汽包锅炉课程设计

锅炉汽包水位测量系统
综述
在火力发电厂，最基本的工艺过程是利用锅炉产生蒸汽，使汽轮机运转，进而带动发电机发电。

锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分。

将锅炉汽包水位控制在一个允许范围内，是锅炉安全运行的一个重要指标，也是锅炉能提供符合质量要求得蒸汽负荷的必要条件。

如果汽包水位过低，则汽包内的水量较少，当蒸汽负荷很大时，水的汽化速度和水量变化速度都很快，如果不及时控制，可能使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；相反，当水位过高则会影响汽包的水位分离，产生蒸汽带液现象，使过热器管壁结垢而损坏，影响运行的安全性与经济性。

心得体会
本设计首先对电厂锅炉汽包水位过程控制的任务进行研究和讨论。

同时，设计也需要在实践中不断改进，不断完善。

在本设计中运用了很多电子器件和自动化器件，让我认识到了过程控制在自动化领域的重要性。

在设计过程中遇到了很多困难，同时也增长了许多在课堂上没学到的知识，使我大开眼界。

同时我也在自动化的过程控制设计过程当中学到了许多新的知识。

汽包水位控制系统设计
1.1 汽包水位控制系统基本要求
汽包锅炉给水自动调节的主要任务是维持汽包水位在允许范围内变化。

影响水位变化的主要因素有锅炉的蒸发量、给水流量和燃烧率等。

当蒸汽流量突然增大时，由于汽包水位对象是无自平衡能力的，这时水位应按积分规律下降。

但是当锅炉蒸发量突然增加时，汽包水面下的汽泡容积也迅速增大，即锅炉的蒸发强度增加，从而使水位升高。

因蒸发强度的增加是有一定限度的，故汽泡容积增大而引起的水位变化是惯性环节的特性。

实际水位变化的趋势是两种特性的迭加。

由此可以看出，当锅炉蒸汽负荷变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式：在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减小时，水位反而先下降），这种现
象就是“虚假水位”现象。

另外，给水流量和燃烧率扰动由于水面下汽泡的原因，也能产生虚假水位，因此给水控制系统不能单单以汽包水位为被调量，为了减少或抵消虚假水位现象，就必须采用三冲量调节系统。

所谓三冲量，就是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量。

蒸汽流量和给水流量是引起水位变化的原因，蒸汽流量作为水位调节的前馈信号，当蒸汽流量改变时，调节器立即动作，相应地改变给水流量，而当给水流量自发地变化时，调节器也立即动作，使给水流量恢复到原来数值，这样就有效控制了虚假水位的影响。

给水控制是串级调节系统，主调节器接受水位信号，对水位起校正作用，是细调；其输出作为副调节器的给定值，副调节器的被调量是给水流量，目的是快速消除来自水侧的扰动。

为了提高给水控制系统的可靠性，汽包水位测量使用了三个变送器。

三个经压力校正后的汽包水位信号取中间值，作为控制系统的被调量，当水位测量信号平均值超过±
300mm，而且任意两个水位测量信号越限±280mm 时，发出汽包水位MFT信号。

当给水温度不变，而压力在某个范围变化时，给水流量的测量误差很小，若给水压力不变，给水温度在某个范围内变化时，给水流量的测量误差较大，所以对给水流量信号只采取温度校正。

蒸汽流量采用汽机调节级压力的测量来表示，调节级压力经过温度修正后，可近似代表蒸汽流量测量值。

如果采用标准喷嘴测量蒸汽流量，一方面在高温高压下节流喷嘴容易磨损，检修维护也困难，测量误差较大，另一方面节流损失也大，一般不采用此种方法。

当用蒸汽流量转换出负荷小于40%时，送至给水控制系统，切为三冲量调节汽包水位。

1.2 三冲量控制系统
三冲量控制系统的原理框图如图2所示，这个系统有三个回路，即Ⅰ为副回路，Ⅱ为主回路，Ⅲ为前馈回路，副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通道则用于补偿外扰，主要用于克服“虚假水位”现象。

图1：三冲量控制系统的原理框图
1.3 双冲量控制系统
在汽包水位控制中最主要的干扰是蒸汽负荷的变化，如果根据蒸汽流量的变化来校正虚假水位的误动作，就能使调节阀动作准确及时，减少水位的波动，改善控制质量
1.4 单冲量控制系统
在低负荷时（主汽流量D〈40%），系统设计为单冲量控制系统，其原理框图如图3所示
图2：单冲量控制系统原理框图
在单冲量控制系统中对于内扰给水量的变化，系统调节能够消除内扰的影响，但调节不及时，迟延时间长。

而对于克服外扰，由于“虚假水位”的存在，使系统调节超调量大，调门大幅变化，对系统的安全性不利。

但是在起停机组过程中或在低负荷时（主汽流量D 〈40%），由于蒸汽参数低，负荷变化小，“虚假水位”现象不太严重，对于维持水位恒定的要求又不高，所以允许采用单冲量给水控制系统。

在低负荷时，若采用各种自动校正措施，则会使系统结构复杂，整定困难，同时仍然存在误差。

1.5 CFB锅炉汽包水位过程特性
图3是锅炉汽包的一个简单示意图，水位控制的要求就是维持汽包内水位在某个要求的范围内(一般要求稳定工况在±30mm内，特殊波动在±50mm)。

主要通过调节给水量来控制水位的稳定。

图3 锅炉汽包简单示意图
W——锅炉废水 D——产生的蒸汽
W1——炉膛下降水冷管 W2——炉膛上升水冷管
从质量平衡的观点来看，在调节过程中如能一直保证静态平衡，给水量=蒸发量，即W ＝D(质量流量)，则水位就能一直维持在“0”位。

但实际系统是动态的，给水压力、主蒸汽压力在调节中一直在不断的变化，而且流量的温压补偿通常也只是经验的、近似的。

因为系统太复杂，无法求得实时精确的给水及蒸汽质量流量，所以我们通过汽包水位来间接地反映水系统的质量平衡。

控制汽包水位在要求的值的一个首要条件是必须得到真实的汽包水位测量值。

遗憾的是，汽包水位控制中存在着明显的“虚假水位”现象。

要设计满意的控制器必须对其进行深入分析。

对于锅炉汽包，负荷升高时，蒸汽流量D增大，导致汽包内水蒸汽压力突然降低，水的沸点也相应降低，沸腾加剧，水面下气泡容积增大，从而导致水位突然升高；另一方面，给水流量突然增加时，温度较低的给水从原有的饱和汽水混合物中吸取一部分热量，使水面下气泡容积减少，水位下降。

这种在蒸汽流量或结水流量变化初期，汽包水位沿着相反方向变化的现象人们称之位“虚假水位”。

从控制上来讲，“虚假水位”实际上就是非最小相位系统。

我们以蒸汽流量的增加对汽包的影响为例进行分析。

在给水不变的情况下，负荷提升，导致蒸汽流量增加，如果不考虑其它因素的影响，则汽包水位由于蒸汽流量大于给水流量而直线下降。

如图2曲线c所示；蒸汽量增大初期，因水中气泡容积增大导致水位暂时先上升，由于气泡容积只能增大到汽包压力水平，故这种上升是有限的，一段时间后，汽包压力就达到稳定，水位也不再
结论
汽包水位控制系统的组态设计以串级三冲量控制理论和单冲量控制理论为基础，采用了三个比例积分调节器（串级三冲量系统的主副调节器、单冲量系统的调节器），通过PI 参数的修正以及控制系统的无扰切换和可靠的跟踪技术，实现了低负荷时采用单冲量控制系统，高负荷时采用三冲量控制系统，并在特殊情况或按操作人员的要求切手动的各方面要求。

克服了给水系统内扰、外扰的影响，在“虚假水位”的情况下，能够进行可靠准确的自动调节。

通过水位给定值根据负荷的自动给定，使控制更合理更客观，自动化水平进一步提高。