锅炉汽包水位控制的分析及应用

锅炉汽包水位控制的分析及应用

李倩

（中石油华东设计院有限公司电控室山东青岛266071）

摘要：本文介绍了锅炉汽包水位的动态特性、控制任务以及单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点。

关键词：汽包水位；动态特性；自动控制方案；单冲量；双冲量；三冲量

1给水被控对象的动态特性

1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性

图1所示是给水流量W作用下,水位L的阶跃响应曲线。如果把汽包的给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如上图L1曲线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量W增加后，从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升,最后当水位下汽泡容积不再变化时,水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中L线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。给水温度越低,时滞τ亦越大。

图2蒸汽流量作用下水位阶跃响应曲线

1.2汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性

在蒸汽流量S扰动作用下,水位的阶跃响应曲线如上图2所示。当蒸汽流量S突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量S大于给水量W，水位应下降，如图中曲线L1。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中L2所示。而实际显示的水位响应曲线L为L1+L2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假水位”。应当指出的是：当负荷突然变化时，水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的，一般为10～20秒。

1.3炉膛热负荷扰动下对象的动态特性

燃料量的扰动必然也会引起炉膛热负荷的变化，进而影响蒸发强度，使蒸汽流量S发生变化，因此同样也会有“假水位现象”发生。汽包水循环系统中的水和水冷壁管道的蓄热作用，使汽包水循环系统具有一定的热惯性。炉膛热负荷的扰动只能使蒸汽量和汽包压力缓慢变化，也将使汽包体积、水位缓慢变化。因此炉膛热负荷扰动下的“假水位现象”比蒸汽流量S扰动下要缓和的多。蒸汽量、给水量和燃料量在运行中是经常变化的，为保持汽包压力的稳定，燃料量与蒸发量必须相互适应，这两种扰动总是相伴发生。

从各种扰动下水位的动态特性可以看出：

（1）在给水量扰动作用下，系统具有纯迟延和惯性，无自衡能力。

（2）在蒸汽流量扰动下，没有自平衡能力，而且存在着“假水位”现象，“假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。

2汽包水位的控制方案

2.1单冲量水位控制方案

单冲量水位控制系统（冲量指的是变量，单冲量即汽包水位）是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。

单冲量控制的优点是投资少，结构简单，容易实现，用于小型低压锅炉。缺点很明显，第一，一旦蒸汽负荷突然增大时，假水位使水位上升，此时水位调节器不但不能开大调节阀，增加给水量，反而会根据假水位的信息关小调节阀，减少给水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量的增加和给水量的减少，将会使水位严重下降，严重时会使水位降至危险程度而引发事故。第二，负荷不灵敏。负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动作，滞后时间太长，会导致控制质量的下降。第三，当给水系统扰动时，只有汽包水位产生偏差时才使调节阀动作，控制作用缓慢。

2.2双冲量水位控制方案

在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化，在单冲量水位控制的基础上，引入蒸汽流量来校正，不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，这就构成了双冲量水位控制系统。

加法器的输出=Pc±λSPs＋初始偏差。其中，Pc─水位调节器的输出；λS─加法器系数；Ps─蒸汽流量变送器开方后输出。如果高压蒸汽供给压缩机，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气开（F.C）阀，加法器的输出应增加，即λS应该取正号。如果蒸汽作为生产中的热源时，给水阀宜选用气关（F.O）气关阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选气关阀，加法器的输出应减小，即λS应该取减号。而初始偏差设置的目的是正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值，最好在正常负荷下初始偏差与前馈（蒸汽流量FTS）λSPs项恰好抵消。

2.3三冲量水位控制方案

1）第一种控制方案：前馈（蒸汽流量）加反馈（汽包水位、给水流量）的控制系统。该系统先将水位、蒸汽流量及给水流量的测量信号送入加法器进行信号叠加，然后再将叠加后的信号送给水位调节器作为后者的测量值。水位调节的偏差改变调节阀的开度从而达到控制汽包水位的目的。该控制系统可以看作是三冲量的综合信号作为被控变量的单回路控制系统。但由于该系统是以三个信号的代数和作为水位调节器的测量信号，因此要使水位无余差。

2）第二种控制方案：蒸汽流量（前馈）与给水流量组成串级控制系统

第二种方案与第一种方案类似，仅是将水位调节器由加法器后移到了加法器前，由于水位调节器的测量信号来自水位，因此，只要水位调节器具有积分作用，就能保证水位控制不会有余差。

3）第三种控制方案：蒸汽流量（前馈）与汽包水位、给水流量串级控制组成的控制系统

该控制系统对于克服给水管路的干扰更为及时、有效。给水流量是水位串级系统的副回路，副回路对给水流量的及时、有效的控制，可以大大提高水位控制的质量，而调节阀在副回路中，因此前馈补偿效果已不再受调节阀非线性的影响。

3结束语

本文列出了锅炉汽包水位的三种自动控制方案，通过不同的控制方案以及它们的特点，能够很好的解决锅炉汽包水位控制中的“虚假水位”问题。根据工艺的特点，采用合理的控制方案，能很好地实现锅炉安全运行，达到精确控制的目的，取得较好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]朱传标．工业锅炉技术基础[M]．上海：上海远东出版社，1996。

[2]宋益纯．锅炉肩动初期汽包水位检测仪表故障原冈分析及防范措施[EB／OL]．(2007—6—9)[2007—12—18]

作者简介：李倩（1983-）女，汉族，河南省永城市人，大专学历，助理工程师，从事设计工作。