對(duì)鍋爐汽包水位控制的分析

-.z.對(duì)鍋爐汽包水位控制的分析朱李超（**大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院**200072）摘要：鍋爐控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜，龐大，多變量，耦合的系統(tǒng)。通常的設(shè)計(jì)方法是在可能的情況下將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)獨(dú)立的控制區(qū)域，并分別對(duì)各個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文主要闡述了鍋爐控制系統(tǒng)中汽包水位控制的結(jié)構(gòu)，原理，特點(diǎn)以及控制方法,并對(duì)控制方法作簡(jiǎn)單的分析。關(guān)鍵詞：汽包水位控制TheanalysisofboilerdrumwaterlevelcontrolZHULi-chao（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）Abstract:Boilercontrolsystemisaple*,large,multi-variablecoupledsystem.Theusualdesignapproachisdividingthesystemintoseveralindependentcontrolareasinthecaseofpossible,andthendesigneachregionseparately.Thispapermakesabriefintroductionaboutthestructure,principle,characteristicsandcontrolmethodsthatusedinthesystemofdrumboilerwaterlevelcontrolsystem.Italsomakesasimpleanalysisaboutthecontrolmethods.Keywords:Drumwaterlevelcontrol1概述1.1鍋爐系統(tǒng)的簡(jiǎn)介作為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制中的一個(gè)重要的組成部分，鍋爐控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)鍋爐系統(tǒng)的分析也有著非常實(shí)際的意義。鍋爐系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的被控裝置，其控制過(guò)程是一個(gè)多變量、非線性、帶時(shí)延的復(fù)雜對(duì)象。它有多個(gè)被控變量和調(diào)節(jié)變量，并且相互之間存在耦合。于是，理想的鍋爐控制系統(tǒng)應(yīng)該是多回路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因?yàn)橹挥羞@樣，在鍋爐受到*一擾動(dòng)后，系統(tǒng)才能同時(shí)協(xié)調(diào)作用，改變其調(diào)節(jié)量，使被控量達(dá)到一定的要求。但是，這種控制系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)。所以在進(jìn)行鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，通常將整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的控制區(qū)域，再針對(duì)各個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)分別進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如可將整個(gè)鍋爐控制系統(tǒng)分為汽包水位控制，蒸汽溫度控制，鍋爐燃燒控制等。本文主要就汽包水位控制的原理和方法作一個(gè)簡(jiǎn)單的分析與比較。1.2汽包水位控制簡(jiǎn)介鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的重要設(shè)備，在鍋爐的正常運(yùn)行中，汽包水位是其重要的工藝指標(biāo)，同時(shí)也是鍋爐能夠提供符合質(zhì)量要求的蒸汽的必要條件。如果汽包水位過(guò)低，則汽包內(nèi)的水量較少，在蒸汽復(fù)合很大時(shí)，水的汽化速度和水量變化速度都很快，如果不及時(shí)控制，可能會(huì)導(dǎo)致汽包內(nèi)的水全部汽化，引起鍋爐損壞或是爆炸。相反，如果汽包水位過(guò)高，汽水將較難分離，產(chǎn)生蒸汽帶夜現(xiàn)象，使過(guò)熱器管壁結(jié)構(gòu)而損壞，同時(shí)還可能損壞汽輪機(jī)葉片。因此無(wú)論是汽包水位過(guò)高或是過(guò)低都將對(duì)鍋爐控制的安全性和經(jīng)濟(jì)型構(gòu)成威脅，于是汽包水位必須控制在一個(gè)允許的*圍。2汽包水位控制系統(tǒng)的控制任務(wù)2.1主要控制任務(wù)鍋爐汽包水位控制的主要任務(wù)是使給水量能適應(yīng)蒸汽量的需要，并保持汽包水位在規(guī)定的工藝*圍之內(nèi)。引起汽包水位變化的主要因素是蒸汽用量和給水量。由于蒸汽用量是負(fù)荷，因此可以選擇給水量作為控制參數(shù)，汽包液位是被控參數(shù)，由此可以構(gòu)成一個(gè)鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)。2.2控制過(guò)程出現(xiàn)的難點(diǎn)2.2.1“虛假”水位現(xiàn)象所謂“虛假”水位現(xiàn)象就是在蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽包內(nèi)的蒸汽壓力下降，使水的沸騰加劇，氣泡迅速增加，由于氣泡的體積比同重量的水的體積大得多，結(jié)果形成了汽包內(nèi)水位升高的假象。相反，當(dāng)蒸汽符合突然減少時(shí)，會(huì)導(dǎo)致汽包內(nèi)的蒸汽壓力上升，沸騰程度下降，氣泡減少，形成水位下降的假象。2.2.2等效純滯后現(xiàn)象所謂等效純之后現(xiàn)象是指在給水量突然增加的時(shí)，由于汽包內(nèi)水溫的突然下降，汽水混合物的汽化程度變化，使在一段時(shí)間內(nèi)由給水引起的水位增高的趨勢(shì)和呦汽化程度引起的水位下降的趨勢(shì)基本相等，造成汽包水位基本不變的狀態(tài)。3汽包水位控制系統(tǒng)的影響因素分析3.1蒸汽負(fù)荷對(duì)水位的影響蒸汽流量對(duì)水位的影響屬于干擾通道的動(dòng)態(tài)特性。在燃料量不變的情況下，蒸汽用量的突然增加或是減少都將引起“虛假”水位現(xiàn)象。在蒸汽流量的突然增加時(shí)，由于假水位的現(xiàn)象，在開(kāi)始階段液位不僅不會(huì)下降，反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升）。假設(shè)實(shí)際水位的變化為，不考慮氣泡容積變化的液位變化為，只考慮氣泡容積變化的液位變化為。則蒸汽負(fù)荷增加時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖1所示：圖1干擾作用下的響應(yīng)曲線Fig.1Interferenceundertheresponsecurve3.2給水流量對(duì)液位的影響給水流量對(duì)液位的影響屬于控制通道的動(dòng)態(tài)特性。在給水量發(fā)生變化時(shí)將會(huì)引起上文所述的等效滯后現(xiàn)象。假設(shè)汽包和給水為一個(gè)理想的單容無(wú)自橫對(duì)象，則液位的響應(yīng)曲線如圖2中的。但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，當(dāng)給水量變化時(shí)，響應(yīng)曲線會(huì)在一開(kāi)始時(shí)不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段，即系統(tǒng)存在一個(gè)純滯后時(shí)間t，液位響應(yīng)曲線如圖2中的。給水流量增加時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖2所示：圖2給水作用下的液位響應(yīng)曲線Fig.2Waterlevelundertheresponsecurve4汽包水位控制方案4.1單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是指以汽包水位為被控參數(shù)、給水量為控制參數(shù)構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)。其控制手段是通過(guò)控制給水量來(lái)通過(guò)典型的單回路控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽流量的控制。這種系統(tǒng)的有點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方面，缺點(diǎn)是克服給水自發(fā)性干擾和負(fù)荷干擾的能力較差。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加的情況下，由于汽包液位存在“虛假”水位現(xiàn)象，控制器不但不能增加調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，增加給水量，反而會(huì)減小調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，降低給水量。等到“虛假”液位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而減少，將使液位嚴(yán)重下降，產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)。特別是在大中型的鍋爐控制系統(tǒng)中，這種控制方案將會(huì)在“虛假”水位現(xiàn)象的作用下，降低調(diào)節(jié)品質(zhì)因素，使系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，從而影響整個(gè)控制系統(tǒng)的壽命和安全。單沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖如圖3所示：圖3單沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖Fig。3Single-impulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram4.2雙沖量水位控制系統(tǒng)在汽包水位控制系統(tǒng)中，最主要的干擾是蒸汽負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量的變化來(lái)校正虛假水位的誤動(dòng)作，就能使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)，減少水位的波動(dòng)，改善控制質(zhì)量。因此可以將蒸汽流量作為一個(gè)前饋信號(hào)，和給水量構(gòu)成一個(gè)前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，這也就是雙沖量控制系統(tǒng)。在該控制系統(tǒng)中，汽包水位為主被控參數(shù)，蒸汽流量為負(fù)被控參數(shù)，給水量為控制參數(shù)。利用蒸汽流量構(gòu)成的前饋控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，消除但沖量系統(tǒng)的缺陷。因此該系統(tǒng)不但能及時(shí)克服給水壓力干擾，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽負(fù)荷的前饋補(bǔ)償以克服“虛假”水位的影響，從而保證了鍋爐汽包水位具有較高的控制質(zhì)量，滿足了工藝要求。但是，雙沖量系統(tǒng)不能及時(shí)反應(yīng)給水方面的擾動(dòng)，當(dāng)給水發(fā)生變化，引起純滯后現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)要等到氣泡水位變化時(shí)才能通過(guò)調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行器來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間比較長(zhǎng)。單沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖如圖4所示：圖4雙沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖Fig。4Double-impulselevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram在工業(yè)設(shè)計(jì)中可以通過(guò)以上的原理圖進(jìn)行具體參數(shù)的設(shè)置，選擇合適的調(diào)節(jié)閥，控制器，執(zhí)行器檢測(cè)裝置。4.3三沖量水位控制系統(tǒng)該控制系統(tǒng)由主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器和三個(gè)沖量（汽包水位，蒸汽流量、給水流量）構(gòu)成。其中主調(diào)節(jié)器為水位調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器為給水流量調(diào)節(jié)器，蒸汽流量為前饋信號(hào)。三沖量水位控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋—反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)蒸汽流量變化時(shí)，它早于水位偏差進(jìn)行前饋控制，能及時(shí)的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的給水流量，以跟蹤蒸汽流量的變化，維持進(jìn)出汽包的物料平衡，從而有效的抑制虛假水位的現(xiàn)象，抑制水位的動(dòng)態(tài)偏差；當(dāng)蒸汽流量不變時(shí)，由給水流量作為副被控量構(gòu)成副回路，可及時(shí)消除給水流量的自身干擾。汽包水位是主被控量，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，它根據(jù)水位偏差調(diào)整給水流量的設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)時(shí)它可以使汽包水位等于設(shè)定值。由此可見(jiàn)，三沖量前饋—反饋串級(jí)控制系統(tǒng)能克服虛假水位的影響、維持水位恒定、提高給水控制質(zhì)量等多方面都優(yōu)于單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用。三沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖如圖5所示：：圖5三沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和原理框圖Fig。5Threeimpulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram汽包水位三沖量串級(jí)控制方案可以基于非線性PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在串級(jí)控制中,內(nèi)回路采用P控制以快速消除給水?dāng)_動(dòng),外回路采用非線性PID控制以保證汽包水位穩(wěn)定在給定值,并有效克服蒸汽流量的擾動(dòng)。該控制策略結(jié)構(gòu)和算法簡(jiǎn)單,相對(duì)于常規(guī)串級(jí)PI-P控制方案,該控制方案具有良好控制品質(zhì)和較強(qiáng)的魯棒性,可有效克服蒸汽流量擾動(dòng)和給水流量擾動(dòng),且在對(duì)象參數(shù)變化較大時(shí)仍能獲得穩(wěn)定的調(diào)節(jié)品質(zhì)。4.4三種控制系統(tǒng)的比較如前文所訴，三種控制系統(tǒng)有各自的特點(diǎn)，可用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。下表將對(duì)這三種控制系統(tǒng)一列表的形式作一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，更加直觀的反應(yīng)出三種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。表1三種控制系統(tǒng)的特點(diǎn)比Tab.1paringthecharacteristicsofthreekindsofcontrolsystems控制系統(tǒng)名稱(chēng)適用場(chǎng)合系統(tǒng)形式對(duì)“虛假”水位是否有抑制對(duì)純滯后是否有抑制經(jīng)濟(jì)單沖量控制系統(tǒng)汽包容積較大、負(fù)荷變化比較小的場(chǎng)合單回路控制系統(tǒng)無(wú)無(wú)經(jīng)濟(jì)雙沖量控制系統(tǒng)鍋爐容積較小,給水壓力波動(dòng)不大的場(chǎng)合前饋-反饋控制系統(tǒng)有無(wú)較經(jīng)濟(jì)三沖量控制系統(tǒng)汽包容積較小、負(fù)荷和給水干擾較大的場(chǎng)合前饋-反饋串級(jí)控制系統(tǒng)有有相對(duì)較貴從表1中可知，一般在精度要求高，控制穩(wěn)定性要求高，抗干擾能力要求高的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中，在一定的經(jīng)濟(jì)條件下都會(huì)采用三沖量控制系統(tǒng)。5.汽包水位控制中應(yīng)注意的問(wèn)題5.1汽包必須執(zhí)行低水位啟動(dòng)原則如果汽包水位控制系統(tǒng)采用全充水啟動(dòng)，則系統(tǒng)就失去了水位監(jiān)視手段。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)采用全水位啟動(dòng)時(shí)，過(guò)熱器進(jìn)水，水冷壁加汽包水位的上升值將會(huì)大大的大于理論值，如果要建立起正常水循環(huán)，上升管內(nèi)鍋水必須汽化并引起汽水膨脹，水位上升值還要接著增加。因此必須執(zhí)行低水位啟動(dòng)原則。5.2適當(dāng)控制低水位保護(hù)動(dòng)作值的降低理論上講，低水位保護(hù)裝置動(dòng)作值取決于避免下降管抽空所必須的水頭以及水位測(cè)量裝置的下限。但由于下降管入口加裝消旋裝置，水位表計(jì)可視*圍也不斷擴(kuò)大，保護(hù)動(dòng)作值有不斷下降的趨勢(shì)。降低汽包水位控制下限,其實(shí)是減少其安全裕度，增加失去水位保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)低水位保護(hù)動(dòng)作值的降低應(yīng)作適當(dāng)控制。保持一定量的安全欲度，因?yàn)檫@個(gè)安全欲讀有其存在的重要意義。首先在鍋爐熄火以后由于水冷壁的產(chǎn)汽量下降，水冷壁管汽水混合物中含汽率下降，表現(xiàn)為水位收縮。一旦負(fù)荷下降含汽量減少，水冷壁貯水量必然增加，導(dǎo)致水位大幅度下降。其次，熄火后爐膛溫度下降要有一段時(shí)間，水冷壁仍需靠爐水循環(huán)泵強(qiáng)制冷卻或靠自然循環(huán)冷卻，汽包內(nèi)仍要有足夠的水位。再者，在不清楚汽包內(nèi)有無(wú)水的情況下，如繼續(xù)進(jìn)水，就要冒汽包壁受熱沖擊的風(fēng)險(xiǎn)，如不進(jìn)水，則要冒水冷壁變形的風(fēng)險(xiǎn)。最后缺水現(xiàn)象本來(lái)是由于給水泵故障引起的，推遲熄火必然冒擴(kuò)大事態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。鍋爐水位控制的進(jìn)展工業(yè)汽包水位控制系統(tǒng)的控制方法一般采用三沖量控制，并引入計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，改善了原來(lái)的控制方法，增進(jìn)了控制品質(zhì)。同時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量裝置也在不斷的發(fā)展，好的測(cè)量裝置和測(cè)量技術(shù)能大大的改善控制系統(tǒng)的特性。近年來(lái)，隨著火力發(fā)電機(jī)組的不斷增加，電站鍋爐汽包水位測(cè)量誤差大和啟動(dòng)時(shí)不能正確投入水位保護(hù)的問(wèn)題越來(lái)越突出。電站、儀器儀表生產(chǎn)單位及業(yè)內(nèi)研究專(zhuān)家對(duì)鍋爐汽包水位測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行了較集中的研究，并取得了顯著的成果。6.1測(cè)量裝置的進(jìn)展水位測(cè)量裝置常見(jiàn)的有汽包水位內(nèi)置式電極傳感器，多測(cè)孔接管,汽包內(nèi)置式平衡容器，高精度電極傳感器，低偏差云母水位計(jì)。低偏差云母水位計(jì)比較受筆者喜歡。一般的聯(lián)通管式水位計(jì)利用水位計(jì)中的水柱與汽包中的水柱在聯(lián)通管處有相等的靜壓力，從而可用水位計(jì)中的水柱高度反映汽包中的水位。由于水位計(jì)管內(nèi)的水柱溫度總是低于汽包內(nèi)水的溫度。因此，水位計(jì)中的顯示值總是低于汽包內(nèi)實(shí)際水位高度。低偏差云母水位計(jì)的改進(jìn)思路類(lèi)似于汽包水位高精度取樣電極傳感器，利用飽和蒸汽加熱水位計(jì)的水樣，再通過(guò)蒸汽冷凝后的飽和水加熱和置換水位計(jì)內(nèi)的水樣，使水樣溫度接近汽包內(nèi)水的溫度，消除因水樣溫度低于汽包內(nèi)溫度而造成的測(cè)量誤差，達(dá)到測(cè)量準(zhǔn)確的目的。同時(shí)，用冷凝水快速置換飽和水，減少了云母片和接點(diǎn)污染。6.2測(cè)量方法進(jìn)展軟測(cè)量方法的應(yīng)用。軟測(cè)量技術(shù)是一種新興技術(shù)，它依據(jù)對(duì)可測(cè)、易測(cè)過(guò)程變量與難以直接測(cè)量的待測(cè)過(guò)程變量之間的關(guān)系，采用各種計(jì)算方法，用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)變量的測(cè)量或估計(jì)。根據(jù)物質(zhì)平