锅炉汽包液位控制

摘要：锅炉是电厂和化工厂里常见的生产设备，为了使锅炉能正常运行，必须维持锅炉的水位在一定的范围内，这就需要控制锅炉汽包的水位。本文分析的是锅炉汽包水位控制系统。利用控制装置和被控对象组成了一个自动控制系统。根据汽包水位在给水流量和蒸汽流量下的动态特性，选择了三冲量（水位、蒸汽流量、给水流量）水位控制系统。

关键词：汽包液位控制单冲量双冲量三冲量传递函数

正文：

锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备。由干锅炉往往负荷变化大、起停频繁依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。工业锅炉的汽包液位是正常运行的主要指标之一。液位过高会影响水汽分离，产生蒸汽带液现象；液位过低会影响锅炉的汽水自然循环，如不及时调节就会使汽包里的水全部汽化掉，可能导致锅炉烧坏或爆炸事故。所以在锅炉运行中保持汽包液位是十分重要的，对锅炉设备的自动控制首先是从汽包液位的自动调节开始。

锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，图1所示为输入变量与输出变量之间的相互关系。如果蒸汽符合变化或给水量发生变化，会引起锅筒水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，还会影响锅筒水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。

图1 锅炉的输入输出变量示意图

锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。锅炉汽水系统结构如图2所示。

图2锅炉汽水系统

1—给水泵；2—给水母管；3—调节阀；4—省煤器

5—锅炉汽包；6—下降管；7—上升管；8—蒸汽母管

锅筒水位是保证锅炉安全运行的重要标志。水位过低时，如果负荷（蒸汽用量）较大，水的汽化速度又快，使锅筒内的水量变化速度较快，一旦锅筒内的水全部汽化，会导致锅炉烧坏，甚至爆炸；水位过高，影响锅筒的汽水分离，产生蒸汽带液现象，是过热器关闭结垢导致损坏，同时过热蒸汽温度下降，容易孙华汽轮机叶片，影响机组运行的安全和经济性。因此，必须严格控制锅筒水位的高低。锅筒水位的最大特点是水中央夹带着大量蒸汽气泡。在锅筒内水量不变的情况下，蒸汽气泡体积的变化会引起锅筒水位的变化。蒸汽气泡的体积取决于锅筒压力、锅筒内水温和负荷需求。因此，影响锅筒水位主要有给水量、蒸汽用量等因素。

汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。目前较为成熟的锅炉气包水位控制方案有单冲量水位控制系统、双冲量水位控制系统及三冲量水位控制系统。锅炉水位的控制方案应根据锅炉系统的具体情况选择。

(1)单冲量水位控制系统:

单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成，通过给水流量调节气包液位，这里指的单冲量即气包液位。其控制方案如图3所示，该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。但它不能克服“虚假液位”的影响，且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此，只适用于小型低压锅炉。

(2)双冲量水位控制系统:

双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信号引入控系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调节特性，提高调节质量

且投资增加不多，其控制方案如图4所示，该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。

为了确保调节质量，在这里我们采用串级加前馈的三冲量调节系统，此方案可有效地克服给水系统和蒸汽负荷变化对液位的干扰，控制住汽包液位。三冲量调节系统，它是在双冲量控制系统上再加上一个给水流量的冲量。由蒸汽流量、给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量控制系统。

（3）三冲量水位控制系统:

三冲量控制系统中控制信号的链接关系如图5所示。图中，O L 表示水位控制器LC 的输出;O F1表示蒸汽流量前馈控制器F 1C 的输出；C 0为一常数以保证正常负荷下，其值能近似抵消负荷的前馈控制输出；C 1为水位控制器输出的比例系数，由于水位为主控参数，因此C 1通常取1或稍小于1的值。

三冲量控制系统中，水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同，蒸汽流量前馈控制器中的静态增益一般依据下式选取

1max min max min F C V K K （D -D ）β（W -W ）

图3 单冲量控制系统图4双冲量控制系统

式中 D max-D min——蒸汽流量变送范围；

W max-W min——给水流量变送范围；

K v——阀门安装特性工作点斜率；

在稳定状态下,液位测量信号为给定值,液位调节器的输出,蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流增加,加法器的输出电流减少,从而会开大给水调节阀,与此同时出现了虚假液位现象,液位调节

器输出电流将增大。由于进入加法器的两个信号相反,蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一

部分虚假液位输出电流,所以,虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。

待虚假液位过去,水位开始下降,液位调节器输出电流开始减小,此时,它与蒸汽流量信号变化的方向相反,因此加法器的输出电流减小,此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值,给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而变化时,加法器的输出相应变化,调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量,起到了“超前信号”的作用,使给水阀一开始就向正确的方向移动,因而可减小液位的波动幅度,抵消虚假液位的影响,并可缩短过渡过程时间。图7为三冲量液位调节方框图。

如下图7所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使控制器及早知道控制的效果，做出相应的调整。

图7三冲量控制系统

D W H a a a 、、分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转换系数。已知某供汽量为120t/h 的锅炉，给水流量与水位的传递函数1()G S ，蒸汽流量与水位的传递函数2()G S 分别为：

1()0.0529()()(8.51)H S G S ==W S S S + (1)

22() 2.6130.0747()()(6.71)H S G S D S S S ==-+ (2)

D W H a a a 、、分别为：0.0667，0.0667及0.0333。调节阀采用线性阀，增益为15，其传递函数为：

通常，PID 控制器的控制算式为：G ’(s) =Kp(1+Kd .S+Ki /S)。

用MA TLAB 对控制系统仿真：

将PID 控制系参数之位5.62=p K ，3.8=I K ，156=D K ，得到阶跃响应曲线：

对其进行时域分析：t d =2.5；

t r =4；t p =42；t s =28；σ%=40%

PID 参数的调整

由理论计算的出的PID 整定参数与理想参数会存在一些偏差，故可以再此基

础上做一些微调，以求改善系统性能。

由上图可以看出，响应曲线超调偏大，调节时间也较长，可以适当减弱积分

作用或者增大微分作用来减小超调，可以适当加强比例调节作用，以增强系统响应的速度。

70=p K ，5=I K ，250=D K ，响应曲线如下：

102030405060708090100

对其进行时域分析：

t d=1.5；t r=2.5；t p=33；ts=20；σ%=10%

很明显，超调减小到了10%左右，调节时间也缩短为20s左右,达到了较好的控制效果。

锅炉气包液位的控制是锅炉设备安全运行的重要手段，经过多年的实践，其水位控制方案已较为成熟，随着自动控制技术的不断发展，会为锅炉设备控制系统的进一步改善提供有力的技术支持。

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