浅析锅炉汽包液位的三冲量调节系统工作原理及应用

周开文

【摘 要】锅炉是化工造纸、电力生产中重要的动力设备。汽包液位是锅炉运行中的一个重要控制参数，同时也是保证锅炉安全、稳定运行的重要條件之一。它反映了锅炉负荷与给水的平衡调节关系。汽包水位过高，汽包蒸汽顶部空间减小会造成蒸汽带水，影响过热器正常运行及汽水分离的效果。

【关键词】液位；三冲量；控制

一、三冲量调节系统的概念

液位自动调节作用水位信号去调节供水阀开度。当液位升高，关小供水阀门，减小供水流量；当液位降低，开大给水阀门，增大给水流量。为了使液位稳定，把主蒸汽流量和给水流量参与调节。这就是锅炉汽包液位三冲量调节系统。这种调节系统因引入了给水流量，液位及蒸汽流量三个参数，故叫做三冲量调节系统。

二、三冲量控制系统

1、单级三冲量控制系统

三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制调节。当负荷（蒸汽流量）突然发生增大、变小，蒸汽流量信号能使供水调节阀一开始就向正方向动作，即使当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，消除了由于“假水位”引起的方向误动作。如供水流量减少，调节控制器立即根据供水流量减少的信号，开大供水调节阀门，从而使给水量保持不变。另外，供水流量信号也是调节控制器动作后的反馈输入信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器控制动作加快。

从以上系统框图看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由供水流量W、供水测量变送器、调节控制器和调节控制阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽测量变送器未包含在这两个闭合回路中。但它的引入可以提高控制质量，而不影响闭合回路工作的稳定性。所以系统三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。

单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制质量最好，能有效地满足系统对稳定性、快速性、准确性的要求，能有效地避免“假水位”现象。与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本较高，系统复杂，不容易整定。

2、串级三冲量控制系统

随着现代生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出更高要求。因此，需要在单回路的基础上，采取其它控制方法，组成复杂控制系统。上图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节控制器接受液位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节控制器的供水给定值，副调节控制器除了接受主调节器的设定信号外，还接受供水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使供水调节阀立即向正确的方向动作，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而消除了由于假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出相应的调整。

三、工作原理

下图一中所示的三冲量控制调节系统、汽包液位是被控变量，也是主冲量信号；蒸汽流量和供水流量是辅助冲量信号。系统将供水流量与蒸汽流量前馈到汽包液位调节系统中，一旦供水流量或蒸汽流量波动，不是等到影响液位才进行调节，而是在这两个量改变之时就能通过DCS控制系统中加法器马上去改变调节阀开度进行校正。因此大大提高了液位这个被调参数的调节精度，大大缩短调控时间。

四、控制方案选定

在提出方案前，我们首先明确三个冲量及其关系：1、锅炉液位，是控制中的主要冲量；2、蒸汽流量，是控制中的辅助冲量，它的较大变化会造成假液位；3、供水流量，是控制中的辅助冲量，它的较大变化同样会造成假液位。通过分析三者的运算关系，结合选用的具体DCS系统，将上述冲量引入到DCS的三冲量控制模块当中，通过调整参数的值，来实现比较理想的液位自动控制品质。配套的DCS系统是西门子公司的S7-300系统，运算功能完全可以满足多变量的控制运算。

按照要求，我们提出了三套控制方案，方案一：采用单回路的三冲量控制方案，加法器在控制器前，即控制器的输入为多变量之和。方案二：前馈加串级反馈的三冲量控制方案，液位调节为主回路，给水调节为负回路，液位控制器选择反作用，流量控制器选择正作用，调节阀为气关阀。：方案三：采用单回路的三冲量控制方案，加法器在控制器后，流量负回路相当于一个100%的比例调节回路。经分析讨论，决定采用方案一，主要考虑单回路控制方案投运比较简单，操作工容易掌握，但调节器输入为多变量之和，与真实的液位不同，这一点须向工艺人员说明。

确定三冲量单回路控制方案后，进行了一定的改进，加入了水汽系（SQXS），修正系数（XZXS）等影响因素，完善控制模型；对输入的液位信号进行一阶惯性滤波（HSFOP_1），以增强稳定性，提高抗扰动能力；各个冲量的系数可以在工程师级别下在线修改，当有技术改造，原来的控制参数不再合适时，则可以对参数进行优化，以达到适应的目的。改进的控制方案首先在6#锅炉上应用。在DCS中的三冲量控制模型如图2。

五、应用条件

从上面分析可以看出三冲量调节控制系统能及时克服蒸汽流量和供水流量的干扰作用，调节精度高，适用于汽包容积较小、负荷和供水干扰大的场合。单冲量适合在汽包容积较大负荷变化比较小的场合。因此在给水全程自动调节设计了两套调节系统以便互相切换。主要是在开停炉过程中当负荷低于满负荷的35%左右时，蒸汽流量信号很小、测量误差相对较大。所以此时由单冲量控制，一旦满足运行条件就改为三冲量调节系统控制。双冲量调节适合于锅炉容积较小给水压力波动不大的场合。

六、结束语

锅炉汽包液位通过三冲量控制系统精确控制不仅保证了锅炉气机安全经济有效运行，同时能及时调节。在其他需要精密控制的设备也可因地制宜，借鉴使用，以提高我们设备系统多因素干扰的自动化控制水平。

【参考文献】

[1]仪表工手册.化学工业出版社，1998 年 4 月.

[2]黄德先等.过程控制系统.清华大学出版社.

[3]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.