浅析锅炉汽包水位控制系统

浅析锅炉汽包水位控制系统

郭中秋

宝钢化工湛江有限公司

摘要  锅炉是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的安全运行，各个环节的工艺参数必须严格控制。其中汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。分析锅炉汽包水位控制系统的三种基本结构及其各自的优缺点。

关键字  锅炉 汽包水位  控制系统  单冲量  双冲量  三冲量

1 绪论

锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉，还利用残渣、残油、释放气等为燃料的锅炉。按所提供蒸汽压力不同，又可分为常压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉、超临界压力锅炉等类型。虽然不同类型的锅炉的燃料种类和工艺条件各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统的工作原理是基本相同的。

锅炉是一个比较复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的安全运行，各个环节的工艺参数必须严格控制。锅炉系统主要的被控参数有汽包水位、过热蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、燃-空配比；主要的控制变量有：锅炉给水、燃料量、减温水流量、送风量。这些被控参数和控制变量之间相互影响的关系相当复杂。例如，过热蒸汽流量变化，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和蒸汽温度的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、送风量和炉膛负压参数等。本论文主要分析锅炉汽包水位的控制系统。

水位控制的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。汽包水位控制也称为锅炉给水控制。

汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉；尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此，在锅炉运行中必须将汽包水位严格控制在工艺允许的范围内。

2汽包水位控制系统的被控参数与控制变量选择

    汽包水位控制系统可直接选择汽包水位作为被控参数。影响汽包水位变化的因素有给水量、蒸汽流量变化、燃料量变化、汽包压力变化等。

汽包压力变化并不直接影响水位，而是通过汽包压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”过程影响水位。汽包压力变化往往是蒸汽流量变化引起的，可将压力变化因素归在蒸汽流量变化中一并考虑，而蒸汽流量又是按用户需要而改变的不可控因素。因而汽包压力和蒸汽流量都不能作为汽包水位的控制变量。

燃料量的变化要经过燃烧系统变化成热量后，才能被水吸收，继而影响汽化量并改变水位。这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，燃烧过程又有专门的调节系统进行控制，因此燃烧量也不能作为汽包水位的控制变量。

只有锅炉给水量可作为汽包水位的控制变量。

3汽包水位动态链接

3.1 蒸汽流量对汽包水位的影响

在其他条件不变的情况下，蒸汽流量突然增加，会使汽包的物料平衡发生变化，汽包瞬时流出水量大于流入量，汽包存水量减少。如果不考虑其他因素，汽包存水量瞬时减少必然使汽包水位下降。图1-2中的△H1(t)表示将汽包当作非自衡单容对象看待时，汽包水位对蒸汽流量的阶跃响应曲线。但深入分析汽包内部的水、汽变化过程，当蒸汽流量突然增加时，必将导致汽包压力Pb瞬时下降，在锅炉蒸发管（水冷壁）内的水沸腾突然加剧，水中气泡数量迅速增加，气泡体积增大，使汽包水位升高。这种压力下降而非水量增加（水量实际上在减少）导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”现象。由于汽包压力下降，导致汽包液位上升对应的虚假水位阶跃响应曲线如图1-2中的△H2(t)所示。

图1-2  蒸汽流量阶跃干扰下汽包水位响应曲线

在蒸汽流量增加（△D）时，水位变化的实际阶跃响应曲线如图1-2中的△H(t)所示。由于虚假水位现象，在蒸汽流量增加的开始阶段水位不仅不会下降反而先上升，然后再下降（反之，当蒸气流量突然减少时，则水位线下降，然后上升）。蒸汽流量D突然增加时，实际水位的变化△H(t)为△H1(t)（不考虑水面下汽包容积变化时的水位变化）与△H2(t)（只考虑水面下汽泡数量和体积变化所引起的水位变化）的叠加，即

△H(t) =△H1(t)+△H2(t)                       （2-1）

用传递函数来描述可以表示为

              （2-2）

式中，εf为蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的斜率（工程上也称飞升速度）；K2、T2分别只考虑水面下汽泡体积变化所引起的水位变化△H2(t)的放大倍数和时间常数。

    虚假水位变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般蒸发量为100～230t/h的中、高压锅炉，当负荷突然变化10%时，假水位可达30～40mm。对于这种假水位现象，在设计控制方案时必须特别注意。

3.2 给水流量对汽包水位的影响

    在给水流量增加时，水位阶跃响应曲线如图1-3中△Ｈ(t)所示。如果把汽包水位对给水的响应看作无自衡单容过程，汽包水位的阶跃响应曲线如图1-3中△Ｈ1(t)所示。由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包的给水会从饱和水吸收一部分热量，所以当给水量增大后 ，汽包水面以下水中的汽泡总体积减小，导致水位下降。水中汽泡总体积减小导致水位变化的阶跃响应曲线如图1-3中△Ｈ2(t)所示。当给水量增大时，汽包水位的实际响应曲线如图1-3中△Ｈ(t)所示，即突然加大给水量后，汽包水位一开始并不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。实际水位变化△Ｈ(t)是△Ｈ1(t)（不考虑水面下汽泡容积变化时的水位变化）与△Ｈ2(t)（只考虑水面下汽包体积变化所引起水位变化）的叠加，即

△H(t) =△H1(t)+△H2(t)                       （2-3）

用传递函数来描述可以表示为

                  （2-4）

用一阶模型近似时，可表示为

                      （2-5）

式中，ε0为给水流量作用下，阶跃响应曲线的斜率（飞升速度）；τ为纯滞后时间。

图1-3  给水流量阶跃干扰下汽包水位响应曲线

给水温度越低，纯滞后时间τ越大，一般τ约在15～100s之间。如果采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会使τ增加到100～200s之间。

4锅炉汽包水位控制系统几种基本结构

4.1 单冲量汽包水位控制系统

    以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成图1-4的单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统，图1-5为单冲量控制系统框图。这种系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。

图1-4  单冲量水位控制系统示意图

图1-5  单冲量水位控制系统框图

   在图1-5所示的单冲量控制系统中，当锅炉蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量，反而去关小调节阀的开度，减小给水量。这样，由于蒸汽量增加、给水量减小使汽包存水量减小。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以致发生事故。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。而对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象并不明显，如果再配上相应的一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满足生产的要求，并保证安全生产。

4.2 双冲量汽包水位控制系统

    汽包水位的主要干扰是蒸汽流量变化。如果能利用蒸汽流量变化信号对给水量进行补偿控制，就可以消除或减小“假水位”现象对汽包水位的影响，控制效果要比只按水位进行控制更好一些。按这种思路设计的双冲量液位控制系统如图1-6所示，系统框图如图1-7所示。相对于图1- 4的单冲量水位控制系统，图1-7的双冲量控制系统中增加了针对主要干扰—蒸汽流量扰动的补偿通道，使调节阀及时按照蒸汽流量扰动进行给水量补偿，而其他干扰对水位的影响由反馈控制回路克服，这是一个前馈-反馈复合控制系统。

图1-6 双冲量液位控制系统示意图

图1-7  双冲量液位控制系统框图

图1-6中的加法器将调节器的输出信号和蒸汽流量变送器的信号求和以后，控制给水调节阀的开度、调整给水量。当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接控制给水调节阀，使汽包进出水量不受“假水位”现象的影响而及时达到平衡，这样就克服了蒸汽流量变化引起“假水位”现象所造成的汽包水位剧烈波动。

    加法器（Σ）的具体运算功能如下：

U=u+c1u1+c0（2-6）

式中，u为调节器的输出值；u1为蒸汽流量变送器输出的蒸汽流量值；c0为初始偏置，c1为加法器的系数；U为加法器输出值。

    c1取正号或负号视调节阀是气关式或气开式而定，确定原则是蒸汽流量增加，给水量加大，气关式调节阀取负号，气开式调节阀取正号（图1-7为气关式调节阀的情况）。c1值的确定还要考虑到静态补偿，将c1调整到只有蒸汽流量扰动时，汽包水位基本不变即可。

    设置c0 的目的是为了在正常蒸汽流量下，使调节器和加法器的输出比较适中。

4.3 三冲量汽包水位控制系统

双冲量水位控制相对于单冲量控制，控制品质有很大的改善。但双冲量水位控制系统仍存在两个问题，一是调节阀的工作特性不一定为线性特性，要做到完全静态补偿比较困难；其次是给水压力扰动对汽包水位的影响不能及时消除。为此可在双冲量水位控制系统的基础上，将给水流量信号作为副参数，构成如图1-8所示的三冲量水位控制系统，对应的控制系统框图如图1-9所示。

图1-8  三冲量水位控制系统示意图

图1-9  三冲量液位控制系统框图

     汽包水位是主（被控）参数，也称主冲量；给水流量为副（被控）参数，蒸汽流量是前馈补偿的主要扰动，给水流量与蒸汽流量也称为辅助冲量，从图1-9所示的控制系统框图可以看出，这是一个前馈-串级复合控制系统。

    三冲量水位控制系统加法器（Σ）的运算功能与式（2-6）表示的双冲量汽包水位控制系统加法器（Σ）的运算功能相同，参数选取方法也完全一样。

    三冲量水位控制系统的副调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，副调节器一般采用比例（P）调节；主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，主调节器一般采用PI调节或PID调节。

有些锅炉系统采用比较简单的三冲量水位控制系统，这类三冲量控制系统只有一台调节器和一台加法器，所以也称单级三冲量水位控制系统。加法器可接在调节器之前，如图1-10a所示，也可接在调节器之后，如图1-10b所示（二图中的加法器正负号是采用气关式调节阀及正作用调节器的情况）。图1-1a接法的优点是使用仪表少，只要一台多通道调节器即可实现。但如果系数设置不当，不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差，但需要一台加法器，使用仪表较上一接法多，但调节器参数的改变不影响补偿通道的整定参数。

图1-10  单级三冲量水位控制系统结构示意图

a)加法器在调节器之前  b)加法器在调节器之后

在汽包停留时间较短、负荷变化频繁、蒸汽流量变化幅度大（冲击负荷）的情况下，为避免蒸汽流量突然增加或突然减少时，水位偏离设定值过高或过低造成锅炉停车，可采取在给水流量检测信号通道增加惯性环节、在蒸汽流量检测信号通道增加反向微分环节或在汽包水位检测信号通道增加微分环节等措施减小水位的波动幅度。

参考文献 

1、王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社，2006

2、晁勤等编.自动控制原理.重庆：重庆大学出版社，2001