改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。

第2章 方案論證

鍋爐汽包水位的控制方案：根據(jù)鍋爐汽包水位特性，選取鍋爐汽包水位為被控量，給水流量為控制量，蒸汽流量和給水流量為干擾量，通過控制給水量來使鍋爐汽包水位維持在滿足負(fù)荷需求的高度。

2.1 單沖量控制系統(tǒng)

所謂單沖量就是指鍋爐汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽用量突然增加時(shí)，應(yīng)該加大給水量以滿足負(fù)荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導(dǎo)致控制器會先減小給水量來抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，汽包水位會在負(fù)荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴(yán)重的水位下降，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。對于小型鍋爐，由于蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假水位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿足要求。對于負(fù)荷變動較大的大、中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。

2.2 雙沖量控制系統(tǒng)

蒸汽流量是影響汽包水位最主要的擾動，也是造成假水位的主要因素。如果將蒸汽流量這一可測不可控的干擾作為前饋引入單沖量系統(tǒng)，就可以有效避免假水位引起的誤動作，并及時(shí)控制水位，減小水位波動。由此，構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)，其本質(zhì)為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，即給水量不僅取決于汽包水位，還受到蒸汽用量影響?？梢?，該控制方案能有效適應(yīng)負(fù)荷需求變化，但對給水系統(tǒng)中的水壓等干擾因素造成的波動不能及時(shí)抑制。

2.3 三沖量控制系統(tǒng)

為進(jìn)一步改善控制品質(zhì)，引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。所謂三沖量，值得是引入了三個(gè)測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控制本質(zhì)上是前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)：主回路實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應(yīng)負(fù)荷和水位要求。由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號相反，蒸汽流量變送器的輸出電流會抵消一部分虛假液位輸出電流，所以虛假液位所帶來的影響將局部或全部被抵消。待虛假液位過去，水位開始下降，液位調(diào)節(jié)器輸出電流開始減小，此時(shí)它與蒸汽流量信號變化的方向相反，因此加法器的輸出電流減小，此時(shí)要求增加給水量以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充液位的不足。調(diào)節(jié)過程進(jìn)行到液面重新穩(wěn)定在給定值，給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新的平衡為止。當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，給水量本身因壓力波動而變化時(shí)，加法器的輸出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)閥門開度直至給水量恢復(fù)到所需的數(shù)值為止。

由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量兩個(gè)輔助沖量，起到了“超前信號”的作用，使給水閥一開始就向正確的方向移動，因而可減小液位的波動幅度，抵消虛假液位的影響，并可縮短過渡過程時(shí)間。三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時(shí)克服負(fù)荷（蒸汽量）和給水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度較高，適用于汽包容積較小、負(fù)荷和給水干擾較大的場合。

第3章 硬件設(shè)計(jì)

3.1 液位變送器的選擇

選擇TK3051L液位變送器，其工作原理如下：工作時(shí)高低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片是一個(gè)張緊的彈性元件，其位移隨所受壓而變化（對于GP表壓變送器，大氣壓如同施加在傳感膜片上的低壓側(cè)一樣）。傳感膜片的最大位移量為0.004英寸（0.1毫米），且位移量與壓力成正比。兩側(cè)的電容板極檢測傳感膜片的位置。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流、電壓或數(shù)字HART（高速可尋址遠(yuǎn)程發(fā)送器數(shù)據(jù)公路）輸出信號。

TK3051L液位變送器的特點(diǎn)包括：完整的變送系列；測量范圍：0-0.5inH20至6000psig；結(jié)構(gòu)小巧、堅(jiān)固、抗震；模塊化結(jié)構(gòu)；阻尼可調(diào)；多種選項(xiàng)，量應(yīng)用靈活；智能，模擬或低耗電路；電氣連接及安裝：配有多種過程連接器和安裝法蘭；液位測量精度達(dá)0.075%；校驗(yàn)量程從2.5inH20至8310inH20；平面式，2-，4-，與6英寸伸出式膜片；多種可選灌充液，可滿足不同場合要求；小巧而質(zhì)輕，易于安裝與維護(hù)；接液件材料：不銹鋼，哈氏合金鉭。

3.2 主控芯片選擇

本設(shè)計(jì)選擇了ATMEL公司的89C52單片機(jī)作為主控制器。89C52單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的微控制器，適用于各種控制應(yīng)用。它包含豐富的外設(shè)和高速的處理能力，能夠滿足鍋爐汽包水位保護(hù)的復(fù)雜控制需求。

89C52單片機(jī)的主要特點(diǎn)包括：

• 高性能8位CMOS微控制器，具有4K字節(jié)可編程閃存存儲器。

• 與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳完全兼容。

• 4096字節(jié)的可編程閃存存儲器壽命：1000寫/擦除周期。

• 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：256字節(jié)。

• 特殊功能寄存器（SFR）：128位。

• 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

• 可編程串行UART通道。

• 兩個(gè)數(shù)據(jù)指針（DPTR）。

• 可編程看門狗定時(shí)器。

• 低功耗空閑和掉電模式。

• 中斷源：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷、外部中斷、串行口中斷。

• 4個(gè)8位I/O端口。

89C52單片機(jī)在設(shè)計(jì)中的主要作用是作為控制核心，負(fù)責(zé)接收和處理來自液位變送器、壓力傳感器等設(shè)備的信號，并根據(jù)這些信號執(zhí)行相應(yīng)的控制算法，最終輸出控制信號來調(diào)節(jié)鍋爐汽包的水位。

3.3 壓力傳感器/變送器

PTH501/502/503/504壓力傳感器/變送器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。這些傳感器/變送器能夠準(zhǔn)確地測量鍋爐汽包內(nèi)的壓力變化，并將這些變化轉(zhuǎn)換為電信號，供單片機(jī)進(jìn)行處理。

3.4 控制器的選擇

控制器采用內(nèi)置PID算法的設(shè)計(jì)，能夠接收來自液位變送器和壓力傳感器的信號，并將這些信號與預(yù)設(shè)的水位和壓力值進(jìn)行比較。根據(jù)比較結(jié)果，控制器自動調(diào)節(jié)水位控制閥門的開度，從而維持鍋爐汽包水位在合適的范圍內(nèi)。

3.5 執(zhí)行器的選擇

執(zhí)行器采用交流固態(tài)繼電器SSR，它是一種無觸點(diǎn)通斷電子開關(guān)，利用電子元件的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花接通和斷開電路的目的。SSR具有響應(yīng)速度快、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適用于鍋爐汽包水位控制中的高頻開關(guān)操作。

3.6 控制器的作用方式

控制器根據(jù)采樣得到的相對液位數(shù)值進(jìn)行計(jì)算、處理、判斷后，得出控制結(jié)果，并通過P1口輸出相應(yīng)的控制信號。這些控制信號為0、1（低、高電平）連續(xù)脈沖信號，經(jīng)過一定的上拉后，去控制繼電器動作，再經(jīng)過繼電器控制給水閥門。

3.7 閥的開閉選擇形式

閥門采用電動調(diào)節(jié)閥，通過接收來自控制器的控制信號來調(diào)節(jié)開度。電動調(diào)節(jié)閥具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足鍋爐汽包水位控制中的精確調(diào)節(jié)需求。

第4章 軟件設(shè)計(jì)

4.1 PID對控制的影響

PID控制器是鍋爐汽包水位控制中的核心算法之一。PID控制器通過比較實(shí)際水位與設(shè)定水位之間的差異，計(jì)算出控制量，并通過調(diào)整給水閥門的開度來消除這種差異。PID控制器中的P（比例）、I（積分）、D（微分）三個(gè)參數(shù)對控制效果有著重要影響：

• 比例（P）：直接反映控制偏差，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但過大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

• 積分（I）：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的大小取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組成PI或PID控制器。

• 微分（D）：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。

在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，通過合理調(diào)整PID控制器的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對水位變化的快速響應(yīng)和精確控制，從而確保鍋爐的安全運(yùn)行。

4.2 采樣周期的確定

采樣周期是控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了控制系統(tǒng)對水位變化的響應(yīng)速度和控制精度。采樣周期的選擇需要綜合考慮系統(tǒng)的動態(tài)特性和控制要求。過短的采樣周期可能會導(dǎo)致控制系統(tǒng)過于敏感，產(chǎn)生過多的控制動作，增加系統(tǒng)的能耗和磨損；而過長的采樣周期則可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)響應(yīng)滯后，無法及時(shí)消除水位偏差。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過實(shí)驗(yàn)或仿真來確定最佳的采樣周期。通常，采樣周期的選擇應(yīng)使控制系統(tǒng)在保證穩(wěn)定性的前提下，具有較快的響應(yīng)速度和較高的控制精度。

4.3 控制算法的實(shí)現(xiàn)

在軟件設(shè)計(jì)中，控制算法的實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵部分。對于鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，可以采用基于PID算法的控制策略。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1. 讀取傳感器數(shù)據(jù)：通過ADC模塊讀取液位變送器和壓力傳感器的輸出信號，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的水位和壓力值。

2. 計(jì)算控制量：根據(jù)讀取的水位和壓力值，以及預(yù)設(shè)的水位和壓力設(shè)定值，計(jì)算控制偏差。然后，根據(jù)PID控制器的參數(shù)（P、I、D），計(jì)算出控制量。

3. 輸出控制信號：將計(jì)算得到的控制量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號，通過輸出端口發(fā)送給電動調(diào)節(jié)閥。電動調(diào)節(jié)閥根據(jù)接收到的控制信號調(diào)整開度，從而實(shí)現(xiàn)對鍋爐汽包水位的控制。

4. 循環(huán)執(zhí)行：以上步驟需要循環(huán)執(zhí)行，以確?？刂葡到y(tǒng)能夠持續(xù)地對水位進(jìn)行監(jiān)測和控制。

4.4 故障檢測與處理

在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中，故障檢測與處理是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。常見的故障包括傳感器故障、控制器故障、執(zhí)行器故障等。為了提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，可以采取以下措施進(jìn)行故障檢測與處理：

• 傳感器故障檢測：通過比較傳感器的輸出信號與預(yù)設(shè)的閾值或范圍來判斷傳感器是否正常工作。一旦發(fā)現(xiàn)傳感器故障，應(yīng)立即報(bào)警并采取相應(yīng)的處理措施。

• 控制器故障檢測：通過監(jiān)控控制器的運(yùn)行狀態(tài)和輸出信號來判斷控制器是否正常工作。一旦發(fā)現(xiàn)控制器故障，應(yīng)立即切換到備用控制器或采取其他應(yīng)急措施。

• 執(zhí)行器故障檢測：通過監(jiān)測執(zhí)行器的運(yùn)行狀態(tài)和反饋信號來判斷執(zhí)行器是否正常工作。一旦發(fā)現(xiàn)執(zhí)行器故障，應(yīng)立即報(bào)警并采取相應(yīng)的處理措施，如關(guān)閉故障執(zhí)行器并啟動備用執(zhí)行器等。

第5章 系統(tǒng)測試與優(yōu)化

5.1 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)開發(fā)完成后，需要進(jìn)行全面的測試以確保其滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)測試主要包括功能測試、性能測試和穩(wěn)定性測試等方面。

• 功能測試：驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的控制功能，包括水位控制、壓力監(jiān)測等。

• 性能測試：評估系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度等性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

• 穩(wěn)定性測試：在長時(shí)間運(yùn)行的情況下，觀察系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠，是否存在異?，F(xiàn)象或故障。

5.2 系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)測試的結(jié)果，可以對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以提高其性能。優(yōu)化措施包括調(diào)整PID控制器的參數(shù)、優(yōu)化控制算法、改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)等。

• 調(diào)整PID控制器參數(shù)：根據(jù)測試結(jié)果，可以對PID控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以提高控制精度和響應(yīng)速度。

• 優(yōu)化控制算法：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，可以對控制算法進(jìn)行優(yōu)化以提高其適應(yīng)性和魯棒性。

• 改進(jìn)硬件設(shè)計(jì)：針對測試中發(fā)現(xiàn)的問題或不足，可以對硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

第6章 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于89C52單片機(jī)的鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集液位變送器和壓力傳感器的輸出信號，利用PID控制算法實(shí)現(xiàn)對鍋爐汽包水位的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的控制精度和響應(yīng)速度，能夠滿足鍋爐汽包水位保護(hù)的要求。

6.2 展望

未來，可以進(jìn)一步研究和開發(fā)更加智能、高效的鍋爐汽包水位保護(hù)系統(tǒng)。例如，可以引入先進(jìn)的控制算法（如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）來提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力和魯棒性；同時(shí)，也可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷等功能，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。此外，還可以考慮將該系統(tǒng)與其他鍋爐控制系統(tǒng)進(jìn)行集成和融合，以實(shí)現(xiàn)更加全面、高效的鍋爐自動化控制。