鍋爐汽包水位保護設計方案

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節的任務是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。

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，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。

1.2 鍋爐液位控制的難點

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

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

第2章 方案論證

鍋爐汽包水位的控制方案：根據鍋爐汽包水位特性，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荷需求的高度。

2.1 單沖量控制系統

所謂單沖量就是指鍋爐汽包水位為被控參數，給水量作為控制變量可構成的單回路控制系統。當蒸汽用量突然增加時，應該加大給水量以滿足負荷需求；但是由于假水位現象，導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，汽包水位會在負荷增加和給水量減少的雙重作用下，產生嚴重的水位下降，甚至發生危險。對于小型鍋爐，由于蒸汽負荷變化時假水位的現象不明顯，如果再配上一些聯鎖報警裝置，這種單沖量控制系統能滿足要求。對于負荷變動較大的大、中型鍋爐，單沖量控制系統不能保證水位穩定，難以滿足水位控制要求和生產安全。

2.2 雙沖量控制系統

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，就可以有效避免假水位引起的誤動作，并及時控制水位，減小水位波動。由此，構成雙沖量控制系統，其本質為前饋-反饋復合控制系統，即給水量不僅取決于汽包水位，還受到蒸汽用量影響。可見，該控制方案能有效適應負荷需求變化，但對給水系統中的水壓等干擾因素造成的波動不能及時抑制。

2.3 三沖量控制系統

為進一步改善控制品質，引入給水流量信號，構成三沖量控制系統。所謂三沖量，值得是引入了三個測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控制本質上是前饋-串級復合控制系統：主回路實現水位調節，副回路使給水流量能適應負荷和水位要求。由于進入加法器的兩個信號相反，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，液位調節器輸出電流開始減小，此時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，此時要求增加給水量以適應新的負荷需要并補充液位的不足。調節過程進行到液面重新穩定在給定值，給水量和蒸發量達到新的平衡為止。當蒸汽負荷不變，給水量本身因壓力波動而變化時，加法器的輸出相應變化，調節閥門開度直至給水量恢復到所需的數值為止。

由于引進了蒸汽流量和給水流量兩個輔助沖量，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間。三沖量調節系統能及時克服負荷（蒸汽量）和給水流量的干擾作用，調節精度較高，適用于汽包容積較小、負荷和給水干擾較大的場合。

第3章 硬件設計

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：工作時高低壓側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換為相應的電流、電壓或數字HART（高速可尋址遠程發送器數據公路）輸出信號。

TK3051L液位變送器的特點包括：完整的變送系列；測量范圍：0-0.5inH20至6000psig；結構小巧、堅固、抗震；模塊化結構；阻尼可調；多種選項，量應用靈活；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0.075%；校驗量程從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；小巧而質輕，易于安裝與維護；接液件材料：不銹鋼，哈氏合金鉭。

3.2 主控芯片選擇

本設計選擇了ATMEL公司的89C52單片機作為主控制器。89C52單片機是一款功能強大的微控制器，適用于各種控制應用。它包含豐富的外設和高速的處理能力，能夠滿足鍋爐汽包水位保護的復雜控制需求。

89C52單片機的主要特點包括：

• 高性能8位CMOS微控制器，具有4K字節可編程閃存存儲器。

• 與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳完全兼容。

• 4096字節的可編程閃存存儲器壽命：1000寫/擦除周期。

• 數據存儲器（RAM）：256字節。

• 特殊功能寄存器（SFR）：128位。

• 三個16位定時器/計數器。

• 可編程串行UART通道。

• 兩個數據指針（DPTR）。

• 可編程看門狗定時器。

• 低功耗空閑和掉電模式。

• 中斷源：定時器/計數器中斷、外部中斷、串行口中斷。

• 4個8位I/O端口。

89C52單片機在設計中的主要作用是作為控制核心，負責接收和處理來自液位變送器、壓力傳感器等設備的信號，并根據這些信號執行相應的控制算法，最終輸出控制信號來調節鍋爐汽包的水位。

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構，具有良的防潮能力及優異的介質兼容性。這些傳感器/變送器能夠準確地測量鍋爐汽包內的壓力變化，并將這些變化轉換為電信號，供單片機進行處理。

3.4 控制器的選擇

控制器采用內置PID算法的設計，能夠接收來自液位變送器和壓力傳感器的信號，并將這些信號與預設的水位和壓力值進行比較。根據比較結果，控制器自動調節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。

3.5 執行器的選擇

執行器采用交流固態繼電器SSR，它是一種無觸點通斷電子開關，利用電子元件的開關特性，可達到無觸點無火花接通和斷開電路的目的。SSR具有響應速度快、壽命長、可靠性高等優點，適用于鍋爐汽包水位控制中的高頻開關操作。

3.6 控制器的作用方式

控制器根據采樣得到的相對液位數值進行計算、處理、判斷后，得出控制結果，并通過P1口輸出相應的控制信號。這些控制信號為0、1（低、高電平）連續脈沖信號，經過一定的上拉后，去控制繼電器動作，再經過繼電器控制給水閥門。

3.7 閥的開閉選擇形式

閥門采用電動調節閥，通過接收來自控制器的控制信號來調節開度。電動調節閥具有響應速度快、調節精度高、易于控制等優點，能夠滿足鍋爐汽包水位控制中的精確調節需求。

第4章 軟件設計

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控制器通過比較實際水位與設定水位之間的差異，計算出控制量，并通過調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）三個參數對控制效果有著重要影響：

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

• 積分（I）：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的大小取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。加入積分調節可使系統穩定性下降，動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合，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，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

在鍋爐汽包水位控制系統中，通過合理調整PID控制器的參數，可以實現對水位變化的快速響應和精確控制，從而確保鍋爐的安全運行。

4.2 采樣周期的確定

采樣周期是控制系統中的一個重要參數，它決定了控制系統對水位變化的響應速度和控制精度。采樣周期的選擇需要綜合考慮系統的動態特性和控制要求。過短的采樣周期可能會導致控制系統過于敏感，產生過多的控制動作，增加系統的能耗和磨損；而過長的采樣周期則可能導致控制系統響應滯后，無法及時消除水位偏差。

在實際應用中，可以通過實驗或仿真來確定最佳的采樣周期。通常，采樣周期的選擇應使控制系統在保證穩定性的前提下，具有較快的響應速度和較高的控制精度。

4.3 控制算法的實現

在軟件設計中，控制算法的實現是關鍵部分。對于鍋爐汽包水位控制系統，可以采用基于PID算法的控制策略。具體實現步驟如下：

1. 讀取傳感器數據：通過ADC模塊讀取液位變送器和壓力傳感器的輸出信號，轉換為實際的水位和壓力值。

2. 計算控制量：根據讀取的水位和壓力值，以及預設的水位和壓力設定值，計算控制偏差。然后，根據PID控制器的參數（P、I、D），計算出控制量。

3. 輸出控制信號：將計算得到的控制量轉換為相應的控制信號，通過輸出端口發送給電動調節閥。電動調節閥根據接收到的控制信號調整開度，從而實現對鍋爐汽包水位的控制。

4. 循環執行：以上步驟需要循環執行，以確保控制系統能夠持續地對水位進行監測和控制。

4.4 故障檢測與處理

在鍋爐汽包水位控制系統中，故障檢測與處理是確保系統穩定運行的重要環節。常見的故障包括傳感器故障、控制器故障、執行器故障等。為了提高系統的可靠性和安全性，可以采取以下措施進行故障檢測與處理：

• 傳感器故障檢測：通過比較傳感器的輸出信號與預設的閾值或范圍來判斷傳感器是否正常工作。一旦發現傳感器故障，應立即報警并采取相應的處理措施。

• 控制器故障檢測：通過監控控制器的運行狀態和輸出信號來判斷控制器是否正常工作。一旦發現控制器故障，應立即切換到備用控制器或采取其他應急措施。

• 執行器故障檢測：通過監測執行器的運行狀態和反饋信號來判斷執行器是否正常工作。一旦發現執行器故障，應立即報警并采取相應的處理措施，如關閉故障執行器并啟動備用執行器等。

第5章 系統測試與優化

5.1 系統測試

在系統開發完成后，需要進行全面的測試以確保其滿足設計要求。系統測試主要包括功能測試、性能測試和穩定性測試等方面。

• 功能測試：驗證系統是否能夠實現預設的控制功能，包括水位控制、壓力監測等。

• 性能測試：評估系統的控制精度、響應速度等性能指標是否滿足設計要求。

• 穩定性測試：在長時間運行的情況下，觀察系統是否穩定可靠，是否存在異?，F象或故障。

5.2 系統優化

根據系統測試的結果，可以對系統進行優化以提高其性能。優化措施包括調整PID控制器的參數、優化控制算法、改進硬件設計等。

• 調整PID控制器參數：根據測試結果，可以對PID控制器的參數進行調整以提高控制精度和響應速度。

• 優化控制算法：根據實際應用情況，可以對控制算法進行優化以提高其適應性和魯棒性。

• 改進硬件設計：針對測試中發現的問題或不足，可以對硬件設計進行改進以提高系統的可靠性和穩定性。

第6章 結論與展望

6.1 結論

本文設計了一種基于89C52單片機的鍋爐汽包水位保護系統。該系統通過采集液位變送器和壓力傳感器的輸出信號，利用PID控制算法實現對鍋爐汽包水位的精確控制。實驗結果表明，該系統具有較高的控制精度和響應速度，能夠滿足鍋爐汽包水位保護的要求。

6.2 展望

未來，可以進一步研究和開發更加智能、高效的鍋爐汽包水位保護系統。例如，可以引入先進的控制算法（如模糊控制、神經網絡控制等）來提高系統的自適應能力和魯棒性；同時，也可以利用物聯網技術實現遠程監控和故障診斷等功能，提高系統的可靠性和安全性。此外，還可以考慮將該系統與其他鍋爐控制系統進行集成和融合，以實現更加全面、高效的鍋爐自動化控制。