大容量锅炉汽包水位的全程自动控制

张奠基

摘 要：介绍大容量锅炉的水位全程自动控制的必要性，及汽包水位全程自动控制的概念、功能及其组成，并详细说明各组成部分控制过程。

关键词：锅炉 水位 自动控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-018-03

锅炉汽包水位是锅炉运行的重要指标之一，维持汽包水位在一定的范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。锅炉汽包水位过高或过低都会直接或间接的影响机组运行的安全性和经济性，甚至造成更加严重的后果。

随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对锅炉水位的控制的就应更加先进和完善。因为汽包容积相对于锅炉容量大大减小，汽包的蓄水量和蒸发面积相对减少，从而加快了汽包水位的变化速度，使水位在负荷或给水流量扰动时的飞升速度大大提高；另外，锅炉容量的增大，显著提高了受热面的热负荷，使负荷变化对水位的影响加剧了；同时随着锅炉压力的提高，给水系统的阀门管道以及给水泵的特性等因素都增加了水位控制的难度。因此，为了适应大容量、高参数机组从启动到带满负荷能够保持理想的锅炉水位，汽包水位的实现全程自动控制也就显得尤为必要。

锅炉汽包的水位全程自动控制也叫全程给水自动控制。其任务是控制锅炉的给水量，使锅炉的给水量始终与蒸发量相匹配，从而维持汽包水位在正常范围内，同时保护锅炉的水循环和省煤器等受热面。其控制对象是水位，因此必须了解水位的动态特性。

1 锅炉水位的动态特性

面下汽泡总容积相对减少，所以水位不会马上升高，经过一段时间后才会升高。由于进、出汽包的工质流量不平衡，最终水位将会直线上升。而主汽流量和燃料量扰动时，都会产生虚假水位。主汽量突增时，锅炉出口压力会降低，导致锅水加速汽化，水面下汽泡总容积相对增加，汽水分界面会相应提高，但是由于进、出汽包的工质流量不平衡，最终水位将会下降。同样燃料量突增时，锅水的蒸发量增加，水面下汽泡总容积相对增加，汽水分界面也会相应提高，但是随着锅炉燃烧的增强，汽包的产汽量大于进水流量，实际水位将是呈下降趋势的。

鉴于上述特性，现代大容量单元机组的汽包炉一般都采用全程给水控制系统。主要包括：变速给水泵控制系统；给水泵的最小流量控制系统；锅炉给水启调阀控制系统等；同时为了使给水量相对平稳，必须要求各种过程的切换是无扰切换。具体切换有同一系统中控制偏差信号的切换；单/三冲量系统之间的切换；阀的切换；给水泵的切换等。

2 给水泵的转速控制系统

2.1 给水泵的安全工作区保护

为保证给水泵的安全运行，要求泵必须运行在安全工作区内。在流量-压力曲线上表示如图4的公共部分。

当给水泵出口流量较小时，可以通过最小流量阀来保证其工作在最小流量以上。为了保证给水泵始终运行在最大流量极限曲线的左侧必须设置小流量保护。

每台泵出口流量经函数转换为下限曲线对应的最小安全压力加一定裕量形成安全压力极限，并与泵出口实际压力测量值经一阶惯性运算后的值比较，得到的差值△P转换为百分数。每台泵对应的百份数经小选块与大值0比较经大选后再与泵的转速偏差信号e取小值后才作为给水泵的转速控制偏差信号。由此可见当△P<0时，若e>0，则输出为0，禁止泵继续升速，从而保护泵的安全运行

2.2 给水泵的其它控制

由于各泵及给水管道工艺布置不同，使得并列运行泵的出口压力和流量不平衡，所以还应该采取一定的措施实现多台泵的出力同步功能，另外还应根据不同的运行台数及时调整系统的开环增益系数。同时为了使运行泵跳闸后，备用泵能够及时启动并接带负荷，必须保证备用状态的泵处于良好的跟踪状态。

3 给水启调阀的控制

给水启调阀的作用是在启动和低负荷时，通过调整给水启调阀的开度来改变给水管道的阻力特性，从而维持一定的给水母管压力。给水压力设定值信号取以下四部分中取大值：

（1）保证给水泵运行在最低工作转速以上的最小压力。

（2）保证任何情况下锅炉正常上水的压力（主汽压力+压损）。

（3）给水泵的下限特性曲线对应的保护压力。

（4）保证任何情况下给水压力能过够满足过热汽减温水压力的要求。（主汽压力+1.5Mp）

4 给水泵最小流量控制

给水泵的最小流量是通过最小流量阀的控制，以保证给水泵工作在上限特性曲线的左侧。给水泵的实际转速经过函数运算后转换为泵相应转速下的最小流量设定值Qmin，此值与给水泵实际流量测量值Q进行比较后得到流量偏差△Q。△Q =Qmin-Q。当△Q>10kg/s时，通过逻辑控制，确保最小流量阀可靠关闭。当△Q<0kg/s时，通过逻辑控制器，使最小流量阀打开并停留在适当的位置。为了使小流量阀打开后的开度大于等于最小阀位设定值，所以大选块入口加入了最小流量阀位的偏差信号

5 给水压力调节阀（PINCH）阀的控制

给水压力调节阀的作用是在主汽流量>35%ECR，给水启调阀关闭，主给水阀全开的情况下自动维持给水母管压力始终大于一级过热器出口蒸汽压力一定值。从而维持了给水母管压力和主汽温度相对稳定。当锅炉负荷在35%-50%ECR区间时，此压差值为4Mpa，在50%-100%ECR时，此压差值为一线性变化量，如图5。

6 单/三冲量信号的形成和切换

单冲量信号是考虑转速扰动后的水位偏差，和考虑在启动和低负荷阶段为满足给水泵的工艺要求而引入的给水压力偏差信号与设定值的差值，二者取大。显然，当给水压力偏差较大时，单冲量信号完全取决于压力偏差信号的大小。此时给水泵调速主要是为了维持给水母管的压力。

三冲量控制信号则由三部分组成即：

（1）汽包水信号测量值经压力校正后与设定值的差值。

（2）由于汽水流量不平衡程度的变化趋势而对水位的补偿部分。

（3）克服“虚假水位”现象，加入的前馈信号。

单/三冲量信号的切换回路如图6所示。

当主气流量D小于15%的额定蒸汽流量时，饱和特性的限幅值不为0，允许信号通过。输出偏差e=e1-e3+e3=e1。当主气流量D大于15%的额定蒸汽流量时，饱和特性的限幅值为0，不允许信号通过。输出偏差e= e3+0=e3。这样就实现了单/三冲量信号的无扰切换

7 给水阀的切换

7.1 启调阀切换至主给水阀

切换条件：炉负荷>35% ECR，启调阀开度>75%且三阀切换子回路投自动

切换过程：自动关PINCH阀至20%，开主给水阀，继续关PINCH阀（约至7-9%），主给水阀全开后，延时10s，全关启调阀并解除自动，PINCH阀根据给水母管压力自动调节开度。

7.2 主给水阀切至启调阀

当主蒸汽流量<30% ECR且三阀切换子回路投自动，则自动关主给水阀，同时将启调阀投自动，启调阀根据母管压力自动调节开度，主给水阀全关后，PINCH阀全开并解除手动。

8 结论

总之，锅炉水位全程自动控制过程是一个非常复杂的过程，它既要满足在锅炉的全过程运行中保证水位的相对稳定，又要保护好受热面，同时还得兼顾给水泵的安全运行。只有有了可靠而完善的锅炉水位全程自动控制，才能保证锅炉系统的正常运行，才能适应当今不断发展的大容量、高参数机组的需要。

参考文献：

[1] 于洪泽.锅炉汽包水位自整定模糊PID控制[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2008（03）.

[2] 张松兰，刘延太.锅炉汽包水位控制系统的设计[J].科技情报开发与经济，2008（14）.