基于at89s51单片机的余热锅炉蒸汽温度控制系统设计

基于at89s51单片机的余热锅炉蒸汽温度控制系统设计内容摘要：

Interrupt Service...................................................................................... 23 Digital Filter ............................................................................................ 25 PC control software design..................................................................... 26 PID subroutine ........................................................................................ 26 Chapter 5 System Simulation................................................................................ 28 Simulation Tools............................................................................................. 28 MATLAB and fuzzy logic toolbox and simulation environment ................ 29 MATLAB Overview ............................................................................... 29 Fuzzy Logic Toolbox .............................................................................. 39 PID algorithm design and analysis ................................................................ 40 Determination of the control algorithm ................................................. 40 Mathematical Model ............................................................................. 41 Based on Matlab simulation ........................................................................ 33 Conclusion ............................................................................................................... 47 Acknowledgements ................................................................................................. 48 References ................................................................................................................ 49 Appendix 1 design system part of the source code……… .................……….. 51 Appendix 2 System hardware chart.................................................................54 1 第 1 章 绪论 设计的背景及意 义 余热锅炉是专门用于与转炉配套的热能利用转换设备，包括热交换、锅筒、除氧水箱等三部分。 它利用转炉吹炼过程中产生的高温烟气对锅筒中的水循环加热，并在锅筒中进行汽水分离，把产生的蒸汽送往厂区热力网。 其中，锅筒的给水来自除氧器，通过给水调节阀门来调整给水流量。 [11]同时，锅筒内的水通过循环泵循环流经热交换器，吸取热交换器中烟气的热量，以获得能量。 锅筒内的水温远高于水的沸点，由此产生蒸汽，经过蒸汽流量调节阀门送入厂区热力网，产生经济效益。 [9]从转炉来的烟气通过热交换器后，温度达到旋风收尘和化工厂所能接受的数值 ，参与后续生产过程。 尽管锅炉系统种类繁多，各种类型锅炉的工艺流程和操作控制各有特点，但对过程检测、控制的要求是基本相同的。 这既包括对锅炉产汽量和产汽压力的要求，也包括对锅炉自身安全、稳定运行的要求。 锅炉生产过程检测控制应达到下述基本目的：锅炉汽包水位必须保持在一定范围内；锅炉产汽量必须适应用汽设备用汽量变化的要求；锅炉产汽压力必须满足用汽设备的要求；过热蒸汽温度必须根据用汽设备的要求保持在一定的范围内；燃烧系统必须维持安全、经济的运行。 过热蒸汽温度是火力发电厂锅炉设备的重要参数，在热电厂生产过程中，整个汽水通道中温度最高的是过热蒸汽温度。 过热器正常工作的温度，一般要接近于材料允许的最高温度。 如果过热蒸汽温度过高，则过热器易损坏，还会使汽轮机内部引起过度的热膨胀，严重影响生产运行的安全；如果过热蒸汽温度偏低，则设备的效率将会降低，同时使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片的磨损。 因此，在锅炉运行中，保证过热蒸汽的温度在正常范围内是非常重要的。 另外，在现代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是常用的主要被控参数，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控 制。 可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。 因此，这就需要在现有锅炉控制技术的基础上进行一定的改进，设计一种性价比合理的、使用和维护方便的锅炉过热蒸汽温度控制系统。 此外，如果过热蒸汽温度变化过大，还会引起汽轮机转子和汽缸的涨差变化，甚至会产生剧烈振动，危及到机组的运行安全。 因此，必须相当严格地将过热汽温控制在给定值附近。 一般中、高压锅炉过热蒸汽温度的暂时偏差不允许超过177。 10℃，长期偏差不允许超过177。 5℃，这个要求对过热蒸汽温度控制系统来说是非常高的。 所以对锅炉蒸汽温度的控制非常必要。 2 国 内外研究现状 目前，国外利用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低（即利用中低温余热发电）。 或内也有一些利用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等，所发的电能主要工厂自用。 目前，已把如何利用中低温的低品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。 余热锅炉是一种理想的节能设备，它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺流程要求，都起着十分重要的作用。 现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有以下几种主要型式： 1）废烟气不需要进一步处理的余热锅炉； 2）废烟气 需要进一步处理的余热锅炉； 3）废烟气要进一步处理，且其冷却在给定时间内完成的余热锅炉； 4）固体显热的余热锅炉。 近十几年，余热锅炉技术发展十分迅猛。 七十年代初我国着手并开始实施发展余热锅炉的规划。 从 1974 年到 1980 年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地，现已形成具有一定的余热锅炉研制能力以及科研基地。 至今已开发并制造了涉及 15个类别、 74 个品种、 101 个规格的余热锅炉 2020 余台。 我国余热锅炉产品技术水品，除少数接近或到达国际上同类产品的先进水平外，大多数相当于国外五、六十年代的水平，其主要差距反 应在以下几个方面： 1）热利用率低； 2）自控水平落后； 3）积灰率高和清除效果差（特别是有色冶炼工艺中的余热锅炉）。 实践证明，余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用，获得了较好的经济效益，其投资一般可在 3～ 4 年内回收。 余热锅炉的作用现已超越了单纯的余热利用，事实上它的作用与工艺流程现代化和防止环境污染方面已无法截然分开，所以各种类型的余热锅炉相继问世。 我国近几年产量每年约在 400～ 500 蒸吨之间，尚不能满足市场的需要。 据预测， 1990 年，全国余热锅炉需要量在 1000 蒸吨 /年以上。 随着技术的进步， 今后工业部门将普遍采用高能效的先进工艺流程，这样能源的有效利用率提高，高温余热资源总量相应减少，而中、低温余热资源相应增长。 因此，余热利用技术将由高温余热回收技术转向中，低温和固体显热的余热回收利用技术，但在近期仍以发展高温余热回收的锅炉产品为主。 如干法熄焦余热锅炉，化铁炉余热锅炉，转炉余热锅炉等。 当然也必须为今后发展中、低温和固体显热回收的余热利用技术以及城市垃圾焚烧余热锅炉开展一些科研工作，以加快设计，制造各种类型、容量和参数的余热锅炉，来满足是长的需求。 余热锅炉是机械产品及余热发电设备的一个重要组成 部分，因此发展余热锅炉， 3 振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业和电力工业，促进产品质量、上品种和上水平不可缺少的环节。 为实现上述目的，建议采取以下措施： 1）改进老式产品，开发新产品，赶上世界先进水平； 2）在产品发展中，科研设计要与推广应用相结合； 3）加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验； 4）制定必要的技术和经济政策，发挥科研人员的工作积极性。 设计的目的 余热锅炉是燃气－蒸汽联合循环发电的主设备之一。 和常规锅炉不同，余热锅炉中不发生燃烧过程，也没有燃烧相关的设备，从本质上讲，它只是一个燃气 — 水蒸汽的换热器。 其与燃气轮机配合，燃气轮机的排气 (温度约在 500～ 600℃）进入余热锅炉，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽再进入汽轮机，完成联合循环。 锅炉是火力发电厂单元机组中的主要设备之一，它是一种系统复杂、体积庞大和昂贵上的能量转换设备，其内部发生的物理化学过程非常复杂，而且各种过程机密耦合，他们相互制约、相互影响。 对于余热锅炉动态的研究，往往借助于为它建立的某种简化模型。 然而，对于锅炉内部的某些工作机理，人们至今尚未充分掌握。 因此，如何建立比较符合实际而又相当简单的锅炉数学模型，尚待研究和 值得研究。 本文的设计目的，就是针对过热蒸汽温度的特点，在深入分析过热蒸汽温度调节的过程，过热蒸汽温度调节对象的静态特性、动态特性以及过热蒸汽温度控制的设计难的基础上，确定在过热蒸汽温度控制系统中应用单回路控制的可行性，并考虑根据蒸汽温度偏差和偏差的变化情况调整控制器的参数，以实现最优控制。 并且由控制系统输出信号来控制执行器，通过调节执行器去控制减温水阀门的开度，从而实现控制过热蒸汽温度。 并且通过仿真验证来控制效果。 采用 AT89C51 单片机来对温度进行控制，可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提 高产品的质量和数量。 因此，单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。 4 第 2 章 余热锅炉蒸汽温度控制系统设计 控制方案选择 随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。 但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。 通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。 一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水 量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。 蒸汽温度系统则是余热锅炉系统安全正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。 本设计主要考虑的部分是余热锅炉蒸汽温度系统的控制。 蒸汽温度系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。 控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。 影响过热蒸汽温度的因素 影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：过热器是一个多容且延迟较大 5 的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之间相互影响，如蒸汽量、锅炉给水温度、 流经过热器的烟气温度及流速的变化等。 而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。 蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性 引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机调节阀的开度变化。 结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。 当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。 其传递函数可以表示为： seSTKsD ssW DD   1)( )()( 2。