鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制

1、鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制王智（洛陽(yáng)石汕化工程公司儀電室，河南洛陽(yáng)471003）摘要：木文介紹了鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性，單沖量、雙沖量、三沖量控制方案 的特點(diǎn)及工程中需注意的問(wèn)題，著重介紹了汽包三沖量控制方案。關(guān)鍵詞：汽包水位；動(dòng)態(tài)特性：控制方案；單沖量；雙沖量；三沖量中圖分類號(hào)：tq054文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：b 文章編號(hào)：1009-4725 （2003） 08-0020-04automatic control of the level of boiler bubblewang zhi（luoyang petrochemical engineering co- , luoyang 471003, chin

2、a）abstracthe paper introduced the dynamic charactcristics of the level of boiler bubble. the characteristics of automatic control schemes with one variable or two variables or three variables were discussed, as well as some problems concerned in engineering. the automatic control scheme of boiler bu

3、bble with three variables was recommended specially.keywords： the level of boiler bubble; dynamic characteristics; automatic control schemes; one variable; two variables; three variables引言汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量，維持水位在一定范 圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，這是因?yàn)椋海?）水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離, 飽和水蒸汽帶水過(guò)多，同時(shí)過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降。該過(guò)熱蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)

4、力的話， 將會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。（2）水位過(guò)低，說(shuō)明汽包內(nèi)的水量 較少，而當(dāng)負(fù)荷很大時(shí)，水的汽化速度加快，則汽包內(nèi)的水位變化速度亦隨之加快，如 不及時(shí)調(diào)節(jié)，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致?tīng)t管燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐 汽包水位必須嚴(yán)加控制。1汽包水位的動(dòng)態(tài)特性鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽包水位不僅受汽包（包括循環(huán)水管）中儲(chǔ)水量的影 響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與蒸汽負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù) 荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其屮主要的因素是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量s）和給水流量1. 1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性,見(jiàn)圖2：4 t圖2給水流

5、量作用下水位階躍響應(yīng)曲線上圖所示是給水流量w作用下，水位l的階躍響應(yīng)曲線。如果把汽包的給水看作單 容量無(wú)自衡過(guò)程，水位階躍響應(yīng)曲線如上圖i曲線。但山丁給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量w增加后，從原有飽和水 中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少。當(dāng)水位下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸 平衡時(shí)，水位就山于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升，最后當(dāng)水位下汽泡容積不再變化 時(shí)，水位變化就完全反映了由于儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升。因此，實(shí)際水位曲線如圖中 l線。即當(dāng)給水量作階躍變化后，汽包水位一開(kāi)始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣 性段。給水溫度越低，時(shí)滯t亦越大。1.2汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)

6、特性,見(jiàn)圖3：在蒸汽流量s擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。當(dāng)蒸汽流量s突然增 加時(shí)，從鍋爐的物料平衡關(guān)系來(lái)看，蒸汽量s大于給水量w,水位應(yīng)下降，如圖中曲線 lu但實(shí)際情況并非這樣，由于蒸汽用量增加，瞬間必然導(dǎo)致汽包壓力的下降。汽包內(nèi) 水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中 l2所示。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線l為l1+l2。從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí), 雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開(kāi)始時(shí)，水位不僅不下降反而上升，然后再下降 （反之，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后再上升），這種現(xiàn)象稱z為“虛假液 位”。應(yīng)當(dāng)指出的是：當(dāng)負(fù)荷突然變化

7、時(shí)，水位下汽泡容積變化而引起水位的變化速度 是很快的，一般為1020秒?！疤摷僖何弧钡淖兓扰c鍋爐的汽包壓力和蒸發(fā)量有關(guān)。對(duì)于產(chǎn)汽量100t/h230t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化10%時(shí)，“虛假液位”可達(dá)3040mmo “虛假液位”現(xiàn) 象屬于反向特性，變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比，也與壓力變化速 度成正比，這給控制帶來(lái)一定困難，在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須加以注意。1.3汽包水位在爐膛熱負(fù)荷作用下的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)燃料量突然增加時(shí)，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發(fā)強(qiáng)度增大，使蒸發(fā) 面下的汽泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量及汽包壓力增加，但是給水流量并沒(méi)增加， 因而這種液位變化也屬于“

8、虛假液位”。當(dāng)熱量和水量在爐內(nèi)重新達(dá)到平衡時(shí)，液位才 慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負(fù)荷可由蒸 汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)保證，因而這種擾動(dòng)的因素是次要的。2幾種鍋爐汽包水位的控制方案2. 1單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)（沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包液位）是采用汽包液位直接控 制給水調(diào)節(jié)閥（如圖4所示），它是汽包液位自動(dòng)控制屮最簡(jiǎn)單、最基本的一種形式，是 典型的單冋路定值控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、容易實(shí)現(xiàn)，用于小型、低壓鍋 爐。因?yàn)檫@種鍋爐的蒸汽負(fù)荷比較穩(wěn)定，汽包的相對(duì)容積大，用戶對(duì)蒸汽的要求往往不 十分嚴(yán)格，該控制系統(tǒng)若再配上一些報(bào)警聯(lián)鎖裝置，也可以滿足

9、生產(chǎn)要求。蒸汽圖4單沖量控制系統(tǒng)方框圖在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，就不能釆用單沖量液位控制系統(tǒng)。這是因?yàn)椋?1) 負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假液位”將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)位動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反而關(guān)小給 水調(diào)節(jié)閥，當(dāng)閃急汽化平息下來(lái)時(shí)，會(huì)使水位嚴(yán)重下降，產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)品 質(zhì)很差。(2)負(fù)荷變化時(shí)，從負(fù)荷變化到水位下降再到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，滯后時(shí)間太長(zhǎng)，如 果水位過(guò)程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然很顯著。(3)給水系統(tǒng)擾動(dòng)時(shí)，例如給水泵壓力變 化，進(jìn)水量立即變化，而到水位產(chǎn)生偏差時(shí)才使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)。2.2雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化，那么引入蒸汽流量來(lái)校正，不 僅可以補(bǔ)

10、償“虛假液位”所引起的誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)，這就構(gòu)成了 雙沖量控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋(蒸汽流量fts)加單回路反 饋控制系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。加法器的輸出=pc± xs ps +初始偏差。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)，為保護(hù)設(shè)備，給水閥宜選用氣開(kāi)(f.c)閥，當(dāng) 蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣開(kāi)閥，加法器的輸出應(yīng)增加，即 入s應(yīng)該取正號(hào)。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí)，為保護(hù)設(shè)備，給水閥宜選用氣關(guān)(f.0)閥，當(dāng) 蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)減小，即 入s應(yīng)該取減號(hào)。為了兼顧上述兩種要

11、求，宜選帶保位裝置(f.i.)的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原 位。初始偏差設(shè)置的目的是：正常負(fù)荷下，調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中 的數(shù)值，最好在正常負(fù)荷下初始偏差與前饋(蒸汽流量fts) x s ps項(xiàng)恰好抵消。給水圖5雙沖量控制系統(tǒng)方框圖2.3三沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn)：（1）調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做 到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難；（2）對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。為此將引入給水流量 信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng).2. 3. 1三沖量控制方案i前饋（蒸汽流量）加反饋（液位，給水流量）控制系統(tǒng)該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號(hào)作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運(yùn)和整定與

12、單 冋路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時(shí)，水位將 有余差。關(guān)于系數(shù)入s和入w的作用與設(shè)置：（1）用來(lái)保證物料平衡即在 w-aad的條件下，蒸汽流量信號(hào)xsaps與給水流量信號(hào)x wapw應(yīng)相等, 依據(jù)這條原則，可以確定入s和入w的比值。（2）用來(lái)確定前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱從物料平衡中知道入s與入w的比值，其大小應(yīng)依據(jù)過(guò)程特性確定，入s越大其 前饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)，則擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的變化亦越大。2. 3. 2三沖量控制方案ii蒸汽流量前饋一給水流量串級(jí)控制系統(tǒng)方案ii與方案i相類似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案不管入s與入w如何設(shè)置，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，液位可以

13、保持無(wú)差，以改善負(fù)荷擾動(dòng)下的調(diào)節(jié)品 質(zhì)。加法器的輸dl=±pc± x s ps± xw pw催化裂化裝置產(chǎn)汽及余鍋汽包采用氣關(guān)（f.o）式的保位給水閥，當(dāng)蒸汽流量加大時(shí), 給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)減小，即入s應(yīng)該取減號(hào)。 當(dāng)給水流量增加時(shí)，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出應(yīng)增大，即入w應(yīng)該取正號(hào)。當(dāng)液 位升高時(shí)（調(diào)節(jié)器為正作用），給水流量亦要相應(yīng)減小，此時(shí)選用氣關(guān)閥，加法器的輸出 應(yīng)增大，即pc應(yīng)該取正號(hào)。2. 3. 3三沖量控制方案iii蒸汽流量前饋-液位與給水流量串級(jí)控制組成的控制 系統(tǒng)在汽包停留時(shí)間較短，“虛假液位”嚴(yán)重時(shí)，需引入蒸汽

14、流量信號(hào)的負(fù)微分作用， 如下圖虛線所示。所謂“負(fù)微分”是因?yàn)榻?jīng)過(guò)微分器信號(hào)的作用方向與蒸汽流量信號(hào)的 作用方向相反。在蒸汽流量（負(fù)荷）的階躍擾動(dòng)下，由于負(fù)微分器的輸出信號(hào)的作用，使 給水流量向反方向變化，這就克服了虛假液位的影響，等到負(fù)荷穩(wěn)定后，“虛假液位” 消失，負(fù)微分作用也將消失。這種負(fù)微分作用對(duì)靜態(tài)沒(méi)有影響，只起一個(gè)動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償 作用，以避免蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時(shí)，水位偏離設(shè)定值過(guò)高或過(guò)低而造成鍋爐停車。有機(jī)相無(wú)機(jī)相方法組合圖8三沖量控制方案方框圖ni3幾種控制方案的比較單沖量液位控制是汽包液位自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單、最基本的一種形式，是典型的單回 路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假液位”的

15、影響，而且沒(méi)有給水流量信號(hào)的反饋， 所以液位波動(dòng)較大。雙沖量液位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號(hào)。該控 制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：引入的蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假液位”對(duì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的不良影 響，當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量向同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵 消由于“虛假液位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥從一開(kāi)始就 向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量與液位的波動(dòng)，縮短調(diào)節(jié)的時(shí)間。而且引入 的蒸汽流量的前饋信號(hào)，能改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖量液位控制系 統(tǒng)適用于小型、低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓

16、差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量控 制；另外在大型鍋爐的控制中，鍋爐容量越大，壓力越來(lái)越高，汽包的相對(duì)容水量就越 小，允許波動(dòng)的儲(chǔ)水量就更少。為了把液位控制平穩(wěn)，在雙沖量液位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入 了給水流量信號(hào)，由液位、蒸汽流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量液位控制系統(tǒng)，在這個(gè) 系統(tǒng)里，汽包液位是被控變量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量、給水流量是兩個(gè)輔助沖量信 號(hào)。三沖量液位控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，適用于大、中型中壓鍋爐。三沖量控制方案i ：方案i宜作為一般鍋爐液位的控制方案，其特點(diǎn)是使用的設(shè)備 少，整定方法比較簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作比較平穩(wěn)。三沖量控制方案ii：與方案i比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出

17、現(xiàn) 物料不平衡的現(xiàn)象，只要液位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。三沖量控制方案iii:采用這種控制方案，在負(fù)荷變化時(shí)給水流量會(huì)及時(shí)做出相應(yīng)變 化，調(diào)節(jié)時(shí)間也比較短，對(duì)于克服“虛假液位”的動(dòng)態(tài)偏差有進(jìn)一步的好處。方案iii適 用于大容量、高壓鍋爐，而口要求水位控制嚴(yán)格的場(chǎng)合。4工程中需要注意的問(wèn)題4.1關(guān)于汽包液位測(cè)量的問(wèn)題由于汽包液位波動(dòng)較大，一般選用平衡容器測(cè)量汽包液位。平衡容器連通管中的液 位始終與汽包液位等高，上端的蒸汽冷凝后會(huì)在托盤上形成水柱，若水柱高出托盤自溢 口后自溢，并經(jīng)平衡閥返回汽包，進(jìn)行熱量與水量的交換，以求達(dá)到汽包內(nèi)部液體與平 衡容器內(nèi)部的液體比重一致且恒定。將托盤液面

18、高于正取壓端口 ho做負(fù)遷移，則差壓 變送器量程所對(duì)應(yīng)的平衡管正壓端水柱壓力的變化就能真實(shí)反映汽包液位的變化。4.2給水閥的選擇問(wèn)題(1) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸 汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)的重要負(fù)荷，為保護(hù)這些設(shè)備以選用氣開(kāi)(f.c)閥為宜。如果蒸 汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐，以選用氣關(guān)(f.0)閥為宜。綜合起來(lái)考慮， 一般選帶保位裝置(f. l)的給水閥，即事故狀態(tài)該閥停在原位。(2) 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥型號(hào)的選擇。由于流經(jīng)給水閥的除氧水壓力為6. ompa.溫度為 104°c,極宜產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。對(duì)于輕度汽蝕，一般給水閥的閥芯、閥座選用司鈦萊合金 堆焊即可。對(duì)于重度汽蝕，一般給水閥選用多級(jí)高壓調(diào)節(jié)閥，使高壓除氧水在流過(guò)調(diào)節(jié) 閥多級(jí)節(jié)流孔后逐漸降壓，而每級(jí)閥芯上只承擔(dān)一部分壓差，使節(jié)流后的壓力在閥的部 分恢復(fù)不到流體的飽和蒸汽壓力，可以有效的避免汽蝕現(xiàn)象，也有效的防止了汽蝕引起 的噪聲振動(dòng)和對(duì)閥芯、閥座的侵蝕。4. 3給水流量、蒸汽流量給水流量、蒸汽流量的一次元件如果選用節(jié)流裝置，則差壓變送器輸出的信號(hào)需經(jīng) 開(kāi)方器后再輸入到加法器進(jìn)行信號(hào)疊加。這樣可以減少非線性對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)