对锅炉汽包水位控制的分析报告

对锅炉汽包水位限制的分析朱李超（上海高校机电工程与自动化学院上海200072）摘要：锅炉限制系统是一个困难，浩大，多变量，耦合的系统。通常的设计方法是在可能的状况下将系统划分为几个独立的限制区域，并分别对各个区域进行限制系统的设计。本文主要阐述了锅炉限制系统中汽包水位限制的结构，原理，特点以与限制方法,并对限制方法作简洁的分析。关键词：汽包水位限制TheanalysisofboilerdrumwaterlevelcontrolZHULi-chao（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）Abstract:Boilercontrolsystemisacomplex,large,multi-variablecoupledsystem.Theusualdesignapproachisdividingthesystemintoseveralindependentcontrolareasinthecaseofpossible,andthendesigneachregionseparately.Thispapermakesabriefintroductionaboutthestructure,principle,characteristicsandcontrolmethodsthatusedinthesystemofdrumboilerwaterlevelcontrolsystem.Italsomakesasimpleanalysisaboutthecontrolmethods.Keywords:Drumwaterlevelcontrol1概述1.1锅炉系统的简介作为工业生产自动化限制中的一个重要的组成部分，锅炉限制系统在工业生产中有着特别广泛的应用，对锅炉系统的分析也有着特别实际的意义。锅炉系统是一个困难的被控装置，其限制过程是一个多变量、非线性、带时延的困难对象。它有多个被控变量和调整变量，并且相互之间存在耦合。于是，志向的锅炉限制系统应当是多回路的调整系统。因为只有这样，在锅炉受到某一扰动后，系统才能同时协调作用，变更其调整量，使被控量达到肯定的要求。但是，这种限制系统相当的困难，不简洁实现。所以在进行锅炉限制系统的设计时，通常将整个困难的系统划分为几个相对独立的限制区域，再针对各个区域的特点分别进行限制系统的设计。如可将整个锅炉限制系统分为汽包水位限制，蒸汽温度限制，锅炉燃烧限制等。本文主要就汽包水位限制的原理和方法作一个简洁的分析与比较。1.2汽包水位限制简介锅炉是工业生产过程当中的重要设备，在锅炉的正常运行中，汽包水位是其重要的工艺指标，同时也是锅炉能够供应符合质量要求的蒸汽的必要条件。假如汽包水位过低，则汽包内的水量较少，在蒸汽复合很大时，水的汽化速度和水量变更速度都很快，假如不与时限制，可能会导致汽包内的水全部汽化，引起锅炉损坏或是爆炸。相反，假如汽包水位过高，汽水将较难分别，产生蒸汽带夜现象，使过热器管壁结构而损坏，同时还可能损坏汽轮机叶片。因此无论是汽包水位过高或是过低都将对锅炉限制的平安性和经济型构成威逼，于是汽包水位必需限制在一个允许的范围。2汽包水位限制系统的限制任务2.1主要限制任务锅炉汽包水位限制的主要任务是使给水量能适应蒸汽量的须要，并保持汽包水位在规定的工艺范围之内。引起汽包水位变更的主要因素是蒸汽用量和给水量。由于蒸汽用量是负荷，因此可以选择给水量作为限制参数，汽包液位是被控参数，由此可以构成一个锅炉汽包水位的限制系统。2.2限制过程出现的难点2.2.1“虚假”水位现象所谓“虚假”水位现象就是在蒸汽负荷突然增加时，会导致汽包内的蒸汽压力下降，使水的沸腾加剧，气泡快速增加，由于气泡的体积比同重量的水的体积大得多，结果形成了汽包内水位上升的假象。相反，当蒸汽符合突然削减时，会导致汽包内的蒸汽压力上升，沸腾程度下降，气泡削减，形成水位下降的假象。2.2.2等效纯滞后现象所谓等效纯之后现象是指在给水量突然增加的时，由于汽包内水温的突然下降，汽水混合物的汽化程度变更，使在一段时间内由给水引起的水位增高的趋势和呦汽化程度引起的水位下降的趋势基本相等，造成汽包水位基本不变的状态。3汽包水位限制系统的影响因素分析3.1蒸汽负荷对水位的影响蒸汽流量对水位的影响属于干扰通道的动态特性。在燃料量不变的状况下，蒸汽用量的突然增加或是削减都将引起“虚假”水位现象。在蒸汽流量的突然增加时，由于假水位的现象，在起先阶段液位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然削减时，则水位先下降，然后上升）。假设实际水位的变更为，不考虑气泡容积变更的液位变更为，只考虑气泡容积变更的液位变更为。那么蒸汽负荷增加时系统的响应曲线如图1所示：图1干扰作用下的响应曲线Fig.1Interferenceundertheresponsecurve3.2给水流量对液位的影响给水流量对液位的影响属于限制通道的动态特性。在给水量发生变更时将会引起上文所述的等效滞后现象。假设汽包和给水为一个志向的单容无自横对象，那么液位的响应曲线如图2中的。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，当给水量变更时，响应曲线会在一起先时不马上增加，而是呈现出一段起始惯性段，即系统存在一个纯滞后时间t，液位响应曲线如图2中的。给水流量增加时系统的响应曲线如图2所示：图2给水作用下的液位响应曲线Fig.2Waterlevelundertheresponsecurve4汽包水位限制方案4.1单冲量水位限制系统单冲量水位限制系统是指以汽包水位为被控参数、给水量为限制参数构成的单回路限制系统。其限制手段是通过限制给水量来通过典型的单回路限制系统来实现蒸汽流量的限制。这种系统的有点是结构简洁，设计方面，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的实力较差。当蒸汽负荷突然增加的状况下，由于汽包液位存在“虚假”水位现象，限制器不但不能增加调整阀的开度，增加给水量，反而会减小调整阀的开度，降低给水量。等到“虚假”液位消逝后，由于蒸汽量增加，送水量反而削减，将使液位严峻下降，产生猛烈的波动。特殊是在大中型的锅炉限制系统中，这种限制方案将会在“虚假”水位现象的作用下，降低调整品质因素，使系统产生猛烈的波动，从而影响整个限制系统的寿命和平安。单冲量水位限制系统的结构图和原理框图如图3所示：图3单冲量水位限制系统的结构图和原理框图Fig。3Single-impulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram4.2双冲量水位限制系统在汽包水位限制系统中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变更。假如依据蒸汽流量的变更来校正虚假水位的误动作，就能使调整阀动作精确与时，削减水位的波动，改善限制质量。因此可以将蒸汽流量作为一个前馈信号，和给水量构成一个前馈—反馈复合限制系统，这也就是双冲量限制系统。在该限制系统中，汽包水位为主被控参数，蒸汽流量为负被控参数，给水量为限制参数。利用蒸汽流量构成的前馈限制系统的优点，消退但冲量系统的缺陷。因此该系统不但能与时克服给水压力干扰，还能实现对蒸汽负荷的前馈补偿以克服“虚假”水位的影响，从而保证了锅炉汽包水位具有较高的限制质量，满意了工艺要求。但是，双冲量系统不能与时反应给水方面的扰动，当给水发生变更，引起纯滞后现象时，系统要等到气泡水位变更时才能通过调整器操作执行器来进行调整，滞后时间比较长。单冲量水位限制系统的结构图和原理框图如图4所示：图4双冲量水位限制系统的结构图和原理框图Fig。4Double-impulselevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram在工业设计中可以通过以上的原理图进行详细参数的设置，选择合适的调整阀，限制器，执行器检测装置。4.3三冲量水位限制系统该限制系统由主、副两个调整器和三个冲量（汽包水位，蒸汽流量、给水流量）构成。其中主调整器为水位调整器，副调整器为给水流量调整器，蒸汽流量为前馈信号。三冲量水位限制系统是一个前馈—反馈串级限制系统。该系统的主要优点是：当蒸汽流量变更时，它早于水位偏差进行前馈限制，能与时的调整调整阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变更，维持进出汽包的物料平衡，从而有效的抑制虚假水位的现象，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，由给水流量作为副被控量构成副回路，可与时消退给水流量的自身干扰。汽包水位是主被控量，在动态过程中，它依据水位偏差调整给水流量的设定值，稳态时它可以使汽包水位等于设定值。由此可见，三冲量前馈—反馈串级限制系统能克服虚假水位的影响、维持水位恒定、提高给水限制质量等多方面都优于单冲量和双冲量限制系统，在工业生产中被广泛的应用。三冲量水位限制系统的结构图和原理框图如图5所示：图5三冲量水位限制系统的结构图和原理框图Fig。5Threeimpulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram汽包水位三冲量串级限制方案可以基于非线性PID限制器进行设计。在串级限制中,内回路采纳P限制以快速消退给水扰动,外回路采纳非线性PID限制以保证汽包水位稳定在给定值,并有效克服蒸汽流量的扰动。该限制策略结构和算法简洁,相对于常规串级PI-P限制方案,该限制方案具有良好限制品质和较强的鲁棒性,可有效克服蒸汽流量扰动和给水流量扰动,且在对象参数变更较大时仍能获得稳定的调整品质。4.4三种限制系统的比较如前文所诉，三种限制系统有各自的特点，可用于不同的应用领域。下表将对这三种限制系统一列表的形式作一个简洁的比较，更加直观的反应出三种限制系统的特点。表1三种限制系统的特点比Tab.1Comparingthecharacteristicsofthreekindsofcontrolsystems限制系统名称适用场合系统形式对“虚假”水位是否有抑制对纯滞后是否有抑制经济单冲量限制系统汽包涵积较大、负荷变更比较小的场合单回路限制系统无无经济双冲量限制系统锅炉容积较小,给水压力波动不大的场合前馈-反馈限制系统有无较经济三冲量限制系统汽包涵积较小、负荷和给水干扰较大的场合前馈-反馈串级限制系统有有相对较贵从表1中可知，一般在精度要求高，限制稳定性要求高，抗干扰实力要求高的工业应用场合中，在肯定的经济条件下都会采纳三冲量限制系统。5.汽包水位限制中应留意的问题5.1汽包必需执行低水位启动原则假如汽包水位限制系统采纳全充水启动，那么系统就失去了水位监视手段。因为当系统采纳全水位启动时，过热器进水，水冷壁加汽包水位的上升值将会大大的大于理论值，假如要建立起正常水循环，上升管内锅水必需汽化并引起汽水膨胀，水位上升值还要接着增加。因此必需执行低水位启动原则。5.2适当限制低水位爱护动作值的降低理论上讲，低水位爱护装置动作值取决于避开下降管抽空所必需的水头以与水位测量装置的下限。但由于下降管入口加装消旋装置，水位表计可视范围也不断扩大，爱护动作值有不断下降的趋势。降低汽包水位限制下限,其实是削减其平安裕度，增加失去水位爱护的风险。因此，对低水位爱护动作值的降低应作适当限制。保持肯定量的平安欲度，因为这个平安欲读有其存在的重要意义。首先在锅炉熄火以后由于水冷壁的产汽量下降，水冷壁管汽水混合物中含汽率下降，表现为水位收缩。一旦负荷下降含汽量削减，水冷壁贮水量必定增加，导致水位大幅度下降。其次，熄火后炉膛温度下降要有一段时间，水冷壁仍需靠炉水循环泵强制冷却或靠自然循环冷却，汽包内仍要有足够的水位。再者，在不清晰汽包内有无水的状况下，如接着进水，就要冒汽包壁受热冲击的风险，如不进水，则要冒水冷壁变形的风险。最终缺水现象原来是由于给水泵故障引起的，推迟熄火必定冒扩大事态的风险。锅炉水位限制的进展工业汽包水位限制系统的限制方法一般采纳三冲量限制，并引入计算机限制技术，改善了原来的限制方法，增进了限制品质。同时，系统测量装置也在不断的发展，好的测量装置和测量技术能大大的改善限制系统的特性。近年来，随着火力发电机组的不断增加，电站锅炉汽包水位测量误差大和启动时不能正确投入水位爱护的问题越来越突出。电站、仪器仪表生产单位与业内探讨专家对锅炉汽包水位测量问题进行了较集中的探讨，并取得了显著的成果。6.1测量装置的进展水位测量装置常见的有汽包水位内置式电极传感器，多测孔接管,汽包内置式平衡容器，高精度电极传感器，低偏差云母水位计。低偏差云母水位计比较受笔者喜爱。一般的联通管式水位计利用水位计中的水柱与汽包中的水柱在联通管处有相等的静压力，从而可用水位计中的水柱高度反映汽包中的水位。由于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内水的温度。因此，水位计中的显示值总是低于汽包内实际水位高度。低偏差云母水位计的改进思路类似于汽包水位高精度取样电极传感器，利用饱和蒸汽加热水位计的水样，再通过蒸汽冷凝后的饱和水加热和置换水位计内的水样，使水样温度接近汽包内水的温度，消退因水样温度低于汽包内温度而造成的测量误差，达到测量精确的目的。同时，用冷凝水快速置换饱和水，削减了云母片和接点污染。6.2测量方法进展软测量方法的应用。软测量技术是一种新兴技术，它依据对可测、易测过程变量与难以干脆测量的待测过程变量之间的关系，采纳各种计算方法，用软件实现对待测变量的测量或估计。依据物质平衡机理，建