根據鍋爐實際工藝的汽包水位三沖量調節

張興儉（深圳達實智能股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

鍋爐是發電、煉油、化工等工業部門的重要能源、熱源的動力設備。鍋爐的種類很多，這里主要介紹根據實際工藝需求的循環流化床鍋爐汽包水位三沖量調節。汽包水位的自動調節在整個鍋爐生產工藝中極為重要，DCS系統邏輯組態的繁簡直接影響到生產工藝調節的快慢，也間接影響了鍋爐蒸汽的品質，所以說利用鍋爐工藝和DCS 系統邏輯巧妙結合可以為生產提供可靠保障和極大便利。

2 鍋爐汽水系統工藝分析

對于額定蒸發量220t/h~260t/h 的循環流化床鍋爐來說，汽水系統是鍋爐重要調節系統之一，如圖1所示。

鍋爐汽包水位控制的目的就是使鍋爐給水量與鍋爐蒸發量相適應，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內。所以說汽包水位控制也稱為鍋爐給水控制。汽包水位過高，會影響汽水分離效果，容易造成過熱器積鹽結垢，使管道過熱損壞；汽包水位過低，會破壞水循環，嚴重時會損壞鍋爐造成水冷壁爆管直至干鍋[1]。根據鍋爐汽包水位動態特性，考慮到蒸汽流量和給水流量對水位的影響，分析它們階躍干擾下汽包水位相應曲線，得出汽包三沖量水位控制方案，即給水流量、蒸汽流量和汽包水位。三沖量液位控制系統如圖2所示。

圖1 循環流化床汽水系統工藝圖

圖2 三沖量液位控制系統框圖[2]

圖2 是常規的水位控制方案，基本上能夠滿足對汽包水位的控制，但在實際鍋爐工藝中存在許多弊端，如邏輯組態繁瑣、系統響應慢，尤其對單元制鍋爐和母管制鍋爐的控制方案要分別對待，具體情況具體分析。

3 霍尼韋爾DCS系統組態在鍋爐水位實際工藝中的解決方案

首先，霍尼韋爾DCS系統是一套完整的集散控制系統，它具有完善的功能模塊，通過組態可實現各種類型的PID單回路控制、串級控制、前饋控制、純遲延補償控制、解耦控制以及順序控制等[3]。

其次，在鍋爐運行工藝中有單元制鍋爐運行和母管制鍋爐運行之分，如果一臺鍋爐帶一臺汽輪機運行的話，我們就叫它單元制，反之多臺鍋爐的蒸汽管道相連，通過母管帶動多臺汽輪機運行，我們就叫它母管制運行。

在單元制鍋爐運行方式下，鍋爐汽包水位調節類似于圖2所示的一般控制模式，但又不完全相同，主要反映在DCS SAMA圖里的給水流量檢測信號與主調節器來的信號相加，再減去蒸汽來的檢測信號，再送給副調節器調節。控制方案如圖3所示。

圖3 單元制鍋爐液位三沖量控制系統框圖

在圖3中，鍋爐汽包的水位信號需要先進行水位壓力修正，也就是把鍋爐左、右側汽包壓力分別引入到汽包水位信號中加以修正計算，如式（1）所示。

其中：P1為汽包水位信號；P2、P3為左、右汽包壓力增益和偏置后的信號。在霍尼韋爾DCS組態中，采用RPV模塊CALCULTR來運算式（1），運算結果要再經過一個三取中的模塊（MID OF 3），取出中間數值信號送到主調節器作為PV值。鍋爐給水流量信號是經過流量開方后的信號，即經過FLOWCOMP模塊運算后的結果。如式（2）所示。

其中：F為給水流量信號，T為給水溫度信號。經過流量開方后的給水流量信號將被送到副調節器作為PV值。鍋爐蒸汽流量信號也是經過流量開方后的信號，即經過FLOWCOMP模塊運算后的結果。如式（3）所示。

其中：F為鍋爐蒸汽出口流量信號，T為主汽溫度信號，P為過熱器出口壓力信號。經過流量開方后的蒸汽流量信號將被送到主調節器作為前饋FF值。在主調節器里修正后的水位信號和修正后的蒸汽流量信號經過主調節器PID模塊運算后作為給定值SP送給副調節器，再經過副調節器的PID模塊運算后輸出給調節閥。

單元制鍋爐汽包水位DCS組態如圖4所示。

圖4 單元制鍋爐液位三沖量控制組態圖

由于現在電廠多數都是母管制運行的方式，所以如果延續使用單元制的控制邏輯模式，不但會使邏輯運算繁瑣，而且很不方便調試運行。下面就介紹一下母管制運行方式下的控制邏輯模式。控制方案如圖5所示。

圖5 母管制鍋爐液位三沖量控制系統框圖

首先，母管制鍋爐水位調節系統大大簡化了控制模式，由原來的兩個調節器簡化為使用一個調節器來調節副給水調節閥就可以了。其次，在DCS邏輯上汽包水位不用經過壓力修正，直接取汽包水位信號經過三取中（MID OF 3）模塊運算。鍋爐出口蒸汽流量需經過流量開方運算，即經過FLOWCOMP模塊運算后的結果。如式（4）所示。

其中：F為高過出口蒸汽流量信號，T為高過出口溫度信號，P為高過出口壓力信號經過流量開方后的蒸汽流量信號還要經過RPV模塊修正，如式（5）所示。

其中：C1=1.0~1.8，P1為式（4）函數值，鍋爐給水流量不需經過流量開方，只需要一個RPV模塊修正就可以了，如式（6）所示。

其中：C1=1.0~1.8，P1為給水流量信號，經過修正后的蒸汽流量和給水流量再經過RPV模塊運算取其差值，如式（7）所示。

圖6 母管制鍋爐液位三沖量控制組態圖

其中：P1為給水流量修正信號，P2為蒸汽流量修正信號。式（7）運算后的值再與汽包水位三取中的值求和，如式（8）所示。

其中：P1為汽包水位三取中信號，P2為式（7）的值由式（8）得出的結果作為PV值送給調節器，調節器再根據SP值和PV值PID運算后控制副給水調節閥。母管制鍋爐投入汽包水位自動調節的先決條件是：鍋爐運行工況穩定，主調節閥沒有大的負荷調節，即主調節閥基本不動作。母管制鍋爐汽包水位DCS組態如圖6所示。

4 結語

由于多數電站使用母管制鍋爐運行方式，所以在鍋爐穩定的運行工況下，使用母管制DCS組態方案可以很容易投入汽包水位調節自動，也使DCS系統的自動調節時間大大加快了。

母管制運行方式下的控制邏輯模式,在鍋爐負荷穩定的情況下投入自動運行，經過多個項目的現場運行觀察汽包水位控制的效果都非常好，既節省了繁瑣的組態工作，又方便了調試和運行人員的操作，并且加快了系統響應，得到了用戶的廣泛好評。

[1] 劉吉臻, 白焰. 汽包鍋爐給水控制系統[J]. 電站過程自動化. 2006, 5: 49-51.

[2] 王再英, 劉淮霞等. 工業鍋爐自動控制系統[J].過程控制系統與儀表. 2006, 2: 316-320.

[3] 劉國海. 集散控制系統的控制算法[J]. 集散控制與現場總線. 2006, 8: 53-62.