锅炉汽包水位保护设计方案

第1章 绪论

1.1 锅炉汽包水位自动控制的意义

锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。

随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。

1.2 锅炉液位控制的难点

液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态，允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。

另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量、蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。

第2章 方案论证

锅炉汽包水位的控制方案：根据锅炉汽包水位特性，选取锅炉汽包水位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量和给水流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包水位维持在满足负荷需求的高度。

2.1 单冲量控制系统

所谓单冲量就是指锅炉汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。对于负荷变动较大的大、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。

2.2 双冲量控制系统

蒸汽流量是影响汽包水位最主要的扰动，也是造成假水位的主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。

2.3 三冲量控制系统

为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上是前馈-串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。待虚假液位过去，水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。

由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。三冲量调节系统能及时克服负荷（蒸汽量）和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。

第3章 硬件设计

3.1 液位变送器的选择

选择TK3051L液位变送器，其工作原理如下：工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流、电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。

TK3051L液位变送器的特点包括：完整的变送系列；测量范围：0-0.5inH20至6000psig；结构小巧、坚固、抗震；模块化结构；阻尼可调；多种选项，量应用灵活；智能，模拟或低耗电路；电气连接及安装：配有多种过程连接器和安装法兰；液位测量精度达0.075%；校验量程从2.5inH20至8310inH20；平面式，2-，4-，与6英寸伸出式膜片；多种可选灌充液，可满足不同场合要求；小巧而质轻，易于安装与维护；接液件材料：不锈钢，哈氏合金钽。

3.2 主控芯片选择

本设计选择了ATMEL公司的89C52单片机作为主控制器。89C52单片机是一款功能强大的微控制器，适用于各种控制应用。它包含丰富的外设和高速的处理能力，能够满足锅炉汽包水位保护的复杂控制需求。

89C52单片机的主要特点包括：

• 高性能8位CMOS微控制器，具有4K字节可编程闪存存储器。

• 与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚完全兼容。

• 4096字节的可编程闪存存储器寿命：1000写/擦除周期。

• 数据存储器（RAM）：256字节。

• 特殊功能寄存器（SFR）：128位。

• 三个16位定时器/计数器。

• 可编程串行UART通道。

• 两个数据指针（DPTR）。

• 可编程看门狗定时器。

• 低功耗空闲和掉电模式。

• 中断源：定时器/计数器中断、外部中断、串行口中断。

• 4个8位I/O端口。

89C52单片机在设计中的主要作用是作为控制核心，负责接收和处理来自液位变送器、压力传感器等设备的信号，并根据这些信号执行相应的控制算法，最终输出控制信号来调节锅炉汽包的水位。

3.3 压力传感器/变送器

PTH501/502/503/504压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。这些传感器/变送器能够准确地测量锅炉汽包内的压力变化，并将这些变化转换为电信号，供单片机进行处理。

3.4 控制器的选择

控制器采用内置PID算法的设计，能够接收来自液位变送器和压力传感器的信号，并将这些信号与预设的水位和压力值进行比较。根据比较结果，控制器自动调节水位控制阀门的开度，从而维持锅炉汽包水位在合适的范围内。

3.5 执行器的选择

执行器采用交流固态继电器SSR，它是一种无触点通断电子开关，利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花接通和断开电路的目的。SSR具有响应速度快、寿命长、可靠性高等优点，适用于锅炉汽包水位控制中的高频开关操作。

3.6 控制器的作用方式

控制器根据采样得到的相对液位数值进行计算、处理、判断后，得出控制结果，并通过P1口输出相应的控制信号。这些控制信号为0、1（低、高电平）连续脉冲信号，经过一定的上拉后，去控制继电器动作，再经过继电器控制给水阀门。

3.7 阀的开闭选择形式

阀门采用电动调节阀，通过接收来自控制器的控制信号来调节开度。电动调节阀具有响应速度快、调节精度高、易于控制等优点，能够满足锅炉汽包水位控制中的精确调节需求。

第4章 软件设计

4.1 PID对控制的影响

PID控制器是锅炉汽包水位控制中的核心算法之一。PID控制器通过比较实际水位与设定水位之间的差异，计算出控制量，并通过调整给水阀门的开度来消除这种差异。PID控制器中的P（比例）、I（积分）、D（微分）三个参数对控制效果有着重要影响：

• 比例（P）：直接反映控制偏差，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

• 积分（I）：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的大小取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI或PID控制器。

• 微分（D）：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

在锅炉汽包水位控制系统中，通过合理调整PID控制器的参数，可以实现对水位变化的快速响应和精确控制，从而确保锅炉的安全运行。

4.2 采样周期的确定

采样周期是控制系统中的一个重要参数，它决定了控制系统对水位变化的响应速度和控制精度。采样周期的选择需要综合考虑系统的动态特性和控制要求。过短的采样周期可能会导致控制系统过于敏感，产生过多的控制动作，增加系统的能耗和磨损；而过长的采样周期则可能导致控制系统响应滞后，无法及时消除水位偏差。

在实际应用中，可以通过实验或仿真来确定最佳的采样周期。通常，采样周期的选择应使控制系统在保证稳定性的前提下，具有较快的响应速度和较高的控制精度。

4.3 控制算法的实现

在软件设计中，控制算法的实现是关键部分。对于锅炉汽包水位控制系统，可以采用基于PID算法的控制策略。具体实现步骤如下：

1. 读取传感器数据：通过ADC模块读取液位变送器和压力传感器的输出信号，转换为实际的水位和压力值。

2. 计算控制量：根据读取的水位和压力值，以及预设的水位和压力设定值，计算控制偏差。然后，根据PID控制器的参数（P、I、D），计算出控制量。

3. 输出控制信号：将计算得到的控制量转换为相应的控制信号，通过输出端口发送给电动调节阀。电动调节阀根据接收到的控制信号调整开度，从而实现对锅炉汽包水位的控制。

4. 循环执行：以上步骤需要循环执行，以确保控制系统能够持续地对水位进行监测和控制。

4.4 故障检测与处理

在锅炉汽包水位控制系统中，故障检测与处理是确保系统稳定运行的重要环节。常见的故障包括传感器故障、控制器故障、执行器故障等。为了提高系统的可靠性和安全性，可以采取以下措施进行故障检测与处理：

• 传感器故障检测：通过比较传感器的输出信号与预设的阈值或范围来判断传感器是否正常工作。一旦发现传感器故障，应立即报警并采取相应的处理措施。

• 控制器故障检测：通过监控控制器的运行状态和输出信号来判断控制器是否正常工作。一旦发现控制器故障，应立即切换到备用控制器或采取其他应急措施。

• 执行器故障检测：通过监测执行器的运行状态和反馈信号来判断执行器是否正常工作。一旦发现执行器故障，应立即报警并采取相应的处理措施，如关闭故障执行器并启动备用执行器等。

第5章 系统测试与优化

5.1 系统测试

在系统开发完成后，需要进行全面的测试以确保其满足设计要求。系统测试主要包括功能测试、性能测试和稳定性测试等方面。

• 功能测试：验证系统是否能够实现预设的控制功能，包括水位控制、压力监测等。

• 性能测试：评估系统的控制精度、响应速度等性能指标是否满足设计要求。

• 稳定性测试：在长时间运行的情况下，观察系统是否稳定可靠，是否存在异常现象或故障。

5.2 系统优化

根据系统测试的结果，可以对系统进行优化以提高其性能。优化措施包括调整PID控制器的参数、优化控制算法、改进硬件设计等。

• 调整PID控制器参数：根据测试结果，可以对PID控制器的参数进行调整以提高控制精度和响应速度。

• 优化控制算法：根据实际应用情况，可以对控制算法进行优化以提高其适应性和鲁棒性。

• 改进硬件设计：针对测试中发现的问题或不足，可以对硬件设计进行改进以提高系统的可靠性和稳定性。

第6章 结论与展望

6.1 结论

本文设计了一种基于89C52单片机的锅炉汽包水位保护系统。该系统通过采集液位变送器和压力传感器的输出信号，利用PID控制算法实现对锅炉汽包水位的精确控制。实验结果表明，该系统具有较高的控制精度和响应速度，能够满足锅炉汽包水位保护的要求。

6.2 展望

未来，可以进一步研究和开发更加智能、高效的锅炉汽包水位保护系统。例如，可以引入先进的控制算法（如模糊控制、神经网络控制等）来提高系统的自适应能力和鲁棒性；同时，也可以利用物联网技术实现远程监控和故障诊断等功能，提高系统的可靠性和安全性。此外，还可以考虑将该系统与其他锅炉控制系统进行集成和融合，以实现更加全面、高效的锅炉自动化控制。