基于单片机的锅炉液位控制系统1

摘要本设计对锅炉液位的控制方案进行了简单地介绍，并对其设计方案存在的问题进行分析。论述了改进方案的特点，消除了“虚假水位”的影响。本文还介绍了锅炉汽包水位的动态特性，单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问题，着重介绍了汽包三冲量控制方案。通过对锅炉汽包液位动态特性的分析，介绍了基于51单片机的液位控制系统的软硬件组成，并成功地运用到实际系统中，大大降低了使用成本，提高了系统的性价比，取得了良好的控制效果。关键词：汽包水位；串级三冲量控制；单片机；汽包水位；动态特性；控制方案；单冲量；双冲量；三冲量AbstractThemethodsoftheboilerliquidlevelwereintroducedsimplelyinthepaperandexsitingquestionsofthemethodsinthedesigningwereanylied.Improvingmethods’featurewasdescripedandfaulseliquidlevel’seffectionwaseliminated.Thepaperintroducedthedynamiccharacteristicsofthelevelofboilerbubble.Thecharacteristicsofautomaticcontrolschemeswithonevariableortwovariablesorthreevariableswerediscussed,aswellassomeproblemsconcernedinengineering.Theautomaticcontrolschemeofboilerbubblewiththreevariableswasrecommendedspecially.Accordingtoanalyzingtheboilerliquidlevel＇sdynamiccharacteristics,thispaperintroducestheliquidlevelcontrolsystemofboilerbasedonsinglechipcomputer,includingthesoftwareandthehardware.Thissystemwasusedinpracticesuccessfully,reducedthecostgreatly,increasedtherationoftheperformanceandthecost,andachievedgoodcontroleffect.Keywords:boilerliquidlevel;impulsethreeandserialcontrol;singlechipcomputer;dynamiccharacteristics;automaticcontrolschemes;onevariable;twovariables;threevariales目录1.引言：....................................12.锅炉的传热和水循环过程原理.................12.1锅炉的传热过程原理.......................12.2锅炉的水循环过程原理.....................33.锅炉基本工艺过程分析.......................54.锅炉汽包水位动态特性分析...................54.1给水流量作用下的动态特性.................64.2汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性...........75.锅炉液位的控制方案的选择...................95.1单冲量控制系统...........................95.2双冲量控制系统..........................105.3三冲量控制系统..........................11河南理工大学毕业设计（论文）说明书5.3.1三冲量控制方案I--前馈（蒸汽流量）加反馈（液位、给水流量）控制方案.....................115.3.2三冲量控制方案II--蒸汽流量前馈-给水流量串级控制系统...............................125.4几种控制方案的比较......................135.5工程中需要注意的问题....................155.5.1关于汽包液位测量的问题...............155.5.2给水阀的选择问题.....................165.5.3给水流量和蒸汽流量的选择..............166.系统实现.................................176.1硬件实现................................176.1.1输入模块设计.........................326.1.2键盘/显示模块设计....................366.1.3报警模块设计.........................386.1.4输出模块设计.........................396.2软件设计................................427.应用.....................................42河南理工大学毕业设计（论文）说明书8.结束语...................................469.致谢信...................................4710.参考文献.................................481.引言：汽包液位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，液位过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏，严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证汽包水位在正常范围是非常重要的。2.锅炉的传热和水循环过程原理通常将锅炉分为锅和炉两部分。燃料在炉内燃烧使化学能变成热能，热能通过复杂的传热过程传递给盛于锅内的工质。在工业锅炉中称锅炉为将燃料放出的热量传给水产生蒸汽或热水的设备。这就是说，工业锅炉所采用的工质仅仅是水。实际上，目前在工业生产和生活中，还有不少并不以水为工质的锅炉。燃料和空气在锅炉的炉腔里混合燃烧后，放出大量的热，然后通过辐射、对流和导热的热交换过程，把热量传给水。2.1锅炉的传热过程原理燃料在炉腔里燃烧放出的热量，经过一个复杂的传热河南理工大学毕业设计（论文）说明书过程后再传给锅炉里的水。在这个过程中导热、对流和辐射三种方式几乎同时发生，可以用图A、B表示。A是锅炉炉腔的传热状况，由导热、对流和辐射三种方式组成。第一步是炉腔里的高温烟气通过辐射和对流把热量传给管壁；第二部是管壁的导热，把热量从烟气侧传到炉水侧；第三步是管壁与炉水之间的对流换热，把热量传给炉水。B是锅炉对流受热面的传热状况，图中所示状况为烟气温度较低处，忽略烟气的辐射放热、传热由对流和导热两种方式组成。烟气通过对流把热量传给受热面管壁，经过管壁的导热把热量从高温侧传到低温侧，然后再通过对流，管壁把热量传给炉水。炉水对流受热面导热辐射对流炉腔A河南理工大学毕业设计（论文）说明书2.2锅炉的水循环过程原理锅炉的水冷壁管与对流管束受到高温烟气的辐射和包围，大量的热量经过管壁传给炉水，使它加热升温、汽化、管壁温度介于烟气与炉水温度之间，仅比炉水温度稍高一些，这是因为炉水对金属管壁有良好的冷却作用。管壁把热量传给炉水后，在管壁上会形成小的气泡。如图C所示：这种气泡必须及时离开，并让汽水混合物把热带走，才能保证炉水对管壁的有效冷却。如果形成的气泡停滞在管壁上，因为水蒸气与管壁之间的热交换远比水差，管壁就不能得到良好的冷却，易过热而烧坏。为了使汽水混合物及时的离开受热面，必须建立可靠的水循环。锅炉的水循环有自然循环和强制循环两种。炉水对流受热面导热对流烟气B河南理工大学毕业设计（论文）说明书D图中表示水循环回路由上下两个筒和两组管束组成。左边的管束受到高温烟气的加热，管中产生蒸汽，称为上升管。右边管束处于低温烟气或处于空气夹层不受加热，管内不产生蒸汽，称为下降管。由于左边管子里形成汽水混合物，重度较小。右边管子里是饱和水或接近饱和状态的水，重度较大。鉴于两边管子里流体的重度不同，左边管子内的汽水混合物就自然上升，右边的管子里的水就自然下降，回路中的水和汽水混合物就产生了自然循环。这种循环为自然循环。如果在锅炉水回路中设置循环水泵，使水在外力的驱动下产生运动，这种水循环称为强制循环。下降管上升管水筒烟气自然循环回路简D图受热面蒸汽炉水蒸汽泡C汽筒河南理工大学毕业设计（论文）说明书3.锅炉基本工艺过程分析工业锅炉汽水系统如图1所示。汽包及蒸发管道中贮存着蒸汽和水，贮存量的多少，是以被测量水位表征的。给水管道的水经过调节阀，进入省煤器，靠锅炉的烟气加温，然后进入汽包，汽包和上、下行管道内的水被锅炉燃烧系统产生的热量加热成饱和蒸汽，经过加热器加热成过热蒸汽，然后进入主蒸汽管道。当给水流量等于蒸汽流量时，汽包水位就恒定不变。1-给水管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-下行管；6-下行管；7-过热器；8-蒸汽管。4.锅炉汽包水位动态特性分析汽包水位的扰动主要有4个来源：一是给水方面的扰动，包括给水压力的变化和调节阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和蒸汽调节阀开度的变化；三是燃料量的12356图1锅炉的汽水系统478河南理工大学毕业设计（论文）说明书变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程作用的。由于燃料量对汽包水位的影响有传递滞后和容积滞后，影响十分缓慢，可以略去不计。对于汽包压力的变化往往是由于蒸汽负荷变化引起的，因此，压力的变化可归到蒸汽负荷中去，所以压力变化对汽包水位的影响可略去不计。这样引起汽包水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水量的变化。下面我们将着重分析在给水流量（称为内干扰）和蒸汽流量（称为外干扰）扰动下，汽包水位调节对象的动态特性。4.1给水流量作用下的动态特性如果蒸汽负荷量不变，给水流量产生变化时，汽包水位调节对象的动态方程式可近似表示为1..............0TSweSKsUsHsG其中：S-复参数；sH-液位th的拉氏变换；sUw-给水流量tUw的拉氏变换；sG-锅炉在给水流量变化时的数学模型；0K-反映速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度；-延迟时间。从（1）式中可看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性是由一个积分环节和一个延迟环节所组成。在给水流量扰动下，汽包水位响应曲线如图2所示。如把汽包及水循环系统当作单水槽对象，水位的响应曲线应该如图2的直线1h所示。考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降。水面一下的河南理工大学毕业设计（论文）说明书汽包总体积也就相应减少，导致水位下降。对水位的影响可以用图中的曲线表示。水位的实际响应曲线是1h和2h的总和。从图2可知，响应过程有一段延迟时间。给水的过冷度越大，纯延迟时间也越大。4.2汽包水位在蒸汽扰动下的动态特性在给水量不变的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化后，汽包水位调节对象的动态特性可近似表示为：2................12