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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

The analysis of boiler drum water level control
ZHU Li-chao
(School of Electrical Engineering and Automation,Shanghai University,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 introduction 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 control

1 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

H 1 ,只考虑气泡容积变化的液位变化为 H 2 。那么

H ? H1 ? H 2
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.1 Interference under the response curve

3.2 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 H 1 。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.2 Water level under the response curve

4 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。3 Single-impulse water level control system structure diagram and schematic diagram

4.2 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。4 Double-impulse level control system structure diagram and schematic diagram

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。5 Three impulse water level control system structure diagram and schematic diagram

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 Tab.1 三种控制系统的特点比

Comparing the characteristics of three kinds of control systems

控制系统 名称 单冲量控制 系统

适用场合 汽包容积较 大、 负荷变化 比较小的场 合 锅炉容积较 小 , 给水压力 波动不大的 场合 汽包容积较 小、 负荷和给 水干扰较大 的场合

系统形式 单回路控制 系统

对“虚假”水位 是否有抑制 无

对纯滞后是否有 抑制 无

经 济 经 济

双冲量控制 系统

前馈-反馈控 制系统





较 经 济 相 对 较 贵

三冲量控制 系统

前馈-反馈串 级控制系统





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,增进了控制品质。同时,系统测量装置也在不断的发展,好的测量装置 和测量技术能大大的改善控制系统的特性。近年来,随着火力发电机组的不断增加,电站锅 炉汽包水位测量误差大和启动时不能正确投入水位保护的问题越来越突出。 电站、 仪器仪表 生产单位及业内研究专家对锅炉汽包水位测量问题进行了较集中的研究, 并取得了显著的成 果。 6.1 测量装置的进展 水位测量装置常见的有汽包水位内置式电极传感器, 多测孔接管,汽包内置式平衡容器, 高精度电极传感器,低偏差云母水位计。 低偏差云母水位计比较受笔者喜欢。 一般的联通管式水位计利用水位计中的水柱与汽包 中的水柱在联通管处有相等的静压力, 从而可用水位计中的水柱高度反映汽包中的水位。 由 于水位计管内的水柱温度总是低于汽包内水的温度。 因此, 水位计中的显示值总是低于汽包 内实际水位高度。 低偏差云母水位计的改进思路类似于汽包水位高精度取样电极传感器, 利 用饱和蒸汽加热水位计的水样, 再通过蒸汽冷凝后的饱和水加热和置换水位计内的水样, 使 水样温度接近汽包内水的温度, 消除因水样温度低于汽包内温度而造成的测量误差, 达到测 量准确的目的。同时,用冷凝水快速置换饱和水,减少了云母片和接点污染。 6.2 测量方法进展 软测量方法的应用。软测量技术是一种新兴技术,它依据对可测、易测过程变量与难

以直接测量的待测过程变量之间的关系, 采用各种计算方法, 用软件实现对待测变量的测量 或估计。根据物质平衡机理,建立了软测量理论模型。 图像处理方法的应用。目前,就地水位计的信号通常是通过摄像机引入控制室接到工 业电视上。但是工业电视显示的水位图像模糊不清,通常无法分辨汽、水的分界面。同时, 这种方法不能得到水位的精确、定量数值,而需要运行人员根据刻度进行估算,其准确性很 难得到保证。对此,文献把图像处理技术和汽包水位监视结合起来,对水位图像信息进行数 字运算和处理,从图像中提取所需的信息,重建水位计棒状图和刻度尺,很好地改善了现有 水位图像模糊不清的状况。而且,通过测定水位计外部温度,对计算机重建过的水位计读数 进行修正,大大提高了汽包水位测量的准确性。 虚拟仪器的应用。目前,国内外火力发电厂中采用的几种水位计普遍存在较大的测量 误差,而且不能单独满足水位运行同时应具有的直观、连续及可供自动调节等多功能需要。 基与 LabWindows/CVI 虚拟仪器开发环境,运用多线程技术、数据库技术开发了高压汽包核 子水位监测系统。 该系统将核子非接触式测量技术、 虚拟仪器技术、 自动测试技术结合起来, 较好地解决了目前高压汽包水位测量误差较大的问题,并具有显示直观、连续测量、稳定可 靠等优点。

参考文献;
【1】潘永湘,扬延西,赵越.过程控制与自动化仪表[M].北京:机械工业出版社,2007. 【2】姚晓风.锅炉现场总线控制系统的设计与实现[D].辽宁:大连铁道学院,2002. 【3】许艳辉.锅炉液包液位控制方案的分析[J].江西石油化工,1999. 【4】张玲芳.电站锅炉液包水位测量研究.秦皇岛华电测控有限公司,2008.


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