论锅炉汽包水位的控制

OtisMontag

摘要：锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备，汽包液位是锅炉运行中的一个重要监控参数。本文介绍了锅炉汽包水位控制的重要性，汽包水位的动态特性，以及几种汽包水位的控制类型及方案的原理和特点。
关键词：锅炉汽包水位；冲量；液位
中图分类号：TK223.7文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2008）33（c）-0053-01
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。其要求是提供合格的蒸汽，是锅炉发汽量适应负荷的需要。为了安全生产，生产过程的各个工艺参数必须严格控制。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图（1）所示。
图（1） 图（2）
锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。锅炉对象简图如图（2）。本文作者主要对锅炉汽包水位的控制简单做一点探讨。
一、探讨控制汽包水位的意义。汽包水位是锅炉运行的重要指标，是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量[1]。若水位过低，则由于汽包内水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，如控制不及时，汽包内的水就会全部汽化，导致锅炉烧坏甚至爆炸。若水位过高，又会影响汽水分离，产生蒸汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏。所以，汽包的水位，必须严格控制在规定范围内。
二、汽包水位的动态特性。（一）、蒸汽流量对汽包水位的影响。在燃料量不变的情况下，蒸汽流量突然增加，导致汽包内压力骤然下降，汽包内水沸腾加剧，气泡增多，将水位抬高，导致虚假的水位上升。即假水位现象[2]。（二）、给水流量对水位的影响。由于给水温度比汽包内水的温度低，所以给水量变化后，使汽包中气泡含量减少，导致水位下降。
三、汽包水位的控制。（一）单冲量控制系统。汽包水位的控制系统，实际上就是维持汽包进水量和出水量平衡的系统。基于这一原理，可构成图3.1-1简单的单冲量控制系统。这种典型的单回路控制系统，在实际应用中暴露出了非常严重的问题。当蒸汽负荷突然增加，假水位现象出现时，控制器误以为水位上升而关小控制阀，使水位下降；假水位消失后，蒸汽量增加，进水量减少，水位严重下降，最后将影响安全生产。实践证明，单冲量系统的控制阀门，不是全开就是全关，导致电机频繁动作，易烧坏电机。所以，虽然该控制方案结构简单，投机小，易实现，但不能克服假水位，且存在安全隐患，不适用于大型锅炉的控制，适用于配上一些联锁报警装置的小型低压锅炉。（二）双冲量控制系统。为了克服假水位现象，在单冲量控制系统的基础上，加上一个蒸汽流量作为前馈信号，形成双冲量控制系统。如图3.2-1所示。双冲量系统实际上是前馈和反馈控制组成的复合调节系统。这里的前馈系统仅为静态前馈。
图3.1-1图3.2-1图3.3-1
根据蒸汽流量来起校正作用，可以纠正虚假水位引起的控制器误动作，改善控制品质。当假水位出现时，液位信号要关小控制阀，而蒸汽信号是开大控制阀，从而克服了假水位现象。但是，该控制方案不能及时反映给水流量对水位调节的干扰，当给水压力发生波动时，双冲量控制系统不能克服来自给水量的干扰。因而，双冲量水位控制方案可以满足负荷变化频繁的小型低压锅炉的控制要求。（三）、三冲量控制系统。双冲量控制系统有两个缺点：第一、控制阀的工作特性不一定为线性，对蒸汽负荷变化要做到静态补偿比较困难；第二、不能克服来自给水系统的扰动。所以，在双冲量控制系统的基础上，再引入给水流量信号，构成三冲量控制系统。如图3.3-1所示。由图可得，这是前馈和串级控制组成的复合调节系统。汽包水位是被控变量，是主冲量信号；蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。通过引入两个辅助冲量，使得蒸汽流量和给水流量在影响液位之前就通过控制阀开度的改变予以校正，明显提高了系统的调节精度，克服双冲量控制系统的缺点。有时也会采用简单的三冲量控制系统，如图3.3-2（a），（b）两种方案。这些简单的三冲量控制方案，可以节省一台控制器，但性能都不如3.3-1方案，特别是计算机控制的场合，这种简单控制方案更不具任何优点。
四、结语：综上所述，单冲量控制方案虽存在一定的安全隐患，但充分利用联锁报警装置后，尚能满足生产需求；双冲量控制方案，是在单冲量控制方案的基础上加以改进，投资增加不多，对于给水量波动小、负荷变化频繁的小型低压控制锅炉来讲，性价比较高，不失为一种较好的控制方案；而三冲量控制方案，对于大中型高中压锅炉来说，非常适宜，能很好地达到锅炉液位调优的目的，还能减少因电机频繁动作而烧坏电机的损失，有利于保证安全生产，综合效益显著。
作者单位：辽宁石油化工大学信息与控制工程学院
作者简介：曲艺（1985年-），男，汉族，辽宁大连市人，辽宁石油化工大学2005级自动化本科生
参考文献：
[1]陆德民.石油化工自动控制设计手册.北京.化学工业出版社.2000
[2]王树青.工业过程控制工程.北京.化学工业出版社.2003