锅炉汽包水位控制系统的设计

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１９９４．
第一作者简介： 任冬子， 男， １９８２ 年 ７ 月 生 ， 现 为 西 北 大 学 生 态 学 专
［ １３］ 邹 喻 萍 ， 葛 颂 ， 王 晓 东．系 统 与 进 化 植 物 学 中 的 分 子 标 记［ Ｍ］ ．北
业在读硕士研究生， 西北大学生命科学学院， 陕西省西安市西北大学 ２０１
应曲线见图 ３。
Ｇ０（２
ｓ）
＝
Ｈ（ Ｖ（Ｄ
ｓ） ｓ）
＝－
１ Ｔ′!Ｓ
＋
Ｋ２′ Ｔ２Ｓ＋１
（ ５）
由图 ３ 可知， 当负荷蒸汽流量增加时， 汽包水位开始不但不降反而
上升， 即先上升后下降； 当蒸汽负荷量突然减小时， 则汽包水位变化的情
况相反， 先降后升。
造成“虚假液位”的原因有： 一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽
中图分类号： ＴＫ２２
文献标识码： Ａ
工业锅炉是工业生产和生活上应用广泛的热能动力设备， 锅炉汽包 水位是锅炉正常运行的主要指标。水位过高会影响汽水分离， 产生蒸汽 带液现象； 水位过低会影响汽水循环， 如不及时调节， 可能导致锅炉事 故 。工 业 锅 炉 汽 包 水 位 控 制 的 任 务 是 跟 踪 锅 炉 的 蒸 发 量 并 维 持 汽 包 水 位 在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内， 是保证锅炉 安全生产运行的必要条件， 也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。因 此， 锅炉控制要求水位波动尽可能小， 同时要求控制信号尽量平稳。
Ｇ０（１
ｓ）
＝
Ｈ（ Ｖ（ｗ
ｓ） ｓ）
＝ Ｔ１Ｓ（
Ｋｗ Ｔ２Ｓ＋１）
由图 ２ 可知， 在给水流量阶跃输入作用下， 当突然加大给水量（ 蒸汽
量 不 变） ， 使 给 水 量 大 于 蒸 发 量 ， 汽 包 水 位 一 开 始 并 不 立 即 增 加 ， 而 呈 现
出一段起始惯性段。这是因为温度较低的更多的给水进入了水循环系
当负荷（ 蒸汽流量） 突然发生变化， 蒸汽流量信号能使给水调节阀一 开始就向正确方向移动， 即当蒸汽流量增加时， 给水调节阀开大， 抵消了 由于“虚假水位”引起的反向误动作。当水压变化使给水流量改变时， 调 节器能迅速消除干扰。如给水流量减少， 调节器立即根据给水流量减少 的信号开大给水阀， 从而使给水量保持不变。另外， 给水流量信号也是调 节器动作后的反馈信号， 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动作加快， 还可以避免调节过量， 减少水位波 动， 防止失控。图 ６ 为三冲量控制系统方框图。
［ １１］ 余艳， 陈海山， 葛学军．简单 重 复 序 列 区 间（ ＩＳＳＲ） 引 物 反 应 条 件 优
环境科学出版社， １９８５： １０５－ １１０．
化与筛选［ Ｊ］ ．热带亚热带植物学报， ２００３， １１（ １） ： １５－ １９．
（ 责任编辑： 王永胜）
［ １２］ 应 俊 生 ， 张 玉 龙 ． 中 国 种 子 植 物 特 有 属［ Ｍ］ ． 北 京 ： 科 学 出 版 社 ，
位就随着贮水量的增加而直线上升。
１．２ 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性
汽 包 水 位 在 蒸 汽 流 量 扰 动 下 的 动 态 特 性（ 给 水 量 不 变） 可 用 下 式 表
示：
! " Ｔ１Ｔ２
ｄ２ｈ ｄｔ２
＋Ｔ１
ｄｈ ｄｔ
＝－
ＴＤ
ｄｖＤ ｄｔ
＋ＫＤＶＤ
wk.baidu.com（ ４）
则其传递函数可以用两个动态环节的并联来等效， 其汽包的阶跃响
京： 科学出版社， ２００１．
信箱， ７１００６９．
ＩＳＳＲ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｍｅｄｉｃｉｎａｌ Ｐｌａｎｔｓ ｏｆ Ｄｉｐｅｌｔａ ｉｎ Ｓｏｕｔｈｅｒ ｎ Ｇａｎｓｕ Ｐｒ ｏｖｉｎｃｅ
ＲＥＮ Ｄｏｎｇ－ｚｉ， ＬＩＵ Ｚｈａｎ－ｌｉｎ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｎｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｕｒ ｓｐｅｃｉｅｓ ｏｆ Ｄｉｐｅｌｔａ ｉｎ Ｓｏｕｔｈｅｒｎ Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ ｗｉｔｈ ＩＳＳＲ ｍｅｔｈｏｄ， ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｉｎｄｉｎｇｓ， ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｏｆ ｐｏｌｙｍｏｒｐｈｉｃ ｂａｎｄｓ （ ＰＰＢ） ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｓｐｅｃｉｅｓ ｉｓ ｕｐ ｔｏ １００％ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ｉｓ ａｂｕｎｄａｎｔ， ｂｕｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｓｐｅｃｉｆｉｃ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｕｎｅｖｅｎ， ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｓｉｍｉｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ｎｅｉ’ｓ ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｓｈａｎｎｏｎ’ｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ， ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｉｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＵＰＧＭＡ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｂａｎｄｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ＩＳＳＲ， ａｎｄ ｄｒａｗｓ ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ＩＳＳＲ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍａｒｋｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｗｅｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ Ｄｉｐｅｌｔａ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ： Ｄｉｐｅｌｔａ ； ＩＳＳＲ ｍａｒｋｅｒｓ ； ｇｅｎｅｔｉｃ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ ； ｃｌｕｓｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ
统， 使它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量， 汽包和汽水管路中由
于热量的损失， 汽泡体积减少。经省煤器进入汽包的给水， 首先必须填补
由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间。这时， 虽然给水量增加， 但水位基
本不变。但水面下汽包容积变化过程逐渐平静时， 汽包水位才由于贮水
量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化， 完全稳定下来时， 水
１．１ 汽包水位在给水流量作用下的动态特性
给水量是锅炉的输入量， 如果蒸汽负荷不变， 那么在给水流量发生
变化时， 汽包水位对象的微分方程式可以表示为：
Ｔ１Ｔ２
ｄ２ｈ ｄｔ２
＋Ｔ１
ｄｈ ｄｔ
＝Ｔｗ
ｄｖｗ ｄｔ
＋ＫｗＶｗ
（ ２）
从而可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数：
Ｇ０（１
ｓ）
＝
Ｈ（ Ｖ（ｗ
ｓ） ｓ）
双冲量水位自动控制系统存在的问题有： 一是对于给水系统的扰动 不能直接补偿。当给水量发生扰动时， 要等到汽包水位信号变化时才能 通过调节器操作执行调节， 滞后时间长， 水位波动大。二是调节阀的工作 特性不是完全线性的， 因此， 要做到静态补偿就比较困难。 ２．３ 三冲量控制系统
三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号， 蒸 汽流量为前馈控制信号， 给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。
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张松兰， 刘延太 锅炉汽包水位控制系统的设计
本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 科技研讨
Ｔｗ 的数 值 一 般 很 小 常 常 可 以 忽 略 不 计 ， 对 于 一 些 锅 炉 ， 在 给 水 量 增 加时， 在较长的一段时间里， 汽包水位并不增加， 存在一段较长的起始惯 性段， 用下式近似表示， 其响应曲线图见图 ２。
１ 锅炉汽包水位特性
工业锅炉汽水系统结构见图 １。汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和
水， 储藏量的多少是以被控量水位来表征的。汽包的流入量是给水量， 流
出量是蒸汽量， 当给水量等于蒸发量时， 汽包水位就能恒定不变。引起水
位 变 化 的 主 要 扰 动 是 蒸 汽 流 量 的 变 化 和 给 水 流 量 的 变 化 。如 果 只 考 虑 主
科技情报开发与经济
ＳＣＩ－ ＴＥＣＨ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ ＆ ＥＣＯＮＯＭＹ
２００８ 年 第 １８ 卷 第 １４ 期
文章编号：１００５－ ６０３３（ ２００８） １４－ ０１３０－ ０３
锅炉汽包水位控制系统的设计 ＊
收稿日期： ２００８－ ０３－ １９
张松兰 １， 刘延太 ２
［ １０］ 王 建 波．ＩＳＳＲ 分 子 标 记 及 其 在 植 物 遗 传 学 中 的 应 用 ［ Ｊ］ ． 遗 传 ，
１９８５（ ５） ： ７６－ ７９．
２００２， ２４（ ５） ： ６１３－ ６１６．
［ １５］ 中 国 科 学 院 中 国 植 物 植 物 志 编 委 会．中 国 植 物 志［ Ｍ］ ．北 京 ： 中 国
双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号， 以蒸汽 流 量 信 号 作 为 前 馈 信 号 构 成 的“ 前 馈 — 反 馈 ”控 制 系 统 。系 统 方 框 图 见 图 ５。
引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作， 而 且能使给水调节阀的动作及时， 从而提高控制质量。但这里的前馈仅为 静态前馈， 若要考虑两条通道在动态上的差异， 则还需要引入动态补偿 环节。在给水压力比较平稳时， 采用双冲量控制就能达到控制要求。
从图 ６ 可以看出， 三冲量水位控制系统有两个闭合回路： 一个是由 给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路； 另一个是由汽包
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张松兰， 刘延太 锅炉汽包水位控制系统的设计
本刊 Ｅ－ ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ 科技研讨
水 位 对 象 和 内 回 路 构 成 的 主 回 路 。蒸 汽 流 量 及 其 蒸 汽 变 送 器 未 包 含 在 这 两个闭合回路之内， 但它的引入可以改善控制质量， 且不影响闭合回路 工作的稳定性， 所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。
水混合物的汽水比例发生变化（ 汽容积增加） 而引起汽包水位上升， 这是引
起汽包“虚假液位”的主要原因。二是蒸汽流量增加， 汽包气压下降， 炉水沸
点下降。由于炉水位饱和水的气化， 使汽包水位随压力下降而升高。
２ 汽包水位控制方案
汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”
这 种 控 制 系 统 是 典 型 的 单 回 路 定 值 控 制 系 统 。对 于 水 在 汽 包 内 的 停 留时间较长， 且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重， 采用单 冲量控制系统， 进行 ＰＩＤ 调节一般就能满足生产要求。然而， 在其他的场 合， 尤其是在水停留时间较短， 且负荷变化较大的锅炉中， 由于控制作用 缓慢， 不能及时克服干扰， 采用单冲量控制系统就不太合适。 ２．２ 双冲量控制系统
（ １．盐城工学院电气与信息工程学院， 江苏盐城， ２２４００３； ２．淮南平圩发电有限公司运行部， 安徽淮南， ２３２０８９）
摘 要：锅炉汽包给水自动控制的目的是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量， 以保证汽
包水位在规定的范围内。分析了锅炉汽包水位的特性， 并详细介绍了汽包水位控制方
案。
关键词： 锅炉汽包； 自动控制系统； 水位控制
的影响和各种干扰对水位的影响， 维持汽包水位在允许的范围内变化。 在工业汽包水位的自动控制中， 针对不同的控制信号有单冲量控制系 统 、双 冲 量 控 制 系 统 和 三 冲 量 控 制 系 统 。 ２．１ 单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号， 冲量即变 量 。 单 冲 量 水 位 控 制 系 统 由 汽 包 、变 送 器 、调 节 器 、执 行 器 及 调 节 阀 等 组 成， 系统方框图见图 ４。
要扰动， 那么， 汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为：
" #" $ Ｔ１Ｔ２
ｄ２ｈ ｄｔ２
＋Ｔ１
ｄｈ ｄｔ
＝
Ｔｗ
ｄｖｗ ｄｔ
＋ＫｗＶｗ
－
ＴＤ
ｄｖＤ ｄｔ
＋ＫＤＶＤ
（ １）
式中： Ｔ１， Ｔ２ 为时间常数； Ｔｗ 为给水流量项时间常数； ＴＤ 为蒸汽流量项 时间常数； Ｋｗ 为给水流量项的放大系数； ＫＤ 为蒸汽流量项的放大系数。
＝
ＴｗＳ＋Ｋｗ Ｔ１Ｓ（ Ｔ２Ｓ＋１）
（ ３）
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
［ Ｊ］ ．湖南医科大学学报， １９９８， ２３（ ４） ： ４０３－ ４０４．
［ １４］ 中国科学院西北植物研究所．秦岭植物 志［ Ｍ］ ．北 京 ： 科 学 出 版 社 ，