锅炉汽包给水控制要点

过程控制系统设计与实践

工艺过程及要求

6号课题：锅炉汽包给水控制系统（该题目不要有任何改动）

该课题由第六组4名同学完成。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素，水位过高会破坏汽水分离装置的正常工作，水位过低会引起水冷壁破裂。锅炉汽包给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，使汽包中水位保持一定范围内。工艺上要求：

1)正常运行时水位波动范围：±30～50mm。

2)异常情况：±200mm。事故情况：>±350mm。

3)出现事故时能进行报警。

4)保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则对省煤

器和给水管道的安全运行不利。

图1 汽包给水系统工艺流程图

目录

1 引言 (1)

1.1 论文选题背景 (1)

1.2 锅炉汽包给水系统 (1)

1.2.1 工作过程 (1)

1.2.1 控制对象及控制任务 (1)

2 给水控制基本方案 (2)

2.1 单冲量控制系统 (2)

2.2 双冲量控制方案 (3)

2.3 三冲量控制系统 (4)

2.4 几种控制方案的比较 (4)

2.5 最优方案 (5)

3 系统的实现 (6)

3.1 引起“虚假水位”原因分析 (6)

3.2 汽包水位检测元件 (7)

3.2.1 测量的问题 (7)

3.2.2 检测元件的型号选择 (8)

3.2 给水阀的选择 (8)

3.2.1 气开气关的选择 (8)

3.2.2 调节阀的型号选择 (8)

3.3 调节器的选择 (9)

3.3.1 控制规律与正反作用确定 (9)

3.3.2 调节器的型号选择 (10)

3.3 流量检测元件的选择 (10)

3.4 仪器仪表清单 (11)

4 结束语 (12)

参考文献 (13)

附录..................................... 错误！未定义书签。

1 引言

1.1 论文选题背景

锅炉是典型的复杂控制系统，其中锅炉汽包水位是锅炉运行中的重要参数，同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志，维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是锅炉正常运行的主要指标之一。因此要时刻掌握锅炉汽包的液位情况，研究汽包液位的检测原理，保证仪表检测装置的检测精度是非常有必要的。

1.2 锅炉汽包给水系统

1.2.1 工作过程

给水由给水泵打入省煤器以后，在此加热成为汽包工作压力下的饱和水，进入汽包，然后沿下降管进入炉膛四周的水冷壁，在此吸收炉膛中的热量汽化后沿上升管回到汽包，从汽包中分离出的饱和蒸汽进入过热器，进一步吸收烟气中的热量变成过热蒸汽，送往汽轮机中做功。如图1所示锅炉给水系统结构。

1.2.1 控制对象及控制任务

汽包水位反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件，这是因为：①汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器，也会使饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将会损坏气轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。②水位过

低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁馆烧坏而破裂，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。

影响汽包水位的因素主要有锅炉蒸汽流量、给水流量、汽包水位。锅炉给

水控制的任务主要是保持汽包水位的正常，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，保持汽包水位在给定的范围内变化。

1—给水母管 2—给水调节阀 3—省煤器 4—汽包 5—下降管 6—上升管

7—过热器

8—蒸汽母管

图1 锅炉的给水系统

显然，在锅炉给水自动控制系统中，应以汽包水位H 作为被控参数。汽

包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下气泡容积的影响。而水位下气泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因数很多，其中主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D ）、给水流量W 。

2 给水控制基本方案

2.1 单冲量控制系统

单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号。

这种控制

1

8

结构简单，是单回路定值控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。

然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：①负荷变化时产生的“虚假水位”将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一旦急剧汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。②负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，到阀门的动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。③给水系统出现扰动时，动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而使调节阀动作，同样不够及时。

为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀，能收到很好的效果。

2.2 双冲量控制方案

双冲量锅炉给水控制系统，是以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的锅炉汽包水位自动控制系统。在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

用双冲量控制系统的特点是：①引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”现象对控制的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸发量相反方向变化的错误方向。而调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大地减少给水量和水位的波动，缩短过渡过程的时间。②引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。

双冲量水位自动控制系统存在的问题是：控制作用不能及时地反映给水方

面的扰动，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才通过调节器操作执行器进行调节，滞后时间长，水位波动大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持正常时，不宜采用双冲量控制。

2.3 三冲量控制系统

三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。

三冲量汽包给水控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号给调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向动作，因而减少了水位和给水流量的波动幅度。当给水流量发生自发性扰动时，通过反馈控制作用，可抑制这种扰动对给水流量以及汽包水位的影响，这有利于减少汽包水位的波动。因此，三冲量给水控制系统在克服扰动、维持汽包水位稳定、提高给水控制质量方面优于单冲量给水控制系统。

2.4 几种控制方案的比较

单冲量水位控制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。

双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。

三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。

为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号。三冲量水位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉。

2.5 最优方案

通过上面三种方案的比较，我们根据单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制各自不同的特点，制定了串级三冲量给水控制系统。

蒸汽流量D

图2-1 串级三冲量给水控制系统

串级三冲量给水控制系统的基本结构如图2-1所示。该系统采用一个调节器（一般为PID调节器），其输入为汽包水位给定信号、蒸汽流量反馈信号。

调节器的输入偏差信号为：偏差=汽包水位给定信号-蒸汽流量反馈信号在平衡状态下，汽包水位等于、蒸汽流量D等于给水流量W，故调节器输入偏差等于0，输出保持不变。蒸汽流量的引入是为了克服“虚假水位”引起的调节器误动作。例如，当蒸汽流量增加时，由于虚假水位的影响，使水位上升，这将使调节器的输入偏差为负,经PID反馈回来的数据下降，使给水流量减少。当与此同时，加入调节器输入端的前馈信号也增加了。

这个克服给水流量内扰的控制过程是在给水流量、变送器、调节器、执行器、调节阀组成的闭合回路中进行的，该回路成为内回路，或称局部反馈回路。因为内回路不包括有迟延的水位现象，所以动作很快，可以迅速消除内扰。由汽包水位信号形成的闭合回路是给水控制系统的主回路，或称外回路，这个回路包括水位变送器、调节器、执行器、调节阀和汽包水位对象。无论外扰还是内扰使汽包水位偏离给定值，都会使调节器的输入偏差发生变化，从而改变调节器的输出，改变调节阀的开度，改变给水流量，使水位朝着减少和消除被调量偏差的方向变化，并最终使汽包水位等于给定值。这样就能维持水位的相对稳定，保持平衡。

3 系统的实现

3.1 引起“虚假水位”原因分析

当蒸汽流量在时间t0突然增加ΔD的扰动下，汽包水位的特性曲线如图3-1所示。图中H1是由于蒸汽流量D和给水流量W不平衡引起的水位变化；H2为“虚假水位”的变化；H为实际水位变化的反应曲线，且H= H1+ H2在锅炉生产过程中，当蒸汽负荷突然增加时，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，水位应下降，如图中H0所示。但因蒸汽流量与给水流量产生不平

衡的初始阶段，水位下降存在时间上的延迟，所以实际水位的变化应为H 1曲线。但实际上当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸汽流量，水位不但不下降反而迅速上升，这是由于汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加造成的。这种现象常称为“虚假水位”现象。“虚假水位”H 2是由两个原因造成的，如图3-2所示。

D 0

00H

D

0H 图3-1 蒸汽流量扰动作用下的特性曲线 图3-2 引起“虚假水位”原因分析

(1)由于锅炉蒸汽负荷增加，使炉管和汽包中汽水混合物的汽、水比例发生变化而引起汽包水位上升，这是引起汽包“虚假水位”的主要原因。

(2)蒸汽流量增加，汽包汽压下降，炉水沸点下降，由于炉水为饱和水的

汽化，使汽包水位随压力下降而升高，如图中H 2＇＇曲线所示。

“虚假水位”H 2＇等于H 2＇＇和之和。

3.2 汽包水位检测元件

3.2.1 测量的问题

长期以来锅炉汽包水位连续测量技术方面采用的平衡容器式（差压式）测量方法存在许多无法改进的缺陷，比如，不能实施全工况测量，存在“虚假水

位”测量、在锅炉启、停、排空、连排、事故等不稳定运行工况下建立稳定差压条件时间较长、恢复时间较长或干脆不能建立正常差压，需要人工干预等问题。这些缺陷都是由于差压式测量原理及其对系统取样结构的不合理造成的，无法改进。

3.2.2 检测元件的型号选择

为彻底解决汽包水位测量存在的问题，选用河南长润自动化系统有限公司生产出的CR-6031智能锅炉汽包液位计，采用断层扫描技术，通过特制的传感器动态扫描并分析液位计中液相、气相的介电常数和温度，进行动态补偿。经过系统软件对比运算后，输出与锅炉液位成正比的4～20mA标准电流信号及四组SPST固态继电器开关信号。

3.2 给水阀的选择

3.2.1 气开气关的选择

给水调节阀气开关的选择，一般都是从安全角度考虑。以蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以选用气关阀为宜，一旦事故发生，可保证事故状态下调节阀处于全开位置，使锅炉不致因进水中断而烧干。

3.2.2 调节阀的型号选择

受流经给水阀的除氧水压力和温度的影响，极易产生汽蚀现象。要防止汽蚀引起的噪声振动和对阀芯阀座的侵蚀，一般给水阀的阀芯阀座选用司钛莱合金堆焊即可。

锅炉给水调节阀STB是一种新颖的压力平衡套筒结构高压差调节阀。阀

内组件采用高强度不锈钢制造，零件表面经过硬化处理，硬度可达到HRC70左右，抗冲刷能力强。阀内组件结构新颖，采用套筒节流，有效控制流速在30m/s左右。节流面与阀座密封面分开，有效保护密封面，密封性能优良，使用寿命长。阀芯采用压力平衡式结构，减少流体作用在阀芯上的不平衡力。

3.3 调节器的选择

3.3.1 控制规律与正反作用确定

为保证调节过程的快速性和稳定性，调节器设置为PID动作规律。

当信号增大时，调节器应开大调节阀门，负反馈时标以“-”。而由水位测量原理可知，当汽包水位下降时，差压信号增加，这是应开大给水阀门，故水位信号的极性为“+”；蒸汽负荷增加时，为维持物质平衡关系应开大给水阀门，故蒸汽负荷信号的极性为“+”；给水流量若由于给水母管压力波动等原因发生变化时，因这时的变化不是控制作用的结果，而只是一种内部扰动，故应予以迅速消除，给水流量的极性应为“-”；水位给定值信号应与被控参数水位信号相平衡，故水位给定值信号的极性为“-”。

根据生产工艺安全等原则我们已选用气关阀，在满足给水流量、变送器、调节器、执行器、调节阀组成的内回路构成负反馈系统下，最终确定调节器为正作用方式。

图2-2 串级三冲量给水控制系统框图

图中，F D

、F W分别为蒸汽输出干扰量和给水输入干扰量,aD、afD分别表示蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出参数、aW为负变送器控制系数。

3.3.2 调节器的型号选择

根据过程特性与工艺要求，选用陕西东辉智能仪器有限公司的DY-GL/GLF锅炉水位三冲量调节器。该产品既有双光柱双数字显示，又带阀位自动跟踪，实现自动/自动无扰切换，同时，出现事故时能进行报警。3.3 流量检测元件的选择

给水流量、蒸汽流量的测量选用流量变送器则不必加开方器。它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波动的余地。

选用横河电机（中国）有限公司的EJX110A型高性能差压变送器，采用单晶硅谐振式传感技术，适用于液体、气体或蒸汽的流量等测量，EJX系列支

持。

3.4 仪器仪表清单

在任何一个生产实践还是实验中，仪器仪表的选择都是非常重要的，它可以决定生产时间能否顺利进行，甚至可以避免造成不必要的安全危险和损失。根据本次锅炉汽包给水控制系统所需的精度要求、实际需要，选取如下的仪器仪表，其中包括生产公司、技术指标、数量。

表一.仪器仪表清单

4 结束语

本文分析和比较了锅炉汽包给水控制系统采用单冲量给水控制系统、双冲量给水控制系统和三冲量给水控制系统的控制效果，采用以汽包液位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的三冲量锅炉汽包给水控制系统。

本课题的目的及意义在于,锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。应用三冲量控制系统极大地提高了控制系统的性能，改善了高压汽包的运行状况，使高压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。

锅炉水位控制的方案多种多样，因每台锅炉的特性及实际工况的不同而各异。如今，智能仪表的发展和计算机在工业自动控制领域的广泛应用，又为该课题创造了更多的空间.

参考文献

[1]张亮明，夏桂娟.工业锅炉热工检测与过程控制[M]，天津：天津大学出版社，1992.09

[2]刘禾，白焰，李新利.火电厂热工自动控制技术及应用[M]，北京：中国电力出版社，

2009

[3]蒋慰孙，俞金寿. 过程控制工程[M]，北京：中国石化出版社，1999.08

[4]邵裕森，戴先中.过程控制工程[M]，北京：机械工业出版社，2000.05

[5]吴勤勤.控制仪表及装置[M]，北京：化学工业出版社，2007.01

[6]仪器设备的型号查询相关网站