对锅炉汽包水位控制的分析

对锅炉汽包水位控制的分析朱李超（上海大学机电工程与自动化学院上海200072）摘要：锅炉控制系统是一个复杂，庞大，多变量，耦合的系统。通常的设计方法是在可能的情况下将系统划分为几个独立的控制区域，并分别对各个区域进行控制系统的设计。本文主要阐述了锅炉控制系统中汽包水位控制的结构，原理，特点以及控制方法,并对控制方法作简单的分析。关键词：汽包水位控制TheanalysisofboilerdrumwaterlevelcontrolZHULi-chao（SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China）Abstract:Boilercontrolsystemisacomplex,large,multi-variablecoupledsystem.Theusualdesignapproachisdividingthesystemintoseveralindependentcontrolareasinthecaseofpossible,andthendesigneachregionseparately.Thispapermakesabriefintroductionaboutthestructure,principle,characteristicsandcontrolmethodsthatusedinthesystemofdrumboilerwaterlevelcontrolsystem.Italsomakesasimpleanalysisaboutthecontrolmethods.Keywords:Drumwaterlevelcontrol1概述1.1锅炉系统的简介作为工业生产自动化控制中的一个重要的组成部分，锅炉控制系统在工业生产中有着非常广泛的应用，对锅炉系统的分析也有着非常实际的意义。锅炉系统是一个复杂的被控装置，其控制过程是一个多变量、非线性、带时延的复杂对象。它有多个被控变量和调节变量，并且相互之间存在耦合。于是，理想的锅炉控制系统应该是多回路的调节系统。因为只有这样，在锅炉受到某一扰动后，系统才能同时协调作用，改变其调节量，使被控量达到一定的要求。但是，这种控制系统相当的复杂，不容易实现。所以在进行锅炉控制系统的设计时，通常将整个复杂的系统划分为几个相对独立的控制区域，再针对各个区域的特点分别进行控制系统的设计。如可将整个锅炉控制系统分为汽包水位控制，蒸汽温度控制，锅炉燃烧控制等。本文主要就汽包水位控制的原理和方法作一个简单的分析与比较。1.2汽包水位控制简介锅炉是工业生产过程当中的重要设备，在锅炉的正常运行中，汽包水位是其重要的工艺指标，同时也是锅炉能够提供符合质量要求的蒸汽的必要条件。如果汽包水位过低，则汽包内的水量较少，在蒸汽复合很大时，水的汽化速度和水量变化速度都很快，如果不及时控制，可能会导致汽包内的水全部汽化，引起锅炉损坏或是爆炸。相反，如果汽包水位过高，汽水将较难分离，产生蒸汽带夜现象，使过热器管壁结构而损坏，同时还可能损坏汽轮机叶片。因此无论是汽包水位过高或是过低都将对锅炉控制的安全性和经济型构成威胁，于是汽包水位必须控制在一个允许的范围。2汽包水位控制系统的控制任务2.1主要控制任务锅炉汽包水位控制的主要任务是使给水量能适应蒸汽量的需要，并保持汽包水位在规定的工艺范围之内。引起汽包水位变化的主要因素是蒸汽用量和给水量。由于蒸汽用量是负荷，因此可以选择给水量作为控制参数，汽包液位是被控参数，由此可以构成一个锅炉汽包水位的控制系统。2.2控制过程出现的难点2.2.1“虚假”水位现象所谓“虚假”水位现象就是在蒸汽负荷突然增加时，会导致汽包内的蒸汽压力下降，使水的沸腾加剧，气泡迅速增加，由于气泡的体积比同重量的水的体积大得多，结果形成了汽包内水位升高的假象。相反，当蒸汽符合突然减少时，会导致汽包内的蒸汽压力上升，沸腾程度下降，气泡减少，形成水位下降的假象。2.2.2等效纯滞后现象所谓等效纯之后现象是指在给水量突然增加的时，由于汽包内水温的突然下降，汽水混合物的汽化程度变化，使在一段时间内由给水引起的水位增高的趋势和呦汽化程度引起的水位下降的趋势基本相等，造成汽包水位基本不变的状态。3汽包水位控制系统的影响因素分析3.1蒸汽负荷对水位的影响蒸汽流量对水位的影响属于干扰通道的动态特性。在燃料量不变的情况下，蒸汽用量的突然增加或是减少都将引起“虚假”水位现象。在蒸汽流量的突然增加时，由于假水位的现象，在开始阶段液位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。假设实际水位的变化为H，不考虑气泡容积变化的液位变化为1H，只考虑气泡容积变化的液位变化为2H。那么21HHH蒸汽负荷增加时系统的响应曲线如图1所示：图1干扰作用下的响应曲线Fig.1Interferenceundertheresponsecurve3.2给水流量对液位的影响给水流量对液位的影响属于控制通道的动态特性。在给水量发生变化时将会引起上文所述的等效滞后现象。假设汽包和给水为一个理想的单容无自横对象，那么液位的响应曲线如图2中的1H。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，当给水量变化时，响应曲线会在一开始时不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段，即系统存在一个纯滞后时间t，液位响应曲线如图2中的H。给水流量增加时系统的响应曲线如图2所示：图2给水作用下的液位响应曲线Fig.2Waterlevelundertheresponsecurve4汽包水位控制方案4.1单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是指以汽包水位为被控参数、给水量为控制参数构成的单回路控制系统。其控制手段是通过控制给水量来通过典型的单回路控制系统来实现蒸汽流量的控制。这种系统的有点是结构简单，设计方面，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力较差。当蒸汽负荷突然增加的情况下，由于汽包液位存在“虚假”水位现象，控制器不但不能增加调节阀的开度，增加给水量，反而会减小调节阀的开度，降低给水量。等到“虚假”液位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使液位严重下降，产生剧烈的波动。特别是在大中型的锅炉控制系统中，这种控制方案将会在“虚假”水位现象的作用下，降低调节品质因素，使系统产生剧烈的波动，从而影响整个控制系统的寿命和安全。单冲量水位控制系统的结构图和原理框图如图3所示：图3单冲量水位控制系统的结构图和原理框图Fig。3Single-impulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram4.2双冲量水位控制系统在汽包水位控制系统中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量。因此可以将蒸汽流量作为一个前馈信号，和给水量构成一个前馈—反馈复合控制系统，这也就是双冲量控制系统。在该控制系统中，汽包水位为主被控参数，蒸汽流量为负被控参数，给水量为控制参数。利用蒸汽流量构成的前馈控制系统的优点，消除但冲量系统的缺陷。因此该系统不但能及时克服给水压力干扰，还能实现对蒸汽负荷的前馈补偿以克服“虚假”水位的影响，从而保证了锅炉汽包水位具有较高的控制质量，满足了工艺要求。但是，双冲量系统不能及时反应给水方面的扰动，当给水发生变化，引起纯滞后现象时，系统要等到气泡水位变化时才能通过调节器操作执行器来进行调节，滞后时间比较长。单冲量水位控制系统的结构图和原理框图如图4所示：图4双冲量水位控制系统的结构图和原理框图Fig。4Double-impulselevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram在工业设计中可以通过以上的原理图进行具体参数的设置，选择合适的调节阀，控制器，执行器检测装置。4.3三冲量水位控制系统该控制系统由主、副两个调节器和三个冲量（汽包水位，蒸汽流量、给水流量）构成。其中主调节器为水位调节器，副调节器为给水流量调节器，蒸汽流量为前馈信号。三冲量水位控制系统是一个前馈—反馈串级控制系统。该系统的主要优点是：当蒸汽流量变化时，它早于水位偏差进行前馈控制，能及时的调节调节阀的给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持进出汽包的物料平衡，从而有效的抑制虚假水位的现象，抑制水位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，由给水流量作为副被控量构成副回路，可及时消除给水流量的自身干扰。汽包水位是主被控量，在动态过程中，它根据水位偏差调整给水流量的设定值，稳态时它可以使汽包水位等于设定值。由此可见，三冲量前馈—反馈串级控制系统能克服虚假水位的影响、维持水位恒定、提高给水控制质量等多方面都优于单冲量和双冲量控制系统，在工业生产中被广泛的应用。三冲量水位控制系统的结构图和原理框图如图5所示：：图5三冲量水位控制系统的结构图和原理框图Fig。5Threeimpulsewaterlevelcontrolsystemstructurediagramandschematicdiagram汽包水位三冲量串级控制方案可以基于非线性PID控制器进行设计。在串级控制中,内回路采用P控制以快速消除给水扰动,外回路采用非线性PID控制以保证汽包水位稳定在给定值,并有效克服蒸汽流量的扰动。该控制策略结构和算法简单,相对于常规串级PI-P控制方案,该控制方案具有良好控制品质和较强的鲁棒性,可有效克服蒸汽流量扰动和给水流量扰动,且在对象参数变化较大时仍能获得稳定的调节品质。4.4三种控制系统的比较如前文所诉，三种控制系统有各自的特点，可用于不同的应用领域。下表将对这三种控制系统一列表的形式作一个简单的比较，更加直观的反应出三种控制系统的特点。表1三种控制系统的特点比Tab.1Comparingthecharacteristicsofthreekindsofcontrolsystems控制系统名称适用场合系统形式对“虚假”水位是否有抑制对纯滞后是否有抑制经济单冲量控制系统汽包容积较大、负荷变化比较小的场合单回路控制系统无无经济双冲量控制系统锅炉容积较小,给水压力波动不大的场合前馈-反馈控制系统有无较经济三冲量控制系统汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合前馈-反馈串级控制系统有有相对较贵从表1中可知，一般在精度要求高，控制稳定性要求高，抗干扰能力要求高的工业应用场合中，在一定的经济条件下都会采用三冲量控制系统。5.汽包水位控制中应注意的问题5.1汽包必须执行低水位启动原则如果汽包水位控制系统采用全充水启动，那么系统就失去了水位监视手段。因为当系统采用全水位启动时，过热器进水，水冷壁加汽包水位的上升值将会大大的大于理论值，如果要建立起正常水循环，上升管内锅水必须汽化并引起汽水膨胀，水位上升值还要接着增加。因此必须执行低水位启动原则。5.2适当控制低水位保护动作值的降低理论上讲，低水位保护装置动作值取决于避免下降管抽空所必须的水头以及水位测量装置的下限。但由于下降管入口加装消旋装置，水位表计可视范围也不断扩大，保护动作值有不断下降的趋势。降低汽包水位控制下限,其实是减少其安全裕度，增加失去水位保护的风险。因此，对低水位保护动作值的降低应作适当控制。保持一定量的安全欲度，因为这个安全欲读有其存在的重要意义。首先在锅炉熄火以后由于水冷壁的产汽量下降，水冷壁管汽水混合物中含汽率下降，表现为水位收缩。一旦负荷下降含汽量减少，水冷壁贮水量必然增加，导致水位大幅度下降。其次，熄火后炉膛温度下降要有一段时间，水冷壁仍需靠炉水循环泵强制冷却或靠自然循环冷却，汽包内仍要有足够的水位。再者，在不清楚汽包内有无水的情况下，如继续进水，就要冒汽包壁受热冲击的风险，如不进水，则要冒水冷壁变形的风险。最后缺水现象本来是由于给水泵故障引起的，推迟熄火必然冒扩大事态的风险。6.锅炉水位控制的进展工业汽包水位控制系统的控制方法一般采用三冲量控制，并引入计算机控制技术，改善了原来的控制方法，增进了控制