浅谈蒸汽锅炉汽包液位自动控制

浅谈蒸汽锅炉汽包液位自动控制
王贇
锅炉计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。
一、控制的目的及意义
作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉是一个较为复杂的调节对象，它不仅调节量多，而且各种量之间相互联系，相互影响，相互制约，锅炉内部的能量转换机理比较复杂，所以要对锅炉建立一个较为理想的数学模型比较困难。为此，把锅炉系统作了简化处理，化分为三个相对独立的调节系统。其主要是以下三个部分：炉膛负压为主调量的特殊燃烧自动调节系统，锅炉水位调节单元，除氧器压力和水位调节。
给水控制系统的任务是维持汽包水位在允许范围内。它以汽包水位为被控制量，以调节给水流量作为手段。由于汽包水位同时受锅炉侧和轮机侧的影响，因此当锅炉负荷变化或用汽量变化时，给水控制系统都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。
以上控制系统一般由PLC或其它硬件系统完成控制，而在上位计算机中要完成以下功能：
实时准确检测锅炉的运行参数：为全面掌握整个系统的运行工况，监控系统将实时监测并采集锅炉有关的工艺参数、电气参数、以及设备的运行状态等。系统具有丰富的图形库，通过组态可将锅炉的设备图形连同相关的运行参数显示在画面上；除此之外，还能将参数以列表或分组等形式显示出来。
综合分析及时发出控制指令：监控系统根据监测到的锅炉运行数据，按照设定好的控制策略，发出控制指令，调节锅炉系统设备的运行，从而保证锅炉高效、可靠运行。
诊断故障与报警管理：主控中心可以显示、管理、传送锅炉运行的各种报警信号，从而使锅炉的安全防爆、安全运行等级大大的提高。为保证锅炉系统安全、可靠地运行，监控系统将根据所监测的参数进行故障诊断，一旦发生故障，监控系统将及时在操作员屏幕上显示报警点。报警相关的显示功能使用户定义的显示画面与每个点联系起来，这样，当报警发生时，操作员可立即访问该报警点的详细信息和按照所推荐采取的应急措施进行处理。
历史记录运行参数：监控系统的实时数据库将维护锅炉运行参数的历史记录，另外监控系统还设有专门的报警事件日志，用以记录报警事件信息和操作员的变化等。历史记录的数据根据操作人员的要求，系统可以显示为瞬时值，也可以为某一段时间内的平均值。历史记录的数据可有多种显示方式，例如曲线、特定图形、报表等显示方式；此外历史记录的数据还可以由以网络为基础的多种应用软件所应用。
计算运行参数：锅炉运行的某些运行参数不能够直接测量，如年运行负荷量、蒸汽耗量、补水量、冷凝水返回量、设备的累积运行时间等。监控系统提供了丰富的标准处理算法，根据所测得的运行参数，将这些导出量计算出来。
二、汽包水位被控对象的动态特性
汽包的流入量（即给水量）W由给水调节机构调节，而流出量（即蒸汽用汽量）D由蒸汽流量调节阀来调节。与单容水箱不同，汽包水位H不仅反映了流入量和流出量间的平衡关系，而且还受到液面下汽包体积的影响。因为在水循环系统中充满着带有大量蒸汽汽泡的水，由于某种原因使蒸汽汽泡的体积发生变化，即使汽包的流入量和流出量君没有发生变化，水位也会改变。而汽泡的体积受汽包压力和炉膛负荷的影响。因此作为一个调节对象，其扰动主要有如下三个：给水量W，它是调节系统的调节量，即基本扰动；蒸汽量；燃料量。
1.给水流量扰动下汽包水位的动态特征
在给水流量阶跃变化时，如果仅仅考虑流入量和流出量的不平衡关系，则它相当于一个积分环节。但由于给水温度低于汽包内的饱和水温度，当“冷”的给水进入汽包后，吸收了原有的饱和水中的一部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，液面下的汽包体积减小，使水位下降。单考虑这个因数，相当于一个惯性环节。实际水位它是一个无自平衡能力的对象。
2.蒸汽流量扰动下汽包水位的动态特性
在蒸汽流量的阶跃扰动下，单从汽包流入量和流出量的平衡关系来考虑，流出量D的阶跃增加将使水位之下下降。但D的增加，使汽包压力下降，液面下汽包膨胀，汽包体积的增大将使水位升高。实际水位变化为上述这两种作用的和。
当蒸汽流量突然增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在开始的一段时间内，水位不仅不下降，反而迅速上升。这种现象称为“虚假水位”。虚假水位是由于汽包出口蒸汽流量突然增加导致汽包蒸汽空间的压力突然下降，水空间中的汽泡容积很快增加而形成的。当水面下汽泡的容积与负荷相适应而达到稳定状态后，水位就主要随给水量和用汽量的不平衡而下降。虚假水位的变化与锅炉的汽压和蒸发量变化的大小有关，而与给水流量无关。
三、控制方案的确定
给水控制系统常采用三冲量系统。所谓三冲量，是指主蒸汽流量（汽包出口流量）、汽包水位和给水流量这三个信号，其中主蒸汽流量信号反映了用汽量对水位的影响。由于大型锅炉存在严重的“虚假水位”现象，在设计给水自动控制系统时必须予以考虑。给水控制系统有多种不同的设计方案。常用的系统有单级三冲量给水控制系统（前馈—反馈控制系统）和串级三冲量控制系统。
四、系统运行状况
在系统的自动控制设备运行过程当中，内环给水流量变送器最先将流量状态参数输送到调节器，在与设定值相比较之后由调节器将调节命令传输给执行机构，这样执行机构调节电磁阀的开度控制给水流量，最先消除给水流量扰动带来的系统不平衡。接着处理由蒸汽流量变送器传输的蒸汽流量扰动信号，在影响汽包水位变化前调节电磁阀开度，消除由蒸汽流量扰动引起的系统不平衡。最后接收到液位测量仪表的测量信号，与汽包水位允许波动范围值相比较，由调节器作出相应处理反映，调节电磁阀以实现汽包水位在允许波动值范围内。
通过这三冲量信号的叠加、综合输入，避免了控制措施在时间上的延迟和出现虚假水位现象时的反向控制，可以基本实现汽包水位的自动控制。在控制过程当中优先级最高的就是对给水流量扰动的控制，它可以对给水流量扰动信号快速作出反应。
系统在运行时，还有指示仪表、自动报警器等设备为其服务，实现最直观、最敏感控制过程。在控制系过程出现故障时还可以依据显示仪表的测量值，通过手动调节来保证系统的安全运行。
参考文献
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[3].张治江主编.供热通风与空调工程设计资料大全.长春：吉林科学技术出版社，1996.7
[4].图集编绘组编.建筑设备设计施工图集-锅炉、供热、保温、水处理工程.北京：中国建筑工业出版社，2001.1