鍋爐汽包水位是鍋爐生產(chǎn)過程的主要工藝指標(biāo)，同時(shí)也是保證鍋爐安全運(yùn)行的主要條件之一。汽包水位過高，使蒸汽產(chǎn)生帶液現(xiàn)象，不僅降低蒸汽的產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還會(huì)使過熱器結(jié)垢，或使汽輪機(jī)葉片損壞；當(dāng)汽包水位過低時(shí)，輕則影響水汽平衡，重則燒干鍋爐，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍋爐爆炸事故的發(fā)生。所以鍋爐水位是一個(gè)極為重要的被控變量。在具體工藝生產(chǎn)過程中，常常由于蒸汽負(fù)荷的波動(dòng)和給水流量的變化打破汽包內(nèi)的平衡狀態(tài)，對(duì)汽包水位造成干擾，最終導(dǎo)致假液位。所謂“沖量”實(shí)際就是變量，多沖量控制中的沖量，是指引入系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)。在鍋爐控制中，主要沖量是水位。輔助沖量是蒸汽負(fù)荷和給水流量，它們是為了提高控制品質(zhì)而引入的。
1、三沖量控制的引入
目前鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)常采用單沖量、雙沖量及三沖量等三種調(diào)節(jié)方案，現(xiàn)分別對(duì)它們的基本原理和特性加以討論。
①單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)
單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理如圖1所示。由圖1可知，這種類型的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，是一個(gè)典型的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，被調(diào)參數(shù)是汽包水位，調(diào)節(jié)參數(shù)是鍋爐的給水量。它適用于停留時(shí)間較長(zhǎng)(亦即蒸發(fā)量與汽包的單位面積相比很小)，負(fù)荷變化小的小型鍋爐(一般為10t/h以下)。但對(duì)于停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化大的系統(tǒng)就不適應(yīng)了。
圖1 單沖量水位調(diào)節(jié)原理
圖2 單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略
從圖2可以看出：?jiǎn)螞_量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略由汽包水位測(cè)量差壓變送器、PID調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥(或變頻器)構(gòu)成。
當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加時(shí)，由于汽包內(nèi)蒸汽壓力瞬間下降，水的沸騰加劇，汽泡量迅速增加，汽泡不僅出現(xiàn)于水的表面，而且出現(xiàn)于水面以下，由于汽泡的體積比水的體積大許多倍，結(jié)果形成汽包內(nèi)液位升高的現(xiàn)象。因?yàn)檫@種升高的液位不代表汽包內(nèi)儲(chǔ)液量的真實(shí)情況，所以稱為“假液位”。此時(shí)PID調(diào)節(jié)器會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為測(cè)量值升高，從而關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，減小給水量。等到這種暫時(shí)汽化現(xiàn)象一旦平穩(wěn)下來，由于蒸汽量的增加，給水量反而減少，會(huì)使水位嚴(yán)重下降，甚至降到液位危險(xiǎn)區(qū)，造成事故。
為了克服由于蒸汽負(fù)荷量波動(dòng)造成“假液位”的現(xiàn)象，我們把蒸汽流量的信號(hào)引入汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成了雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
②雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)
雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理如圖3所示。雙沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在單沖量液位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，引入了蒸汽流量作為前饋信號(hào)來消除“假液位”對(duì)調(diào)節(jié)的不良影響，它是采用互補(bǔ)原理對(duì)“假液位”現(xiàn)象進(jìn)行控制的。當(dāng)出口蒸汽流量突然增大時(shí)，它將使液位上升(假液位)，這時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)變化量大小，使給水量也增大一個(gè)數(shù)值。當(dāng)給水量突然增大時(shí)，將使汽包液位下降(假液位)。這樣，經(jīng)過疊加作用，將使汽包液位基本維持不變，從而達(dá)到克服假液位的目的?？s短了過渡過程的時(shí)間，改善了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。這是一個(gè)前饋-反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它能在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，克服只是由于負(fù)荷頻繁變化的工況下較好地完成液位控制任務(wù)。(此調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較適合用于30t/h以下的鍋爐)。
圖3 雙沖量水位調(diào)節(jié)原理
圖4 雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略
從圖4可以看出：雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制策略由汽包水位測(cè)量差壓變送器、PID調(diào)節(jié)器、差壓式流量計(jì)(孔板或噴嘴+差壓變送器+流量積算儀)或渦街流量計(jì)、數(shù)學(xué)運(yùn)算器(加法器)、調(diào)節(jié)閥(或變頻器)構(gòu)成。
但當(dāng)給水量頻繁擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)卻不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)，存在一定滯后。若給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差無法保持正常，給水調(diào)節(jié)對(duì)象卻沒有自平衡能力。此時(shí)的雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)還是無法滿足汽包液位的正常調(diào)節(jié)。
為了克服由于給水壓力擾動(dòng)的現(xiàn)象，我們將給水流量的信號(hào)也引入汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這樣就構(gòu)成了三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
③三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)
三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)和雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又引入了給水流量信號(hào)。此時(shí)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用汽包水位、蒸汽流量、給水流量三個(gè)參數(shù)進(jìn)行液位調(diào)節(jié)。蒸汽流量作為前饋信號(hào)；汽包水位為主參數(shù)，給水流量為副參數(shù)構(gòu)成串級(jí)回路。它是一個(gè)前饋-串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)宜用于大型鍋爐，因?yàn)殄仩t容量越大，汽包的相對(duì)容水量越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更小。如果給水中斷，可能在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)；這樣就對(duì)汽包水位控制提出更高的要求。鍋爐液位三沖量控制系統(tǒng)的組成形式較多，現(xiàn)分析如下。
2、三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩種控制方案
①方案1(如圖5所示)
圖5 三沖量水位調(diào)節(jié)控制策略一
用加減器位于調(diào)節(jié)器之前的方案，該方案實(shí)質(zhì)上是前饋(蒸汽流量)加反饋控制系統(tǒng)，但被調(diào)參數(shù)為幾個(gè)參數(shù)的綜合量。此控制方案是把PI調(diào)節(jié)器放在加減器的后面，因而三個(gè)參數(shù)都能得到PI調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)，但由于他們的動(dòng)態(tài)特性各不相同，所以調(diào)節(jié)器的參數(shù)不易整定；同時(shí)由于調(diào)節(jié)器的測(cè)量是三個(gè)參數(shù)運(yùn)算過后的數(shù)值，因此就不能保證汽包水位穩(wěn)定在給定值上，因此這種控制策略不可行，在此僅作為講解演示用。
②方案2(如圖6所示)
圖6 三沖量水位調(diào)節(jié)控制策略二
加減器和調(diào)節(jié)器構(gòu)成了加減器位于調(diào)節(jié)器之后的方案，該方案與方案1相類似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后。該方案相當(dāng)于前饋－串級(jí)控制系統(tǒng)，此控制方案是把PI調(diào)節(jié)器放在加減器的前面，好處是抓住了主要矛盾。汽包水位先經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，保證了汽包水位趨于給定位置。系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，蒸汽流量信號(hào)和給水流量信號(hào)在加減器內(nèi)相互平衡，能使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。
兩種方案都是用蒸汽流量、汽包水位、給水流量三沖量控制給水調(diào)節(jié)閥。就兩種三沖量控制方案相比較而言，圖4方案優(yōu)于圖3方案。
3、三沖量的前饋-串級(jí)反饋控制系統(tǒng)
三沖量的前饋-串級(jí)反饋控制系統(tǒng)的原理如圖7所示。
圖7 三沖量水位調(diào)節(jié)控制策略三
在三沖量前饋-串級(jí)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要沖量是水位，輔助沖量是蒸汽負(fù)荷和給水流量。汽包液位為主變量，也是被控變量，它是反映鍋爐汽包工作狀態(tài)的主要工藝指標(biāo)，也是保證鍋爐安全工作的必要指標(biāo);蒸汽流量作為前饋信號(hào)引入，是為了克服蒸汽流量的波動(dòng)對(duì)汽包液位的影響，并有效地克服由于假液位現(xiàn)象引起的控制系統(tǒng)誤動(dòng)作；給水流量為副變量，它引入目的是利用串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路克服干擾的快速性來及時(shí)的克服給水壓力變化對(duì)汽包液位的影響。輔助沖量是為了提高控制品質(zhì)而引入的。液位控制器LC與流量控制器FC構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種控制策略是一種實(shí)用、可靠的優(yōu)選策略，這種控制策略結(jié)合最佳PID參數(shù)整定，那您的水位控制效果杠杠的，昌暉儀表制造有限公司在《水位三沖量調(diào)節(jié)控制策略及串級(jí)調(diào)節(jié)參數(shù)整定方法》文章中對(duì)該控制策略和參數(shù)整定方法做了詳盡的介紹，要想成為汽包水位控制系統(tǒng)投自動(dòng)的高手，不讀這篇文章您會(huì)后悔。
根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)選擇主、副調(diào)節(jié)器正反作用的原則，水位調(diào)節(jié)器LC選反作用，流量調(diào)節(jié)器選為正作用；而給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機(jī)的重要負(fù)荷時(shí)，為保護(hù)這些設(shè)備應(yīng)選用氣開(F.C)閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產(chǎn)中的熱源時(shí)，為保護(hù)鍋爐，應(yīng)選用氣關(guān)(F.O)閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(F.I)的給水閥，即事故狀態(tài)下該閥停在原位，在具體應(yīng)用中選電動(dòng)閥作為給水閥。
當(dāng)水位由于擾動(dòng)升高時(shí)，因LC反作用，它的輸出下降進(jìn)入運(yùn)算器后，使FC給定值下降而輸出增加，調(diào)節(jié)閥開度減小，給水量減少，水位也下降，直至回到設(shè)定值上達(dá)到新的平衡。當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，F(xiàn)C給定值增加而輸出減小，調(diào)節(jié)閥開大，給水量增加，保持水、蒸汽平衡，使水位不變。副回路克服給水自身的擾動(dòng)，更進(jìn)一步地達(dá)到自動(dòng)控制，穩(wěn)定水位的目的。
由于汽包液位是鍋爐裝置關(guān)鍵儀表，針對(duì)目前現(xiàn)有的單臺(tái)變送器測(cè)量無法保證儀表的可靠性，如變送器故障、檢測(cè)元件的故障、取壓管路的堵塞、信號(hào)電纜的傳輸故障等問題。因此我們將水位測(cè)量增加為3臺(tái)。采用汽包水位信號(hào)三取中的聯(lián)鎖保護(hù)回路，當(dāng)其中某1臺(tái)儀表故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致三沖量控制系統(tǒng)失靈。從而提高控制的可靠性。保證了鍋爐的安全運(yùn)行。
總之，鍋爐汽包水位控制方案有諸多種，因每臺(tái)鍋爐的特性及實(shí)際工況的不同而異，就此所介紹的是使用常規(guī)儀表對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行自動(dòng)控制的幾個(gè)較為典型的方案。三沖量控制對(duì)單、雙沖量控制方案取長(zhǎng)補(bǔ)短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。如今，智能儀表的發(fā)展和計(jì)算機(jī)在工業(yè)自控領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，又為汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)開拓了更加廣闊的天空。
作者：賈志清，羅煒
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