锅炉汽包液位控制.docx

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锅炉汽包液位控制

一．发电厂简介

发电厂是将各种一次能源转变成电能的工厂。

按一次能源的不同发电厂可分为火力发电厂（以煤、石油和天然气为燃料）、水力发电厂（以水的位能作动力）、原子（核）能发电厂以及风力发电厂、地热发电厂、太阳能发电厂、潮汐发电厂等。

目前我国以火力发电厂为主，其发电量占全国总发电量的70％以上，多处大型水力发电厂正在加紧建设中，核电厂的建设也已取得了重大成绩。

下面仅对在国民经济中占重要地位的火电厂和水电厂的基本状况进行概略地介绍

1.1火力发电厂

以煤、石油或天然气作为燃料的发电厂统称为火电厂。

1.1.1火电厂的分类

⑴按燃料分类：

燃煤发电厂、燃油发电厂、燃气发电厂、余热发电厂，此外还有利用垃圾及工业废料作燃料的发电厂。

⑵按原动机分类：

凝汽式汽轮机发电厂、燃汽轮机发电厂、内燃机发电厂和蒸汽一燃汽轮机发电厂等。

⑶按供出能源分类：

凝汽式发电厂、热电厂。

⑷按发电厂总装机容量的多少分类：

小容量发电厂、中容量发电厂、大中容量发电厂、大容量发电厂、特大容量发电厂。

⑸按蒸汽压力和温度分类：

中低压发电厂、高压发电厂、超高压发电厂、亚临界压力发电厂、超临界压力发电厂，目前尚处于试验阶段。

⑹按供电范围分类：

区域性发电厂、孤立发电厂、自备发电厂。

1.1.2火电厂的生产流程及特点

火电厂的种类虽很多，但从能量转换的观点分析，其生产过程却是基本相同的，其基本生产流程为：

燃料燃烧的热能→高温高压水蒸气→机械能→电能→电力系统。

与水电厂和其他类型的电厂相比，火电厂有如下特点：

⑴火电厂布局灵洁，装机容量的大小可按需要决定。

⑵火电厂建造工期短，一般为水电厂的一半甚至更短。

一次性建造投资少，仅为水电厂的一半左右。

⑶火电厂耗煤量大，目前发电用煤约占全国煤碳总产量的25％左右，加上运煤费用和大量用水，其生产成本比水力发电要高出3～4倍。

⑷火电厂动力设备繁多，发电机组控制操作复杂，厂用电量和运行人员都多于水电厂，运行费用高。

⑸汽轮机开、停机过程时间长，耗资大，不宜作为调峰电源用。

⑹火电厂对空气和环境的污染大。

1.1.3水力发电厂

⑴水电站的类型

水电站按取得水头的方式不同可分为堤坝式、引水式和混台式；按运行方式不同可分为无调节、有调节和抽水蓄能式。

⑵水力发电的生产流程及特点

水力发电的方式很多，但其基本生产流程是相同的，即拦河建坝集中落差的水能→机械能→电能→电力系统

二．锅炉控制系统概述

2.1锅炉

锅炉是火力发电厂中主要设备之一。

它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，井将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。

电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化程度高等特点。

锅炉炉膛是燃烧燃料的场所，燃料在炉膛内燃烧，燃烧所放出的热量通过辐射传热和对流传热，被水冷壁、过热器、再热器、省煤器等受热面中的工质（水或汽）吸收，工质（水或汽）在这些换热设备中被加热成过热蒸汽，过热蒸汽经管道送至汽轮机推动的汽轮机做功，从而带动发电机发电。

因此锅炉是进行燃料燃烧、传热和使水汽化三种过程的综合装置。

锅炉中的锅是指在火上加热的撑汽水的压力容器，炉是燃料燃烧的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。

通常把燃料的燃烧、放热、排渣称为炉内过程；把工质水的流动、传热、热化学等称为锅内过程。

锅炉本体是由汽包（或锅筒）、受热面及连接管道、烟道和风道、燃烧设备、构架（包括平台和扶梯）、炉墙和除渣设备等组成的整体。

锅炉本体要能连续可靠的运行，必须要有连接的烟、风管道以及各种辅助系统及附属设备，组成所谓的锅炉机组。

锅炉机组中的辅助系统及附属设备包括：

燃烧供应系统、煤粉制备系统、给水系统、通风系统、除灰除尘系统、水处理系统、测量及控制系统等。

每个辅助系统中都配备有相应的机械设备和仪器仪表。

2.2过热器和再热器

蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽，并要求在锅炉负荷或其他工况变动时，保证过热气温的波动处在允许范围内。

提高蒸汽初压和初温可提高电厂循环热效率，但蒸汽初温的进一步提高受到金属材料耐热性能的限制。

蒸汽初压的提高随可提高循环热效率，但过热蒸汽压力的进一步提高受到汽轮机排气湿度的限制，因此为了提高循环热效率及降低排气湿度，可采用再热器。

通常，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。

过热器和再热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，而且过热器和再热器又位于高烟温区，所以管壁温度较高。

如何使过热器和再热器管能长期安全工作是过热器和再热器设计和运行中的重要问题。

在过热器和再热器的设计及运行中，应注意下列问题:

⑴运行中应保持汽温的稳定，汽温波动不应超过±（5～10）℃。

⑵过热器和再热器要有可靠的调温手段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温。

⑶尽量防止和减少平行管子之间的偏差。

2.3省煤器和空气预热器

省煤器和空气预热器通常布置在锅炉对流烟道的尾部，进入这些受热面的烟气温度已较低，因此常把这两个受热面称为尾部受热面或低温受热面。

省煤器是利用锅炉尾部烟气的热量来加热给水的一种热交换装置。

它可以降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。

在现代大型锅炉中，一般都利用汽轮机抽汽来加热给水，而且随着工质参数的提高，常采用多级给水加热器。

空气预热器不仅能吸收排烟中的热量，降低排烟温度，从而提高锅炉效率；而且由于空气中的预热，改善了燃料的着火条件，强化了燃烧过程，减少了不完全燃烧热损失，这对于燃用难着火的无烟煤及劣质煤尤为重要。

使用预热空气，可使炉膛温度提高，强化炉膛辐射热交换，使吸收同样辐射热的水冷壁受热面可以减少。

较高温度的预热空气送到制粉系统作为干燥剂，在磨制高水分的劣质煤时更为重要。

因此空气预热器也成为现代大型锅炉机组中必不可少的组成部件。

综上所述，省煤器和空气预热器的应用，主要是为了降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。

同时，也为了减少价格较贵的蒸发受热面积改善燃烧与传热效果。

锅炉控制系统流程图如图一所示

图一锅炉控制系统流程图

三．汽包水位的控制与调整

维持锅炉汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的重要条件之一。

当汽包水位过高时，由于汽包蒸汽容积和空气高度减小，蒸汽携带锅水将增加，因而整齐品质恶化，容易造成过热器积盐垢，引起管子过热损坏；同时盐垢使热阻增大，引起传热恶化，过热气温降低。

汽包严重满水时，除引起气温急剧下降外，还会造成蒸汽管道和汽轮机内的水冲击，甚至打坏汽轮机叶片。

汽包水位过低，则可能破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁。

如果出现严重缺水而又处理不当，则可能造成水冷壁爆管。

自然循环锅炉的汽包水位，一般定在汽包中心线下50～150㎜范围内，容许变动范围为±50㎜。

对于强制循环汽包锅炉，汽包的低水位限制取决于循环泵的工作，但一般来说其水位波动的幅度没有自然循环锅炉要求那样严格。

自然循环锅炉汽包的最高、最低水位，应通过热化学实验和水循环试验确定。

最高允许水位应当比临界水位稍低，以保证整齐品质；最低允许水位应不影响水循环安全。

3.1影响水位变化的主要因素

锅炉运行中，汽包水位是经常变动的。

引起水位变化的原因一是锅炉外部扰动，如负荷变化；另一个是锅炉内部扰动，如燃烧工况的改变。

出现外扰和内扰时，汽包物质平衡遭到破坏，即给水量与送气量的不平衡；或者工质状态发生变化（锅炉压力变化时，工质比体积和饱和温度随之改变），两者都能引起水位变化。

水位变化的剧烈程度随扰动量增大、扰动速度加快而增强。

3.1.1锅炉负荷

汽包水位首先取决于锅炉负荷的变动量和变化速度。

因为它不仅影响蒸发设备中水的耗量，而且还会造成压力变化，引起锅水状态改变。

例如，当锅炉负荷突然增加，压力下降时，在给水量和燃烧调整尚未作相应调节之前，汽包水位H的变化如图二所示。

图二负荷突然增大时水位变化图

从图中可以可看出：

汽包水位H开始先升高，然后再逐渐降低。

此时，若不及时增加给水，汽包水位将会急剧下降到正常水位以下，甚至出现缺水事故。

汽压下降的结果，一方面造成汽水比体积增大，水位上升；另一方面也使工质饱和温度相应降低，使蒸发管金属和锅水放出他们的蓄热量，产生所谓附加蒸发量，从而使锅水内的汽包（含汽率）数量增加，汽水混合物体积膨胀，促使水位很快上升。

这种水位暂时上升的想象通常称为虚假水位。

因为它并非表示锅炉贮水量的增加，相反，此时贮水量正在变少。

随着锅水耗量的增加，在给水量未增加和蒸汽逸出水面后，水位也将随之下降。

随着给水调整和燃烧调整的实施，汽包水位和蒸汽压力又很快恢复正常。

实际上虚假水位只有在锅炉工况变化较大，速度较快时才能明显察觉出来。

在锅炉出现熄火和安全阀起跳等情况下，虚假水位将达到很大的程度，如果处理不当就会发生水位事故。

在负荷突然增加而出现虚假水位时，一般处理应是先增加风、煤，强化燃烧，恢复汽压。

然后再适当加大给水量，以满足蒸发量的需要。

如果虚假水位严重，不加限制就会造成满水事故。

这时，可适当减少给水，待水位开始下降时，再加强给水，恢复正常水位。

3.1.2燃烧工况

在锅炉负荷和给水未变的情况下，炉内燃烧工况变动多数是由于燃烧不良，给粉不稳定引起的，燃烧工况变动不外乎燃烧加强或减弱两种情况。

当燃烧增强时，锅水汽化加强，工质体积膨胀，使水位暂时升高。

由于产汽增加，汽压升高，相应的饱和温度提高，锅水中的汽泡数量又有所减少，水位又下降。

对于单元机组，如果这时汽压不能及时调整而继续升高，由于蒸汽做工能力提高而外界符合又不变，因此汽轮机调节汽门将关小，减少进汽量，保持功率平衡，由于给水量没变，所以汽包水位又要升高。

3.2汽包水位的监视与调整

汽包水位是通过水位计来监视的，在用水位计监视水位时，还需要时刻注意蒸汽量和给水量（以及减温水量）数值之差是否在正常范围内。

此外对于可能引起水位变动的运行操作，如锅炉排污，投、停燃烧器，增开给水泵等，也需予以注意，以便根据这些工况的改变可能引起水位变化的趋势，将调整工作做在水位变化之前，从而保证运行中汽包水位的稳定。

串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象。

串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量，并利用它构成副反馈回路，对影响中间变量的干扰进行预先调节，从而改善整个系统的动态品质，主要表现在：

①对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力；②提高了系统的工作频率；③减小了对象时间常数；④对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。

串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好，显然锅炉汽包水位系统采用串级控制是比较理想的选择。

给水调整的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在允许的范围内变化。

最简单的调节办法是根据汽包水位的偏差△H来调整给水阀开度实现，在自动控制中就是采用单冲量自动调节器，单冲量控制系统（冲量一词指的是变量,单冲量即汽包液位）是采用汽包液位直接控制给水调节阀，如图三（a）所示。

它是汽包液位自动控制中最简单、最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统。

该系统结构简单、投资少、容易实现，用于小型低压锅炉。

因为这种锅炉的蒸汽负荷比较稳定，汽包的相对容积大，用户对蒸汽的要求往往不十分严格，该控制系统若再配上一些报警联锁装置,也可以满足生产要求。

（a）（b）

（c）

图三给水自动调节示意

（a）单冲量调节；（b）双冲量调节；（c）三冲量调节

1—调节系统；2—给水阀

在停留时间较短，负荷变化较大时，就不能采用单冲量液位控制系统，这是因为：

（1）负荷变化时产生的“虚假水位”将使调节器反向错位动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当闪急汽化平息下来时，会使水位严重下降，产生剧烈波动，调节的动态品质很差。

所谓闪急蒸发，简称闪蒸。

在一密闭容器中把液体混合物加热，由于液相各组分的蒸发，汽相的压力不断上高，各组分在液相的分压总是接近于他们汽相中的分压，称为平衡汽化。

若突然把容器的汽相与一低压的外界连通，汽相压力立刻降低，液体迅速沸腾，大量液体蒸发到汽相中去，便是闪急蒸发。

（2）负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动作，滞后时间太长，如果水位过程时间常数很小，偏差必然很显著。

（3）给水系统扰动时，例如给水泵压力变化，进水量立即变化，而到水位产生偏差时才使调节阀动作，同样不够及时。

所以它只能用于水容量相对较大或负荷相当稳定的锅炉上。

在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化，那么引入蒸汽流量来校正，不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时，这就构成了双冲量控制系统。

从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统构成的复合控制系统。

如图三（b）所示。

如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机,为保护设备，给水阀宜选用气开阀，当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气开阀，加法器的输出应增加。

如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护设备，给水阀宜选用气关阀，当蒸汽流量加大时给水流量亦要相应增加，此时选用气关阀，加法器的输出应减小。

为了兼顾上述两种要求，宜选带保位装置的给水阀，即事故状态该阀停在原位。

初始偏差设置的目的是：

正常负荷下，调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值，最好在正常负荷下初始偏差与前馈（蒸汽流量）项恰好抵消。

在双重量给水调节系统中，当锅炉负荷变化时，蒸汽流量信号D比水位信号H提前反应，以抵消虚假水位的不正确指挥，故双重量调节系统可用于负荷经常变动和大容量的锅炉上。

但是这种调节系统还不能反应和纠正给水方面的扰动带来的影响，例如给水压力变化所引起的给水量变化带来的影响。

双冲量控制系统有两个缺点：

（1）调节阀的工作特性不一定完全是线性，这样要做到静态补偿就比较困难；

（2）对于给水系统的扰动不能直接补偿。

并且由于锅炉汽包“虚假水位”现象的存在，为克服其造成的影响，为此将引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。

所谓“三冲量”就是有3个参数，即水位信号、给水扰动、蒸汽扰动。

完善的给水调节系统是三冲量的调节系统，如图三（c）所示。

这种系统又增加了给水量G信号。

此系统对给水量的调节，综合考虑了蒸发量与给水量相平衡的原则，又考虑了水位偏差大小的影响，所以既能够补偿虚假水位的反应，又能纠正给水量的扰动。

三冲量法具有迅速比较两个反应速度快的变量，调整其中之一即能改变汽包水位，而不要等待两个变化缓慢的变量出现偏差后才进行调整（汽包水位与其设定值之差）。

如图四所示，将蒸汽信号直接馈送到调节器，就能很好地克服“虚假水位”的影响，避免误操作。

由于前馈信号抵消了“虚假水位”引起的降低水位的操作，所以能很好地控制“虚假水位”。

图四实质是一个前馈加串级反馈的三冲量控制系统，给水流量为副回路。

根据串级控制系统选择主、副调节器的正、反作用的原则，水位调节器LC选反作用，流量调节器FC为正作用，调节阀为气关阀。

当水位由于扰动而升高时，因LC为反作用，它的输出下降，经加法器后，使FC的给定值下降而输出增加，调节阀开度减小，给水量减小，水位下降，保持在设定值上。

当蒸汽流量增加时，FC的给定值增加而输出减小，调节阀开大，水量增加，保持水、蒸汽平衡，使水位不变。

副回路克服给水自身扰动，更进一步的稳定了水位的自动控制。

图四三冲量控制系统流程图

三冲量控制系统还有其他形式，图五所示的前馈—串级控制系统形式的三冲量控制系统，是一种比较新型的接法也是目前用得较多的汽包水位三冲量控制系统。

除此之外，三冲量控制系统还有其他多种形式，如图五所示。

图五三冲量控制系统的其他形式

3.3仪表选型

3.3.1给水阀的选择问题

执行器分为气动执行器、电动执行器、液动执行器3大类。

气动执行器按其执行机构形式分为薄膜式、活塞式和长行程式。

近年来还研制了增力型薄膜调节阀。

电动和液动执行器按执行机构的运动形式分为直行程和角行程两类。

调节机构又简称阀。

阀的种类很多，根据阀的结构、用途来分、其基本形式是直通单座阀、直通双座阀、蝶阀、三通阀等。

在此基础上根据特殊用途要求，派生出波纹管密封阀、低温阀、保温夹套阀、隔膜阀、角形阀以及阀体分离阀等。

近年来，随着工业自动化装置项大型化、高性能发展，研制出许多新兴调节阀，如高温蝶阀、高压蝶阀和超高压调节阀；再发的结构方面也发展很快，出现了偏心旋转阀、套筒阀、O形球阀、V形球阀。

在特殊要求下使用的有卫生阀、低噪声阀、低压降比阀以及单座塑料阀和全钛钢调节阀等品种。

调节阀相对开度和通过阀的相对流量之间的关系称为阀的流量特性。

阀前后

压差一定时的流量特性称为理想流量特性或称固有流量特性。

阀在调节系统使用时的流量特性称为阀的工作特性或安装特性。

铭牌上发的特性是理想流量特新。

调节阀的理想流量特心有快开、线性、抛物线和对数4种，如图六所示。

但抛物线流量特性与对数流量特性较为接近，前者可用后者来代替，而快开特性有主要用于位式控制和顺序控制，因而所谓调节阀流量特性的选择，一般为线性特性和等百分比特性（对数特性）的选择。

图六理想流量特性性

1—快开；2—直线；3—抛物线；4—等百分比；5—双曲线；6—修正抛物线

从负荷变化的情况考虑，线性特性调节阀在小开度时流量相对变化大，过于灵敏，容易引起振荡，阀芯、阀座易损坏，在S值小，负荷变化幅度达时不宜采用。

等百分比特性调节阀的放大系数随阀门行程增大而增大，流量相对变化量恒定不变，因此，它对负荷波动有较强的适应性，无论在全负荷或半负荷生产时都能很好的调节，所以，在生产自动化中，等百分比特性是引用最广泛的一种。

给水阀应选择带弹簧的气动薄膜执行机构调节阀。

阀应选直通单座阀，因其阀前后压降低，适用于要求泄漏量小的场合。

关于给水调节阀的气开气关的选择，从安全角度考虑，当气源供气中断，或控制器出故障而无输出，或控制阀膜片破裂而漏气等时控制法无法正常工作，以致阀芯恢复到无能源的初始状态（气开阀恢复到全闭，气闭阀恢复到全开），应能确保生产工艺设备的安全，不致发生事故。

对于锅炉供水控制阀，为保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏，控制阀应选气闭式。

调节阀的流量特性应选等百分比特性。

3.3.2控制器正反作用的选择

对于液位控制器，阀气闭为

，变送器为⊕，对于研究对象当控制信号增大时液位将相应减小，故为

，液位控制器LC为⊕，为反作用。

对于流量控制器，阀气闭为

，变送器为⊕，当控制信号增大时给水流量将相应增大，故为⊕，流量控制器为

，为正作用。

3.3.3变送器的选择

串级控制系统在抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量方面有较好的性能,因此在复杂的工业过程

控制中得到了广泛的应用.