汽包水位调节工作原理
田子建 曹朝辉 721014 宝钛集团有限公司实验中心
摘 要 介绍了汽包水位在锅炉运行中的重要作用，汽包水位变化的动态特性，水位的控制方案及选择，着重介绍了三冲量给水控制系统的原理和调节过程以及应用效果。
关键词 汽包水位 三冲量 给水控制系统
1概述
锅炉是动力部门保障冶炼工业生产以及取暖不可缺少的重要动力设备，因原有锅炉控制系统老化不能满足生产要求，改造迫在眉睫。其中汽包是锅炉的重要组成部分，汽包液位直接影响锅炉运行的安全性与经济性，是锅炉运行的一个重要的指标和监控参数，它反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，无论过高或过低都会引起极为严重的后果，因此在这次10t炉改造中要求对它的控制必须是及时、准确、有效。
2 液位的动态特性
由于锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的、相互关联的复杂控制系统，汽包液位控制与给水控制、蒸汽压力控制、送风控制、炉膛负压控制等有关。汽包水位在外界扰动作用下的变化过程与蒸汽流量D、补充给水量W、补充水温T、炉膛热负荷（燃料量M）、汽包蒸汽压力PD等参数有关，其中影响作用较大的主要是蒸汽流量D、炉膛热负荷（燃料量M）、补充给水量W。
2.1蒸汽流量D扰动作用下水位H的动态特性
当给水流量不变，蒸发量忽然增加△D时，水位变化的阶越响应曲线曲线如图1所示，由物料平衡原理得出水位变化曲线如H1所示，而由于假水位现象导致的水位变化如曲线H2所示，而整体水位H的变化则为二者的叠加，即
H=H1+H2
其变化如曲线H所示。从图1可以看出，在水位变化的初始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，过一段时间后才开始下降（反之，当蒸发量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。
2.2炉膛热负荷（燃料量M）扰动作用下水位H的动态特性
燃料增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。但开始由于蒸发量过大，压力变小，沸点降低，产生大量气泡，造成液位上升，即由于假水位现象的存在，水位H线上升，然后再下降，变化曲线如图2所示。
图1 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线 图2 炉膛负荷扰动水位阶跃响应曲线
2.3给水流量W扰动作用下水位H的动态特性
当蒸发量不变，而给水流量阶跃扰动时，汽包水位如图3所示。若为常规单容无自衡对象而言，其水位响应曲线如H1;对锅炉汽包而言，由于刚进的给水温度大大低于汽包内的饱和水的温度，所以给水量增加后，汽包内的水温必然随之下降，导致水中气泡含量少、体积下降，引起水位下降，实际的水位响应曲线如图H所示，即突然加大给水量，水位不立即增加，而呈现一段起始惯性段。
图3 给水作用下水位的阶跃响应曲线 图4 单冲量原理图
3 汽包水位的控制方案
汽包水位的控制是自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，使汽包液位保持在工艺允许的范围内。汽包液位控制分为三种：单冲量控制、双冲量控制、三冲量控制。
3.1单冲量控制系统
控制汽包水位时以给水量为操作变量，组成原理如图4所示的单冲量控制系统，单冲量即汽包水位。此系统在蒸发量小时，水在汽包内停留时间较长，“假水位现象”不显著，能够满足生产的要求；在蒸发量相当大，蒸汽负荷突然增加时，假水位现象十分明显，调节器收到错误的假水位信号，不但不开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而关小调节阀的开度，减少给水量。这种误动作严重时会使汽包水位降到危险程度以至发现事故。因此，单冲量系统不能胜任大中型锅炉大蒸发量，水位得不到保证。
3.2双冲量控制系统
在单冲量控制系统的基础上适当引入了对蒸汽流量的测量，用来减弱“假水位”引起的调节器误动作，系统原理图如图5所示。由图知，这是一个前馈与单回路的复合控制系统。将测量出蒸汽负荷的大小，根据物料平衡原理，只要给水量与蒸发量相等，水位将保持不变，从而克服假水位的影响。这样利用前馈控制负荷扰动和反馈控制来克服其他的扰动因素的设计思路不仅能消弱调节器的误动作，还能使调节阀动作给水、水位波动减弱，起到改善控制品质的作用。但是此系统只是消弱了由假水位引起的调节器误动作并没有消弱假水位现象，同时由于负荷扰动引起的水位变化速度比给水变化引起的水位变化速度要快的多，所以此系统调节也会产生较大的水位波动。
图5 双冲量原理图 图6 三冲量原理图
3.3三冲量控制
在双冲量方案的基础上引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，将引入的汽包液位、蒸汽流量、和给水流量三个信号经过一定的运算后，共同控制一只控制阀（给水阀），原理如图6所示。由图知，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。串级系统的主回路直接控制水位，用于抑制除负荷扰动之外的其他扰动，副回路是流量随动系统，与蒸汽量流量的静态前馈系统一切抑制负荷扰动。当蒸汽流量变化时，引入蒸汽流量信号及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并有效克服由于锅炉汽包“假水位”引起的调节器误动作；引入给水流量信号是将给水流量作为副变量，利用串级系统中副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响，即控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。
3.4控制方案的选择
相比较，三冲量系统能够自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，使汽包液位水位保持在工艺允许的范围内，能够比较全面、准确地完成控制任务，因此我们在10t锅炉改造中采用此种方案来控制。
4 系统实现
具体的控制框图如图7所示。先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量信号对调节系统的影响力度。通过差压变送器取得的水位信号作为主调节信号H。如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D × KD-W × KW ＋H－G＝0的关系式存在。其中KD为蒸汽流量系数， KW为给水流量系数。当稳态时，调节器的输出符合对应，给水阀停在某一位置上。若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，调节器的输出必定发生变化。当水位升高了，则调节器的输出信号就减小，使给水阀关小。反之，当水位降低时，调节器的输出值增大，使给水阀开大。同时采用水位视频仪实时监控，真实反映水位变化情况；采用微机式无纸记录仪记录水位变化曲线，以便存档。三冲量给水调节系统自动调节，使汽包液位水位保持稳定，且给水阀动作平稳。
图7 三冲量控制系统框图
5 结束语
经过实践证明三冲量给水调节系统能够自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，可使汽包液位水位保持稳定，且给水阀动作平稳，能及时的反映汽包的工作状态，同时保证了锅炉的安全工作，因而得到了广泛的好评。
参考文献
[1] 李友善.自动控制原理. 国防工业出版社,1998
[2] 孟华.工业过程检测与控制.北京航空航天大学出版社,2002
[3] 张宏建.自动检测技术与装置.化学工业出版社,2004
[4] 朱传标.工业锅炉技术基础.上海远东出版社,1996
[5]丁立新.电厂锅炉原理.中国电力出版社,2006.8
[6] 邢培生.锅炉设备运行及事故处理.化学工业出版社,2006.2
