简析锅炉汽包水位控制

丁 丹

东华工程科技股份有限公司 合肥 230024

简析锅炉汽包水位控制

丁 丹*

东华工程科技股份有限公司 合肥 230024

介绍锅炉汽包的水位控制系统及仪表选择。

汽包水位 三冲量 串级

1 简述汽包水位过高或过低的影响

锅炉汽包水位的控制必须精确。汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，分离效果下降，导致蒸汽中水分过多，蒸汽质量下降，含盐量增加，致使管子容易过热产生爆管，严重时蒸汽大量带水，过热气温急剧下降，汽轮机、蒸汽管道金属温度剧变，发生严重的热应力和热变形，甚至发生水冲击，导致设备损坏；汽包水位过低时，致使下降管进口带汽、循环流动压头降低，严重时会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热，严重缺水时，还可能造成汽包干锅和水冷壁烧损等严重事故。因此，应加强对汽包水位的监控，并采取先进的控制方案进行合理控制。

2 汽包水位控制形式的选择

由于锅炉给水对象的动态特性在不同负荷时是不一样的，因此在高、低负荷时要采用不同形式的系统。低负荷时，机组处于滑压运行过程，参数较低，负荷变化范围小，虚假水位不太严重，因此可以考虑采用单冲量控制系统，而在高负荷时因虚假水位现象严重，为了保证调节质量，要求采用三冲量控制系统。即随着负荷的增长和下降，系统要从单冲量过渡到三冲量或从三冲量过渡到单冲量系统。

3 简述串级三冲量给水控制系统

串级三冲量给水调节系统原理方框图见图1。

这是一个带有前馈补偿的串级调节系统，它由主调节器PI2和副调节器PI3串联构成。由图可以看出系统中存在两个闭环和一个开环。由PI3、给水系统、γW、αW构成的闭环称为系统的副回路；由汽包、γH、PI2和整个副回路构成的闭环称为系统的主回路。前馈补偿调节为开环结构，D信号经γD转换和αD运算后作用于副调节器PI3入口。

图1 串级三冲量给水调节系统原理

水位信号H是系统的被调量信号，作用于主调节器PI2入口，用以校正水位的最终偏差，使其等于给定值。相对于调节变量W而言，当H上升时要减少给水流量W；当H下降时应增大给水流量W，两信号的作用方向相反，所以在主调节器PI2入口处用负极性来表示。主调节器主要是通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在给定值；主回路用于直接控制水位，一般采用比例积分调节。

副调节器除接受主调节器信号IH外，还接受给水流量信号IW和蒸汽流量信号ID。副调节器的作用主要是通过内回路进行蒸汽流量D和给水流量W的比值调节，并快速消除水侧和汽侧的扰动。给水流量信号W位于副回路闭环之内是反馈信号，在副调节器PI3入口的极性应为负极性；副回路是流量系统，可以采用比例或者比例积分调节。

蒸汽流量信号D为系统的前馈信号，作用于副调节器PI3入口，形成前馈调节通道，其主要作用在于克服虚假水位现象，减少调节过程中水位的动态偏差。相对于调节变量W而言，当D增加时，为了使水位H不变，应使给水流量W也增大，反之亦然，故在副调节器PI3入口处，D信号为正极性的。

串级三冲量给水调节系统有以下特点：① 两个调节器的任务不同，参数整定相对独立。主调节器的任务是校正水位偏差，副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，以保证给水流量与蒸汽流量平衡。给各整定值的整定工作带来很大的便利条件；② 在负荷变化时，水位稳定值是靠主调节器PI2来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定。恰恰相反，可根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当调整蒸汽流量的作用强度，更好的消除虚假水位的影响，改善蒸汽负荷扰动下水位控制的品质。

4 串级三冲量给水系统信号的静态配合参数整定

由图1可见，在副调节器入口的平衡条件为：

△W=IH+ID-IW-IO

但在不少工程中副调节器的入口并不设计IO偏置信号，即，

△W=IH+ID-IW=0

在这种情况下若有关参数设置不适当，就会破坏系统正常工作。在静态条件下，当ΔW为0时，即，

IH=IW-ID

如果设置αW、αD使得IW等于ID，并设置IH的变化范围为0%～100%，就会出现控制信号的单边阻塞问题，即静态时IH=0，这时IH只有一个方向上可以变化，另一个方向上IH失去对副调节器的控制作用。解决这个问题实际上有三种办法：① 加偏置信号IO，设置其30%～50%；② IH的变化范围设置为±100%；③ 置αD、αW，使得ID>IW，比如ID/IW=2。

具体选用哪种方法可视实际情况决定。

整定参数一般原则：① 两个调节器任务不同，主调节器的任务是校正水位。副调节器的任务是当给水流量扰动时，迅速动作使给水量保持不变。当蒸汽流量扰动时，迅速改变给水量，保持给水和蒸汽量的平衡。两个调节器参数整定可以相对独立，内环的调节速度要快。可考虑副调节器为纯比例调节，比例系数K2应取得较大些；② 给水流量信号灵敏度αW会影响主、副调节器的比例系数。比如当保证内回路不发生振荡而使αW减小时，应相应地减少主调节器的比例系数K1，以保证主回路的稳定性；③ 蒸汽流量信号不一定与给水流量信号进行严格的配合，可视锅炉的“虚假水位”情况而定，适当调整蒸汽流量信号的作用强度。比如蒸汽流量信号αD取1，给水流量信号αW可视情况取0.5～1。

5 锅炉汽包水位调节的检测仪表简述

汽包水位测量的准确与否直接影响着发电机组的安全和经济运行。汽包水位测量装置一般采用云母水位计、电接点测量筒和平衡容器。这三种测量装置都存在一定的测量误差，需要认真分析误差来源，采用正确和严密的水位测量计算方法，最大限度地消除测量误差，提高水位测量的准确度。由于锅炉汽包水位对象的复杂性，以及联通管式和差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在着许多不确定性因素和较大的测量误差，以致多个汽包水位计间常常有很大偏差，使运行人员无所适从，甚至酿成事故。

5.1 云母水位计

云母水位计是锅炉汽包一般都装设的就地显示水位表，它是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，从而可以用水位计中的水柱高度来间接反映汽包中的水位

基于联通管式原理的云母水位计显示的水柱值不仅低于锅炉汽包内的实际水位，而且受汽包内的压力、水位、压力变化速率以及水位计环境条件等诸多因素影响，水位计显示值和汽包内实际水位间不是一个确定的、一一对应的关系。因此，即使我们按额定工况将水位计下移而使汽包正常水位时，水位计恰好在零水位附近，但是当工况变化时，仍将产生不可忽略的偏差。曾经在相当长时间内，锅炉运行时要求不管在什么情况下，都要求以上述联通管式水位计作为基准仪，实际上误差很大。

5.2 电接点水位计

电接点水位计是一种电气式水位测量仪表，它将水位直接转换成不连续的相应数目的电接点信号。这种水位计组成的测量系统结构和工作原理简单，电接点信号可以远传，时延很小，不存在仪表的机械变差和分度误差以及不存在仪表复杂的校验和调整，显示直观，可靠性高，是火电厂锅炉汽包、高压加热器、除氧器水位测量中普遍应用的一种水位计。

5.3 差压式水位计

差压式水位计是通过把水位高度的变化转换成差压的变化来测量水位，因此，其测量仪表就是差压计。差压式水位计准确测量汽包水位的关键是水位与差压之间的准确转换，这种转化是通过平衡容器形成参比水柱来实现的。目前，国内外最常用的是通过单室平衡容器下的参比水柱形成差压来测量汽包水位。

6 结语

汽包是锅炉机组的主要设备之一，是锅炉中体积最大的承压元件。汽包内的水位是影响发电机组安全经济的重要因素。水位波动频繁及范围较大，会使汽包所承受的热应力也随之波动变化，而应力变化幅度较大，会增大汽包的寿命损耗。同时，汽包在锅炉中地位重要，更换困难，若发生损坏，将严重影响锅炉安全经济运行。此外，水位过高会影响汽水分离装置正常工作，导致蒸汽带水严重，使过热器管壁结垢，汽轮机产生水冲击造成叶片断裂等事故；水位过低，则会破坏水循环，以致烧坏某些受热面，严重时引起锅炉爆炸。

综上所述，锅炉汽包的水位是影响锅炉安全运行的重要因素之一，所以锅炉给水自动控制是锅炉运行的迫切要求，保证给水控制系统的正常投入对提高发电厂的经济性、竞争力具有十分显著的作用。

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*丁 丹：助理工程师。2012年毕业于华北电力大学自动化专业。从事工程设计工作。联系电话：(0551)63696970，E-mail：dingdan@chinaecec.com.

2017-02-22)