鍋爐汽包水位的自動控制應用研究

[摘要] 根據轉爐煉鋼的生產特點，設計了余熱鍋爐自動補水控制系統。在分析了汽包水位的動態特性后，根據其特點選擇合適的控制方案，分別設計了單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制系統。并總結了每種控制系統的適用場合，為生產的正常進行提供及時的指導，為安全生產創造了必要的先決條件。

[關鍵詞] 汽包水位 單沖量控制 雙沖量控制 三沖量控制 動態特性

一、引言

汽包水位是鍋爐運行的主要指標，是一個非常重要的被控變量，維持水位在一定范圍內是保證鍋爐正常運行的首要條件。水位過高時，飽和水蒸氣帶水過多，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，影響運行的安全性和經濟性。水位過低時，說明汽包內的水量過少，當負荷較大時，水的汽化速度加快，

如不及時補水調節，就會使汽包內水全部汽化，導致爐管損壞，甚至引起爆炸。因此，對汽包內鍋爐水位控制要求比較高。鍋爐給水控制系統結構如圖1所示。

二、汽包水位的動態特性

1.汽包水位在給水流量作用下的動態特性

圖2所示是給水流量w作用下，水位L的階躍響應曲線。如將給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應曲線如圖中L1曲線所示。

但由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水流量w增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下氣泡容積有所減少。當水位下氣泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升，直到水位下氣泡容積不再變化時，水位的變化就完全反映了由于儲水量的增加而逐漸上升的過程。因此，實際水位曲線如圖中L線所示。

2.汽包水位在蒸汽流量作用下的動態特性

在蒸汽流量S擾動作用下，水位的階躍響應

曲線如圖3所示。當蒸汽流量S突然增加時，從鍋爐的水位平衡關系來看，蒸汽量S大于給水量w，水位應下降，如圖中曲線L1所示。但實際情況并非如此，汽包內水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，由于氣泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中L2所示。而實際顯示的水位響應曲線L為L1+L2。

從圖上可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發量，但在一開始時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，亦然)，這種現象稱之為“虛假液位”。應當指出的是：當負荷突然變化時，水位下氣泡容積變化而引起水位的變化速度是很快的，一般為10～20秒。變化幅度與蒸發量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，這給控制帶來一定困難，在設計控制方案時，必須加以注意。

3.汽包水位在爐膛熱負荷作用下的動態特性

當燃料量突然增加時，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發強度增大，使蒸發面下的氣泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量及汽包壓力增加，但是給水流量并沒增加，因而這種液位變化也屬于“虛假液位”。當熱量和水量在爐內重新達到平衡時，液位才慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負荷可由蒸汽壓力調節系統來保證，因而這種擾動的因素是次要的。

三、幾種鍋爐汽包水位的控制方案

1.單沖量控制系統

單沖量控制系統(沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包液位)是采用汽包液位直接控制給水調節閥(如圖4所示)。該系統結構簡單，投資少，容易實現，用于小型低壓鍋爐。因為這種鍋爐的蒸汽負荷比較穩定，汽包的相對容積大，用戶對蒸汽的要求往往不十分嚴格，該控制系統若再配上一些報警聯鎖裝置，也可以滿足生產要求。

在停留時間較短，負荷變化較大時，就不能采用單沖量液位控制系統。

2.雙沖量控制系統

在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化，那么

引入蒸汽流量來校正，不僅可以補償“虛假液位”所引起的誤動作，而且使給水調節閥的動作及時(如圖5所示)，這就構成了雙沖量控制系統。從本質上看，雙沖量控制系統是一個前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統構成的復合控制系統。當蒸汽流量加大時，給水流量亦要相應增加，此時選用氣開閥，加法器的輸出應增加，即應該取正號。

雙沖量控制系統有兩個缺點:(1)調節閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做到靜態補償就比較困難;(2)對于給水系統的擾動不能直接補償。

為此將引人給水流量信號，構成三沖量控制系統。

3.三沖量控制系統

(1)三沖量控制方案I—前饋(蒸汽流量)加反饋(液位，給水流量)控制系統

該系統可看作三沖量的綜合信號作為被控變量的單回路控制系統，投運和整定與單回路控制系統一樣，但是如果系統參數設置不能確保物料平衡，則負荷變化時，水位將有余差。

宜作為一般鍋爐液位的控制方案，其特點是使用的設備少，整定方法比較簡單，調節機構動作比較平穩。

(2)三沖量控制方案Ⅱ—蒸汽流量前饋給水流量串級控制系統。與方案I比較，其加法器從調節器前移至調節器后，即使出現物料不平衡的現象，只要液位有偏差，調節器的積分作用就能消除偏差。

(3)三沖量控制方案Ⅲ—蒸汽流量前饋液位與給水流量串級控制組成的控制系統。采用這種控制方案，在負荷變化時給水流量會及時做出相應變化，調節時間也比較短，對于克服“虛假液位”的動態偏差有進一步的好處。適用于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴格的場合。

四、控制方案的確定

為保證煉鋼生產的需要，在生產中采用了單沖量與雙沖量調節自動給水系統。經過無數次的調改調節參數實驗，系統中配上一些報警聯鎖裝置最終能保證生產需要。當轉爐沒有吹氧時，采用單沖量調節(調節水位)，通過程序控制不斷調節調節閥開度，使汽包內水位達到汽包的中間水位(320mm)，這時調節閥關閉。當轉爐開始吹氧時，采用雙沖量調節(調節水位、給水流量)，程序中控制最終調節給水流量為45T/H，不斷調節調節閥開度給汽包補水，使汽包內水能保證生產的需要。在生產過程中產生的蒸汽與動力廠蒸汽并網。

為保證生產要求，畫面、程序中設置一些連鎖報警（如圖6所示）：汽包水位正常水位線320mm，當汽包水位>540mm，汽包最高水位報警；當汽包水位<100mm，汽包最低水位報警。

當汽包內壓力過高時，汽包兩個放散閥滿足不同要求時，(當汽包壓力≥2.3MPa，l#放散閥打開；當汽包壓力≤2.1MPa，l#放散閥關閉;當汽包壓 力≥2.2MPa，2#放散閥打開;當汽包壓力≤2.0MPa，2#放散閥關閉。)汽包放散閥打開，使汽包壓力降低。

汽包水位還與給水泵有連鎖，當汽包水位<270mm一次，給水泵的頻率為45HZ高速補水，當汽包水位>340mm一次，給水泵的頻率為25HZ低速補水，當汽包水位<320mm一次，給水泵的頻率為45HZ高速補水。

五、結論

本文給出了鍋爐汽包水位的自動控制方法，通過不同的控制方案以及他們的特性，能夠很好的解決鍋爐汽包水位控制中的“虛假液位”問題。在使用時，只需根據實際控制對象的規模、靈敏度、控制要求等參數選擇合適的控制方案即可。并且設有液位連鎖報警，保證了工業生產中的財產和人身安全。

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