研究基于PLC的熱電廠鍋爐水位控制技術

王強

摘 要：在國內，鍋爐是熱電廠企業中重要的動力設備。目前，熱電廠的蒸汽鍋爐存在的控制變量較多，產生了虛假水位的情況。因此，加強對鍋爐的控制非常重要。介紹了PLC控制，對鍋爐汽包水位控制系統進行了分析，并運用汽包水位三沖量雙PID技術的設計維持鍋爐水位的平衡，這有利于減小熱電廠的能耗，提高發電效率。

關鍵詞：PLC；熱電廠；鍋爐；水位控制技術

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.147

鍋爐本身是一個能量轉換的設備。為了加快能量轉換，需要采取相應的技術提高轉換效率，這有利于提高能源的利用率。因此，運用PLC技術對鍋爐的水位進行控制有利于促進能源的轉換。

1 PLC控制

PLC控制是可編程邏輯控制器的簡稱。主要運用與計算機思維進行相關的邏輯運算。隨著信息技術的發展，PLC控制越來越智能化、自動化，其指令不斷增多，運算也更加多樣，可以充分實現邏輯控制、數值控制等。在工業控制中，還可以運用PID原理進行PID運算，從而提高控制的準確性。將其運用在熱電廠鍋爐水位的控制中，有利于保持水位的平衡，提高鍋爐的穩定性和安全性。

2 給水系統的控制

2.1 鍋爐汽包水位

在鍋爐的給水控制系統中，一個重點的變量就是鍋爐汽包水位。汽包水位關系著鍋爐的安全、穩定運行，因此，在操作中要保持汽包水位的穩定性。當水位較低時，會減少汽包內的水量。給水系統的負荷變動較大時，汽包中水量的變化速度會突然加快，如果未及時控制，汽包內的水將會氣化，損壞水冷壁的結構。情況比較嚴重，則可能導致鍋爐爆炸。當汽包水位較高時，會干擾汽水分離的裝置，并影響其正常運行，發生蒸汽帶液的現象。當汽包的出口處蒸汽中水分含量較高時，蒸汽中的鹽的含量也會增大，進而在過熱器管內壁凝結鹽垢，影響導熱的效率。同時，蒸汽的溫度也會隨之下降，導致蒸汽驅動透平機產生液化現象，破壞透平機的葉片，進而埋下安全隱患。

2.2 “虛假水位”

當蒸汽負荷出現較大波動，尤其是當負荷過大且波動也較大時，鍋爐會出現“虛假水位”的情況。該現象主要的表現為：由于負荷的突然增加，使鍋爐內的水位突然上升，隨后突然下降，且波動幅度過大；當負荷突然下降時，鍋爐內的水位會突然下降，又突然上升，且波動幅度過大。“虛假水位”的出現不利于對鍋筒水位的控制。

2.3 汽包水位控制系統

2.3.1 汽包水位位式控制系統

在該控制系統中，唯一的調節信號為鍋爐內的水位。當鍋爐內的水位比預設值低時，控制電路就會自動開啟水泵；反之，則關閉水泵。這有利于保持鍋爐水位的平衡。

2.3.2 汽包水位單沖量控制系統

單沖量水位控制系統只有一個變量，結構較為簡單，“虛假水位”情況出現較少，相對穩定，可進行水位的報警設置。

2.3.3 汽包水位雙沖量控制系統

在對汽包水位進行控制時，主要涉及的干擾因素是負荷變動，因此，可以引入蒸汽流量來對負荷進行調節，減少“虛假水位”的干擾，從而減少水位的波動情況。其中，蒸汽流量信號可以構成一個前饋信號，從而與汽包水位構成一個閉環控制系統，這樣既有前饋控制，又有反饋控制。

2.3.4 汽包水位三沖量控制系統

汽包水位雙沖量系統存在2方面的缺陷：①控制閥在工作時難以進行靜態補償；②給水系統會造成干擾。因此，在雙沖量控制系統的基礎上加入了給水流量，使其成為三沖量控制系統。

在三沖量給水控制系統中，汽包水位是主沖量的唯一信號，蒸汽流量和給水流量作為補充。在操作時，當蒸汽流量有所增加時，調節器會立即反應，增加一定的給水流量，從而減少“虛假水位”的干擾。當給水流量發生變化時，調節器也會及時反應，將給水流量恢復到原來的水平，使汽包水位保持平衡。

3 運用PID控制原理設計

3.1 PID原理

在PLC控制程序中，可以運用PID控制原理對鍋爐水位進行控制。在控制器中常會用到的控制原理為PID控制，該控制系統主要由PID控制器和控制對象構成。

3.2 模擬鍋爐汽包水位控制系統

模擬主要是利用數學模型或物理模型對實物進行模擬，以達到對真實過程的再現。在本系統的設計中，采用MATLAB中的SIMULINK作為模擬軟件，SIMULINK可以監測動態系統，也可以同時支持線性、非線性系統的模擬，具有強大的模擬功能。在建立模型時，具有更加直觀、便利的特點。

本次對汽包水位控制技術的模擬主要采用基于PID原理的三沖量系統控制技術，與普通的串級控制系統相比，其可將蒸汽流量因素納入到鍋爐中，作為前饋控制的信號，構成一個具有前饋控制的串級控制系統。

4 鍋爐水位控制系統的實現

鍋爐水位控制系統的實現技術包括2部分：①下位機。主要運用某自動化工廠的工業控制器1769-L33E，上位機則運用iFIX的自動化監測軟件。下位機存放鍋爐水位控制的各種數據，②上位機。負責顯示數據，并對其進行管理。本次系統的硬件主要有PLC、交換機、現場的各種儀表等，其中，以PLC為主要硬件。在本系統中運用三沖量雙PID進行控制。

在設計中，汽包水位是被調節的控制量，給水流量和蒸汽流量則作為輔助性的沖量信號，三沖量雙PID的工作原理為：汽包水位是主PID控制過程中的變量，通過比較汽包水位與預設值進行PID運算，將蒸汽流量的信號傳遞給主PID，使其作為從PID的預設值。在從PID中，給水流量是控制的過程變量，與預設值進行做差計算，從而調節水閥的開合度，保持汽包水位的穩定性。

5 結束語

在熱電廠中，鍋爐是廣泛應用的動力設備，承擔著發電的重要作用。鍋爐系統可以分為3個子系統，其中，給水控制系統在其中發揮著至關重要的作用。在給水控制系統中，可以采用汽包水位單沖量、雙沖量、三沖量控制技術。其中，基于PLC三沖量的控制系統可充分發揮其優勢，以調節水閥、保持汽包水位的穩定性，從而提高熱電廠的發電效率。

參考文獻

[1]于機鵬.熱電廠鍋爐改造及綜合自動控制研究[J].科技創新導報，2011（05）.

[2]劉國華.基于PLC和FCS集中供熱鍋爐控制系統設計[J].電力科學與技術學報，2011（02）.

〔編輯：張思楠〕