1、教师职称： 副教授 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告题 目基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计来源工程实际1、研究目的和意义 在当今社会，节能已是我国经济发展的一项长远战略计划，也是当前一项紧迫的任务。当前，全社会都在开展节能降耗，缓解能源压力，建设节能型社会，而工业余热资源的回收利用是节约能源的重要措施，且烟气余热在工业余热中占有很大比重，且节能潜力巨大，如不加以利用，将造成极大地浪费，为了更好更充分地利用资源和减少能源浪费，因此，余热锅炉产生了并高速发展。余热锅炉-HRSG，顾名思义是利用余热产生蒸汽的锅炉，余热锅炉主要是利用燃气轮机排气（烟气）作为热源，因此不需要燃烧系统（除非有补
2、燃要求）。蒸汽可以用来推动汽轮机并带动发电机发电，也可以用于生产过程的加热或供生活取暖用。而如今，伴随着社会对电能需求的日益增加和节能减排观念的深入，且随着余热锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。随着锅炉容量的增大，余热锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。因此，从经济性和实用性两个方面考虑，我们采用8051单片机对汽包锅炉水位进行控制，以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。2、国内外发展情况（文献综述）目前，节
3、约能源，提高生产工艺过程中的能源利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。为了节约能源和提高能源利用率，除采用高能效的新设备和新工艺外，采用余热锅炉回收各类余热也是提高能源利用率的重要手段。为此，各国先后开展了余热锅炉的研制工作，并在节能中大力推广应用余热锅，并取得了显著的节能效果。在国外，利用单机功率小、载热体温度低发电（即利用中低温发电）是一种新趋势。国内也有一些利用余热发电等，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，所发的电能主要供工厂自用。随着技术的进步，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
4、展高温余热回收的锅炉产品为主。国内外汽包水位控制主要采用三冲量控制、模糊控制及PID自校准自调整的比较多，特别是前两种，其中模糊控制主要是朝智能化方向发展，表现在模糊控制和智能控制的结合，采用遗传算法优化模糊控制等。主要解决的问题是：规整的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性；PID自调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整。3、研究/设计的目标：（1） 余热锅炉汽包水位测量范围：-300300mm。（2） 给水流量测量范围：0500T/h。（3） 过热蒸汽流量测量范围：0500 T/h。（4） 余热锅炉汽包水位控制点：0mm。（5）水位高报警点：180mm。（6）水位高高报警点：2
5、00mm。（7）水位低报警点：-180mm。（8）水位低低报警点：-200mm。（9）电源：220VAC。（10）调节时间：20S。（11）超调量：8%。4、设计方案（研究/设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）： 维持汽包水位在给定范围内是保证锅护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。水位过低，易烧干锅而发生严重事故；水位过高，则易使蒸汽带水并有溢出威胁。当蒸汽的耗气量与锅炉进水量相等时，液位保持为正常标准值。当锅炉的给水量不变，蒸汽负荷突然增加或减少时，液位就会下降或上升；或者，当蒸汽负荷不变，而给水管道水压发生变化时，引起汽包水位发生变化。不论出现那种情况，只
6、要实际液位高度与给定液位之间出现了偏差，调节器均应立即进行控制，去开大或关小给水阀门，使液位恢复到给定值。从反馈控制的思想出发，很自然的会以水位信号作为被控量，给水流量作为调节量，构成单回路控制系统（单冲量控制系统）。诚然，这是一个基本的控制方案。然而，对于大量的余热锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽轮机耗气量改变所产生的虚假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重地影响设备的寿命和安全。所以，引入了三冲量控制系统。所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。我们首先明确三个冲量及其关系：汽包水位，是控制中的主要冲量；蒸汽流量，是控制中的辅助
7、冲量，它的较大变化会造成虚假液位；给水流量，控制中的辅助冲量，它的较大变化同样会造成虚假液位。通过分析三者的运算关系，将上述冲量引入到三冲量控制模块当中，通过调整参数的值，来实现比较理想的液位自动控制品质。图1是三冲量余热锅炉汽包水位控制系统硬件接线图：图1是三冲量余热锅炉汽包水位控制系统硬件接线图图2是三冲量余热锅炉汽包水位控制系统方块图。当蒸汽流量突然阶跃增大时，一方面由于虚假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节阀减小给水量，另一方面，蒸汽流量的增大又会通过PI作用指挥调节阀增加给水量。实际给水量是增大还是减小，取决于系统参数的整定。当虚假水位现象消失后，给水流量必然等于蒸汽流
8、量，汽包水位也会维持在给定值。从另外一个角度来看，这也是一个前馈-反馈复合系统。 图2是三冲量余热锅炉汽包水位控制系统方块图5、方案的可行性分析：本方案采用的单片机控制技术以其在节能和减少人工成本的优越性和自动控制性能可以解决除氧器的水位、水压控制系统以前存在的问题。考虑选用单片机与PI整定环节为核心的采样数据处理来得到较好的控制效果。在软件设计上，单片机编程简单易懂。从经济成本上考虑，单片机的价格非常低，相比于PLC控制来说成本大幅度减少。在现场，单片机程序简单易懂，有益于现场人员根据实际情况在上位机调整系统参数，同样有利于售后服务人员掌握。在实用性方面，由于加入了显示模块，系统各种参数一目
9、了然，省去了很多操作的繁杂。6、设计产品的主要用途和应用领域：近年来，随着各种能源价格的大幅度上涨，人们对锅炉的选择开始着重考虑它的运行成本，现实中，企业生产离不了蒸汽锅炉，宾馆、酒店、小区、洗浴中心的采暖或洗浴离不了热水锅炉，锅炉的燃料费用是非常大的一笔支出。为了尽量避免出现“买得起锅炉，用不起锅炉”的这一客观现象，精明的锅炉制造商对锅炉进行了一系列节能改造，改造主要内容就是锅炉的余热回收问题，现在用着这种余热锅炉的客户对其设备非常认可。 事实上，节能是一个国家能够可持续发展的关键因素之一，如果我们还坚持传统的能源利用方式，不能使资源有效的循环利用，就会使社会的整个资源环境加剧恶化，并且造成
10、能源的快速枯竭。据可靠资料，我国工业能源的消耗在总体成本中占有最多的份额，而能源的有效使用率仅仅只有三成左右，成本支出比欧洲发达国家高出很多，所以考虑到经济效益，节能设备的推广是势在必行的一大举措。 能源的短缺是目前全世界都面临的一项严重考验，在这样一个大背景下谋求发展，开发新新能源是一个方面，更重要的是在节约能源上下足功夫。目前，国内余热节能锅炉的设计和开发已经逐渐成熟，随着社会的发展，人们会越来越发现节能设备是一个必然趋势。节能锅炉的招牌不仅仅是商家促销的一个重头砝码，更是对社会和环境的一大贡献。7、时间进程：1周 接受题目进行初步形成思路；2周 图书馆查阅资料并借阅；3周 查阅网上有关资
11、料进行学习；4周 整合自己现有的资料和文献形成初步设计方案；5周 构思自己的设计方框图；68周 对各部分进行研究，并进行大量资料查阅；9周 集中完成任务书、进行系统的方案设计；10周 开始做硬件图以及流程图；1112周 确定硬件连线图开始编写程序；13周 进行软件和硬件的仿真；1415周 完成论文初稿；16周 论文修改定稿；17周 完成毕业说明书及其它相关资料；18周 最后进行总结准备答辩。8、参考文献：1 金以慧.过程控制M.清华大学出版社.1999年7月2 胡寿松.自动控制原M.科学出版社 2011年1月3 崔艳华.锅炉设备与运行M.化学工业出版社 2009年9月4 阎石.数字电子技术基础
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13、及装置M.化学工业出版社 2002年：40-10514 吴永生方可人热工测量及仪表M.北京中国电力出版社 1995年：242-24915 郑学坚周斌微型计算机原理及应用M.清华大学出版社 2004年：137-15116 谢剑英贾青微型计算机控制技术M.国防工业出版社 2001年：45-5517 王建武125MW机组汽包水位控制系统M.华北电力 1994年12期：4-718 王芳.8051单片机在汽包水位控制中的应用M.应用能源技术 2001年：12期19 余永全.王明惠.黄英，单片机在控制系统中的应用M.北京电力工业出版社20 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京.清华大学出版社 2004年2月第二版21 李朝青.单片机原理及接口技术M.北京航空航天大学出版社 2005年10月第三版22 王守中.51单片机开发入门与典型实例M.人民邮电出版社 2007年8月第一版指导教师意见:教师签字：年 月 日毕业设计领导小组意见: 组长签字：年 月 日
