對鍋爐汽包水位控制的分析

1、對鍋爐汽包水位控制的分析朱李超 （上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海200072）摘要：鍋爐控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜，龐大，多變量，耦合的系統(tǒng)。通常的設(shè)計方法是在可能的情況下將系統(tǒng)劃分為幾個獨立的控制區(qū)域，并分別對各個區(qū)域進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。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，特點以及控制方法,并對控制方法作簡單的分析。關(guān)鍵詞：汽包水位控制 The analysis of boiler drum water level control ZHU Li-chao（School of Electrical Engineering and Automation,Shanghai Univ

2、ersity,Shanghai 200072,China ）Abstract : Boiler control system is a complex, large, multi-variable coupled system. The usual design approach is dividing the system into several independent control areas in the case of possible, and then design each region separately . This paper makes a brief introd

3、uction about the structure, principle, characteristics and control methods that used in the system of drum boiler water level control system.It also makes a simple analysis about the control methods.Key words: Drum water level control1 概述1.1 鍋爐系統(tǒng)的簡介 作為工業(yè)生產(chǎn)自動化控制中的一個重要的組成部分，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，對鍋爐系統(tǒng)

4、的分析也有著非常實際的意義。鍋爐系統(tǒng)是一個復(fù)雜的被控裝置，其控制過程是一個多變量、非線性、帶時延的復(fù)雜對象。它有多個被控變量和調(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)。因為只有這樣，在鍋爐受到某一擾動后，系統(tǒng)才能同時協(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，不容易實現(xiàn)。所以在進(jìn)行鍋爐控制系統(tǒng)的設(shè)計時，通常將整個復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為幾個相對獨立的控制區(qū)域，再針對各個區(qū)域的特點分別進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。如可將整個鍋爐控制系統(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簡單的分析與比較。1

5、.2 汽包水位控制簡介鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中的重要設(shè)備，在鍋爐的正常運行中，汽包水位是其重要的工藝指標(biāo)，同時也是鍋爐能夠提供符合質(zhì)量要求的蒸汽的必要條件。如果汽包水位過低，則汽包內(nèi)的水量較少，在蒸汽復(fù)合很大時，水的汽化速度和水量變化速度都很快，如果不及時控制，可能會導(dǎo)致汽包內(nèi)的水全部汽化，引起鍋爐損壞或是爆炸。相反，如果汽包水位過高，汽水將較難分離，產(chǎn)生蒸汽帶夜現(xiàn)象，使過熱器管壁結(jié)構(gòu)而損壞，同時還可能損壞汽輪機(jī)葉片。因此無論是汽包水位過高或是過低都將對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允許的范圍。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

6、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)定的工藝范圍之內(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)成一個鍋爐汽包水位的控制系統(tǒng)。2.2控制過程出現(xiàn)的難點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，會導(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，會導(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

7、是指在給水量突然增加的時，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，使在一段時間內(nèi)由給水引起的水位增高的趨勢和呦汽化程度引起的水位下降的趨勢基本相等，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)荷對水位的影響蒸汽流量對水位的影響屬于干擾通道的動態(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，由于假水位的現(xiàn)象，在開始階段液位不僅不會下降，反而先上升，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后上升）。假設(shè)實際水位的變化為，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。那

8、么 蒸汽負(fù)荷增加時系統(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.1 Interference under the response curve 3.2 給水流量對液位的影響給水流量對液位的影響屬于控制通道的動態(tài)特性。在給水量發(fā)生變化時將會引起上文所述的等效滯后現(xiàn)象。假設(shè)汽包和給水為一個理想的單容無自橫對象，那么液位的響應(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，響應(yīng)曲線會在一開始時不立即增加，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段，即系統(tǒng)存在一個純滯后時間t，液位響應(yīng)曲線如圖2中的。給水流量增加時系統(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.2

9、Water level under the response curve4 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)。其控制手段是通過控制給水量來通過典型的單回路控制系統(tǒng)來實現(xiàn)蒸汽流量的控制。這種系統(tǒng)的有點是結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方面，缺點是克服給水自發(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)閥的開度，增加給水量，反而會減小調(diào)節(jié)閥的開度，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。特別是在大中

10、型的鍋爐控制系統(tǒng)中，這種控制方案將會在“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，從而影響整個控制系統(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。3 Single-impulse water level control system structure diagram and schematic diagram4.2 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)蒸汽流量的變化來校正虛假水位的誤動作，就能使調(diào)節(jié)閥動作準(zhǔn)確及時，減少水位的波動，改善控制質(zhì)量。因此可以將蒸汽流

11、量作為一個前饋信號，和給水量構(gòu)成一個前饋反饋復(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，消除但沖量系統(tǒng)的缺陷。因此該系統(tǒng)不但能及時克服給水壓力干擾，還能實現(xiàn)對蒸汽負(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)不能及時反應(yīng)給水方面的擾動，當(dāng)給水發(fā)生變化，引起純滯后現(xiàn)象時，系統(tǒng)要等到氣泡水位變化時才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，滯后時間比較長。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)

12、構(gòu)圖和原理框圖Fig。4 Double-impulse level control system structure diagram and schematic diagram在工業(yè)設(shè)計中可以通過以上的原理圖進(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、副兩個調(diào)節(jié)器和三個沖量（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。三沖量水位控制系統(tǒng)是一個前饋反饋串級控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：當(dāng)蒸汽流量變化時，它早于水位偏差進(jìn)行前饋控制，能及時的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的給水流量，以跟蹤蒸汽流量的

13、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，抑制水位的動態(tài)偏差；當(dāng)蒸汽流量不變時，由給水流量作為副被控量構(gòu)成副回路，可及時消除給水流量的自身干擾。汽包水位是主被控量，在動態(tài)過程中，它根據(jù)水位偏差調(diào)整給水流量的設(shè)定值，穩(wěn)態(tài)時它可以使汽包水位等于設(shè)定值。由此可見，三沖量前饋反饋串級控制系統(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。5 Three impulse water level control system

14、 structure diagram and schematic diagram汽包水位三沖量串級控制方案可以基于非線性PID控制器進(jìn)行設(shè)計。在串級控制中,內(nèi)回路采用P控制以快速消除給水?dāng)_動,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。該控制策略結(jié)構(gòu)和算法簡單,相對于常規(guī)串級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和給水流量擾動,且在對象參數(shù)變化較大時仍能獲得穩(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，可用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。下表將對這三種控制系統(tǒng)一列表的形式作一個簡單的比較，更加直

15、觀的反應(yīng)出三種控制系統(tǒng)的特點。 表1 三種控制系統(tǒng)的特點比Tab.1 Comparing the characteristics of three kinds of control systems控制系統(tǒng)名稱適用場合系統(tǒng)形式對“虛假”水位是否有抑制對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 合單回路控制系統(tǒng)無 無經(jīng)濟(jì)雙沖量控制系統(tǒng)鍋爐容積較小,給水壓力波動不大的場合前饋-反饋控制系統(tǒng) 有 無較經(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合前饋-反饋串級控制系統(tǒng) 有 有相對較貴從表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)用場合中，

16、在一定的經(jīng)濟(jì)條件下都會采用三沖量控制系統(tǒng)。5.汽包水位控制中應(yīng)注意的問題5.1 汽包必須執(zhí)行低水位啟動原則如果汽包水位控制系統(tǒng)采用全充水啟動，那么系統(tǒng)就失去了水位監(jiān)視手段。因為當(dāng)系統(tǒng)采用全水位啟動時，過熱器進(jìn)水，水冷壁加汽包水位的上升值將會大大的大于理論值，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)行低水位啟動原則。5.2 適當(dāng)控制低水位保護(hù)動作值的降低理論上講，低水位保護(hù)裝置動作值取決于避免下降管抽空所必須的水頭以及水位測量裝置的下限。但由于下降管入口加裝消旋裝置，水位表計可視范圍也不斷擴(kuò)大，保護(hù)動作值有不斷下降的趨勢。降低汽包水位控制下限

17、,其實是減少其安全裕度，增加失去水位保護(hù)的風(fēng)險。因此，對低水位保護(hù)動作值的降低應(yīng)作適當(dāng)控制。保持一定量的安全欲度，因為這個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，如不進(jìn)水，則要冒水冷壁變形的風(fēng)險。最后缺水現(xiàn)象本來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。6.

18、 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，并引入計算機(jī)控制技術(shù)，改善了原來的控制方法，增進(jìn)了控制品質(zhì)。同時，系統(tǒng)測量裝置也在不斷的發(fā)展，好的測量裝置和測量技術(shù)能大大的改善控制系統(tǒng)的特性。近年來，隨著火力發(fā)電機(jī)組的不斷增加，電站鍋爐汽包水位測量誤差大和啟動時不能正確投入水位保護(hù)的問題越來越突出。電站、儀器儀表生產(chǎn)單位及業(yè)內(nèi)研究專家對鍋爐汽包水位測量問題進(jìn)行了較集中的研究，并取得了顯著的成果。6.1 測量裝置的進(jìn)展水位測量裝置常見的有汽包水位內(nèi)置式電極傳感器，多測孔接管,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。低偏差云母水位計比較受筆者喜歡。一般的聯(lián)通管

19、式水位計利用水位計中的水柱與汽包中的水柱在聯(lián)通管處有相等的靜壓力，從而可用水位計中的水柱高度反映汽包中的水位。由于水位計管內(nèi)的水柱溫度總是低于汽包內(nèi)水的溫度。因此，水位計中的顯示值總是低于汽包內(nèi)實際水位高度。低偏差云母水位計的改進(jìn)思路類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的水樣，再通過蒸汽冷凝后的飽和水加熱和置換水位計內(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)溫度而造成的測量誤差，達(dá)到測量準(zhǔn)確的目的。同時，用冷凝水快速置換飽和水，減少了云母片和接點污染。6.2 測量方法進(jìn)展 軟測量方法的應(yīng)用。軟測量技術(shù)是一種新興技術(shù)，它依據(jù)對可測、易測過程變量與難以直接測量的待測過程變量之間的關(guān)系，采用各種計算方法，用軟件實現(xiàn)對待測變量的測量或估計。根據(jù)物質(zhì)平衡機(jī)理，