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汽包水位调节工作原理

汽包水位调节工作原理

田子建曹朝辉

（宝钛集团有限公司实验中心，陕西宝鸡，721014）

  摘要：

介绍汽包水位在锅炉运行中的重要作用，阐述汽包水位变化的动态特性，和水位的控制方案及选择，并着重介绍了三冲量给水控制系统的原理和调节过程和三冲量给水控制系统的应用效果。

  关键词：

汽包水位；扰动；流量；三冲量；负荷；调节

   0引言

   锅炉是动力部门保障冶炼工业生产以及取暖不可缺少的重要动力设备。

因原有锅炉控制系统老化，不能满足生产要求，改造迫在眉睫。

其中，汽包是锅炉的重要组成部分，汽包液位直接影响锅炉运行的安全性与经济性，是锅炉运行的一个重要的指标和监控参数。

它反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，无论过高或过低都会引起极为严重的后果。

因此，在这次10t炉改造中，要求对它的控制必须是及时、准确、有效。

   1液位的动态特性

   由于锅炉是一个多输入、多输出、多回路、非线性的、相互关联的复杂控制系统，汽包液位控制与给水控制、蒸汽压力控制、送风控制、炉膛负压控制等有关。

汽包水位在外界扰动作用下的变化过程与蒸汽流量D、补充给水量W、补充水温T、炉膛热负荷（燃料量M）、汽包蒸汽压力PD等参数有关。

其中，影响作用较大的主要是蒸汽流量D、炉膛热负荷（燃料量M）、补充给水量W。

   1.1蒸汽流量D扰动作用下水位H的动态特性

   当给水流量不变，蒸发量忽然增加△D时，水位变化的阶越响应曲线曲线如图1所示。

由物料平衡原理得出水位变化曲线如H1所示，而由于“假水位现象”导致的水位变化如曲线H2所示，而整体水位H的变化则为二者的叠加，即H=H1+H2其变化如曲线H所示。

从图1可以看出，在水位变化的初始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，过一段时间后才开始下降（反之，当蒸发量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。

   1.2炉膛热负荷（燃料量M）扰动作用下水位H的动态特性

   燃料增加△M时，蒸发量大于给水量，水位下降。

但开始由于蒸发量过大，压力变小，沸点降低，产生大量气泡，造成液位上升，即由于“假水位现象”的存在，水位H线上升，然后再下降，变化曲线如图2所示。

   1.3给水流量W扰动作用下水位H的动态特性

   当蒸发量不变，而给水流量阶跃扰动时，汽包水位如图3所示。

若为常规单容无自衡对象而言，其水位响应曲线如H1，对锅炉汽包而言，由于刚进的给水温度大大低于汽包内的饱和水的温度，所以给水量增加后，汽包内的水温必然随之下降，导致水中气泡含量少、体积下降，引起水位下降。

实际的水位响应曲线如图H所示，即突然加大给水量，水位不立即增加，而呈现一段起始惯性段。

   2汽包水位的控制方案

   汽包水位的控制是自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，使汽包液位保持在工艺允许的范围内。

汽包液位控制分为三种：

单冲量控制、双冲量控制和三冲量控制。

   2.1单冲量控制系统

   控制汽包水位时以给水量为操作变量，组成原理如图4所示的单冲量控制系统，单冲量即汽包水位。

此系统在蒸发量小时，水在汽包内停留时间较长，“假水位现象”不显著，能够满足生产的要求；在蒸发量相当大，蒸汽负荷突然增加时，“假水位现象”十分明显，调节器收到错误的“假水位”信号，不但不开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而关小调节阀的开度，减少给水量。

这种误动作严重时会使汽包水位降到危险程度以至发现事故。

因此，单冲量系统不能胜任大中型锅炉大蒸发量，水位得不到保证。

   2.2双冲量控制系统

   在单冲量控制系统的基础上适当引入了对蒸汽流量的测量，用来减弱“假水位”引起的调节器误动作，系统原理图如图5所示。

由图知，这是一个前馈与单回路的复合控制系统。

将测量出蒸汽负荷的大小，根据物料平衡原理，只要给水量与蒸发量相等，水位将保持不变，从而克服“假水位”的影响。

这样利用前馈控制负荷扰动和反馈控制来克服其他的扰动因素的设计思路不仅能消弱调节器的误动作，还能使调节阀动作给水、水位波动减弱，起到改善控制品质的作用。

但是，此系统只是消弱了由“假水位”引起的调节器误动作，并没有消弱“假水位现象”，同时由于负荷扰动引起的水位变化速度比给水变化引起的水位变化速度要快的多，所以，此系统调节也会产生较大的水位波动。

   2.3三冲量控制

   在双冲量方案的基础上引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，将引入的汽包液位、蒸汽流量、和给水流量三个信号经过一定的运算后，共同控制一只控制阀（给水阀）。

原理如图6所示。

由图知，这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。

串级系统的主回路直接控制水位，用于抑制除负荷扰动之外的其他扰动，副回路是流量随动系统，与蒸汽量流量的静态前馈系统一切抑制负荷扰动。

当蒸汽流量变化时，引入蒸汽流量信号及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并有效克服由于锅炉汽包“假水位”引起的调节器误动作；引入给水流量信号是将给水流量作为副变量，利用串级系统中副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响，即控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量完成粗调，然后再由汽包水位调节器完成水位的细调。

  2.4控制方案的选择

   相比较，三冲量系统能够自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，使汽包液位水位保持在工艺允许的范围内，能够比较全面、准确地完成控制任务，因此我们在10t锅炉改造中采用此种方案来控制。

   3系统实现

   具体的控制框图如下图7所示。

先通过蒸汽流量变送器和给水流量变送器取得的信号乘以相应的比例系数，通过比例系数可以调节蒸汽流量或给水流量信号对调节系统的影响力度。

通过差压变送器取得的水位信号作为主调节信号H。

如果水位设定值为G，那么在平衡条件下应有D×KDW×KW＋H－G＝0的关系式存在。

其中，KD为蒸汽流量系数，KW为给水流量系数。

当稳态时，调节器的输出符合对应，给水阀停在某一位置上。

若有一个或多个信号发生变化，平衡状态被破坏，调节器的输出必定发生变化。

当水位升高了，则调节器的输出信号就减小，使给水阀关小。

反之，当水位降低时，调节器的输出值增大，使给水阀开大。

同时采用水位视频仪实时监控，真实反映水位变化情况；采用微机式无纸记录仪记录水位变化曲线，以便存档。

三冲量给水调节系统自动调节，使汽包液位水位保持稳定，且给水阀动作平稳。

   4结束语

   经过实践证明，三冲量给水调节系统能够自动调节给水流量跟踪锅炉的蒸发量，可使汽包液位水位保持稳定，且给水阀动作平稳，能及时地反映汽包的工作状态，同时保证了锅炉的安全工作，因而得到了广泛的好评。

   参考文献

   [1]李友善.自动控制原理[M].北京：

国防工业出版社，1998．

   [2]孟华.工业过程检测与控制[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2002．

   [3]张宏建.自动检测技术与装置[M].北京：

化学工业出版社，2004．

   [4]朱传标.工业锅炉技术基础[M].上海：

上海远东出版社，1996．

   [5]丁立新.电厂锅炉原理[M].北京：

中国电力出版社，2006．

   [6]邢培生.锅炉设备运行及事故处理[M].北京：

化学工业出版社，2006．

   作者简介

   田子建男，1972年出生，工程硕士，毕业于西北工业大学自动化学院，宝钛集团有限公司实验中心，高级工程师。

一、前言

   华能福州电厂Ⅰ期2×35OMW采用115OT/H三菱一CE单汽包辐射再热控制循环露天锅炉。

经过DCS改造采用了软操调节，汽包水位保护已投入运行，给运行人员调节水位带来一定难度，有必要对汽包水位调节进行探讨。

二、汽包结构特点

   汽包内设有涡轮分离器，波形板干燥器，给水内管等部件，其特点是便于汽水分离及干燥蒸汽。

汽包几何中心线下305MM规定为"0"水位;正常水位控制在±50MM，报警水位为±100，超过±200出现振铃报警，水位达±300MM且延时90S后锅炉MFT动作。

三、汽包水位调节原理

3.1汽包锅炉给水自动控制的任务是维持汽包水位在一定的范围内变化。

汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。

维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。

3.2汽包水位被控对象的扰动有四个来源，包括给水量方面的扰动为内部扰动;其余的如蒸汽负荷的扰动、燃料量的变化及汽包压力的变化等为外部扰动。

其中尤以给水扰动、汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重。

3.3下面就给水三冲量调节系统的组态图进行简要说明:

   在给水调节过程中可分为单冲量和三冲量两种方式，下面主要以三冲量调节进行简要的分析。

   由于蒸汽流量和燃料量的变化是经常产生的外部扰动，并且是产生"虚假水位"的根源，所以在给水控制系统里常常引入蒸汽流量、燃料量信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。

如上图所示，三冲量的调节回路中主要包含有主调节器TPI及付调节器TPI，付调节器一般用比例规律的。

主调节器接受水位信号作为主控信号去控制副调节器。

副调节器除接受主调节器信号外，还接受给水量反馈信号和蒸汽流量信号，组成一个三冲量的串级控制系统，其中副调节器的作用主要是通过内回路进行蒸汽流量和给水流量的比值调节，并快速消除来自给水侧的扰动。

而主调节器主要是通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在给定值。

   当负荷变化而出现"虚假水位"时，由于采用了蒸汽流量信号，就有一个使给水量与负荷同方向变化的信号，从而减少了由于"虚假水位"现象而使给水量向与负荷相反方向变化的趋势，从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。

四、运行中的调节

   汽包水位监视和调节是燃烧调节的一个重要指标。

尤其在开、停机及事故处理中监视和调节汽包水位是保证锅炉正常运行的重要因素。

4.1首先应了解虚假水位，比如燃烧率增加，锅炉汽水混合物中汽泡容积增加，使水位上升，此时蒸发量也随之增加，加上汽压上升，部分汽泡又凝结成水，水位将会下降，即水位先上升后下降，造成虚假水位。

这时水位调节不仅要考虑汽包水位信号，还应考虑三冲量信号即汽包水位、蒸汽流量、给水流量。

   正常运行中的给水泵根据三冲量信号进行自动调节，说明就已经考虑到了虚假水位的因素。

4.2汽包水位变化是由于给水流量和蒸汽流量不平衡造成的，即进、出汽包的流量偏差造成的，影响汽包水位变化的因素有汽压、燃烧率大幅度变化，排污，安全门动作，高/低旁动作，锅炉受热面泄漏等。

4.3机组启动及正常运行时的调节

4.3.1启动初期，由于蒸气流量很小，甚至几乎为零。

此时应根据汽包水位变化调节给水流量。

启动过程炉水温度逐渐上升，炉水逐渐膨胀，汽包水位也逐渐上升，因此点火前汽包应保持低水位运行。

投、退重油枪，开高低旁时应注意虚假水位。

随着负荷增加，汽泵投入运行，汽泵根据三冲量信号调节，由于这一阶段操作频繁，工况相对不稳定，水位波动比较大，加上负荷低，给水流量偏低，一般将汽泵切手动调节，但要根据蒸汽流量=（给水流量+过热减温水流量），即以三冲量信号控制水位。

五段抽汽投入时，汽泵可能因蒸汽压力上升，出力增大，汽包水位上升，应注意。

正常运行时，小机辅汽退出时两台小机调节油压各上升约3Kpa。

因此小机辅汽退出时应缓慢进行，否则将会引起汽包水位波动。

4.3.2高负荷及正常运行时，两台汽泵根据三冲量指令"自动"调节汽包水位，需要切"手动"控制时，应根据蒸汽流量=（给水流量+80T/H）这一原则。

4.4故障时的水位调节

   一般情况下，小机调速油压<1.lkg时将不出水，油压>1.4kg时将带满负荷，手动调节时应控制在这一范围内，当然各台汽泵特性不同应以其静态曲线为准。

水位波动比较大时，用"增"、"减"键将跟不上，建议用改变油压设定值来调节油压。

下面就几种常见的现象进行分析:

4.4.1降负荷至175MW以下运行时，由于给水流量低，出现外界扰动比如投、退给煤机，锅炉定排等情况引起汽包水位波动，两台汽泵抢水，造成两台汽泵再循环门频繁动作，可分为以下两种处理方法:

4.4.1.1当一台汽泵再循环门关，流量250T/H左右时，将其切"手动"，让另一台汽泵"自动"调节。

   汇报值长，要求多带上2OMW负荷，待水位稳定后，调节两台汽泵平衡后投"自动"运行。

4.4.1.2启动电泵，保持2OOT/H流量，将再循环门已开启的汽泵切"手动"降低转速至1800r/m暖机状态，另一台汽泵根据三冲量信号自动调节。

汇报值长，要求多带2OMW,待水位稳定将电泵负荷移至汽泵后停电泵，两台汽泵平衡后投"自动"运行。

4.4.2高负荷运行时，由于切换磨煤机或煤质量突变或安全门动作等原因引起水位波动，立即启动电泵，保持1OOT/H流量，将汽泵切为"手动"方式，根据蒸汽流量=（给水流量+80T/H）进行调节，根据需要增加电泵流量，待水位稳定后，将汽泵投"自动"，逐渐减少电泵负荷至l00T/H后停卜电泵运行。

4.4.3由于运行的给煤机跳闸、炉膛大量掉渣等原因引起水位波动时，水位自动调节将不正常，立即切"手动"方式控制;根据蒸汽流量=（给水流量+80T/H）原则进行手动调节，必要时可启动电泵加以辅助调节。

4.4.4当出现下列情况时汽动给水泵转速控制将由"自动"切为"手动"，△L:

同一侧水位变送器之差≥17%△F：

蒸汽流量与（给水流量+减温水量）之差≥2OOT/H小机转速＞6200rpm此时，OT出现相应的软报警，△L≥17%时还会发出"双重变送器异常"和"汽包水位异常"硬报警，立即根据蒸汽流量=（给水流量×lOOT/H）原则进行手动调节，查明原因通知检修处理。

小机转速>6200rpm时，立即启动电泵加以辅助调节，并汇报值长，要求少带2OMW负荷。

迅速查明原因并进行相应处理。

4.4.5需要将小机切手动调节就是因为汽包水位波动大，小机转速与调速油压出现大幅度波动。

需要记住给水流量与负荷、小机转速、调速油压的对应关系。

在某一负荷点因汽包水位波动大需要将小机切手动调节时，只需用"设定"方法将小机调速油压设定为某一对应值，小机转速将逐渐稳定在某一范围内，小机流量也逐渐稳定在正常值。

若此时汽包水位存在偏差，只需微调即可。

水位至零时再将小机调速油压投“自动”。

4.4.6启动电泵开大出口大、小阀时，当电泵电流达250A时应暂停，此时流量将继续上升，电泵电流将达300A。

之后再循环门关闭，电泵电流、流量下降，可根据实际需要调节出口大、小阀。

4.4.7当小机切手动后，若小机转速小于370Orpm，则"启动完成"灯灭，小机无法投自动。

只有小机出口压力大于给水母管压力的0.833倍后，小机才允许投"自动"。

五、建议

5.1在给水泵再循环门上装PID调节器（参考Ⅱ期），避免因其全开、全关对给水流量造成太大扰动。

   取消延时时间，提前参与调节，既保证汽泵安全运行，也使汽包水位稳定，

5.2试验以确认小机的最大安全运行流量和最大安全运行转速，以免因再循环门内漏或阻力增加时，因小机超出力而被迫降负荷。

六、结束语

   总之，调节汽包水位的方法很多，但原则一样。

正常运行根据三冲量信号自动调节;手动调节时根据蒸汽流量=（给水流量+80T/H）这一原则。

从安全方面考虑，必要时可启动电泵加以辅助调节。

            F-2008-2