锅炉汽包水位三冲量控制系统的设计

０ 引 言 锅炉是化工生产 中 重 要 的 动 力 设 备，汽 包 水 位 是
锅炉正常运行过程中 最 重 要 的 监 控 参 数 之 一，它 间 接 地反映了锅炉负荷和给水的平衡关系。汽包水位过高 或 急 剧 波 动 时 ，会 影 响 汽 水 分 离 装 置 正 常 工 作 ，造 成 出 口蒸汽带水，温度下 降，造 成 蒸 汽 管 道 结 垢，直 接 影 响 着 后 序 设 备 的 正 常 运 行 ；汽 包 水 位 过 低 ，可 能 使 锅 炉 水 循 环 工 况 破 坏 ，烧 坏 受 热 面 还 可 能 造 成 干 锅 ，引 起 排 污 失 效 ，造 成 大 面 积 爆 破 的 危 险 。 因 此 ，汽 包 水 位 保 持 在 一定范围内是锅炉安 全 运 行 的 必 要 条 件，锅 炉 给 水 控 制系统对于锅炉的安全稳定运行及节能减排起着至关 重要的作用。 １ 锅 炉 汽 包 水 位 的 动 态 特 性 分 析 ［１，２］
成的。由 Ｈ 曲线可看出给水扰动的特点是：当给水 扰 动刚加入时，由于给水过冷度的影响，水位 Ｈ 的变化很 慢，经过一段时间之后，汽包内部的物料不平衡起 主要 作用了，水位逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升， 如果给水流量和蒸汽流量不能平衡，水位将不能稳定。
图 １ 给 水 流 量 扰 动 下 水 位 的 阶 跃 响 应 曲 线
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合成的。当蒸汽流量 突 然 减 小 时，水 位 变 化 则 是 先 下 降再上升。
幅 度 ，且 是 产 生 “虚 假 水 位 ”的 根 源 ，引 入 蒸 汽 流 量 作 为 前馈信号，以改善 外 部 扰 动 时 的 控 制 品 质。 控 制 系 统 的构成如图３所示。
图 ２ 蒸 汽 流 量 扰 动 下 水 位 的 阶 跃 响 应 曲 线
２ 基 本 控 制 思 路 汽包水位控制的 中 心 任 务 是 控 制 给 水 流 量，使 给
水流量与蒸发量保持 动 态 平 衡，汽 包 水 位 维 持 在 一 定 范围内。由于汽包水位的调节具有一定的延迟性和惯 性，当给水流量、蒸发 流 量 发 生 阶 跃 变 化 时，汽 包 水 位 不 能 立 即 跟 着 作 线 性 变 化 ，经 过 综 合 考 虑 ，设 计 了 基 于 ＤＣＳ系统的锅炉三冲量 给 水 控 制 系 统：控 制 通 道 在 给 水 侧 ，给 水 流 量 作 为 系 统 的 调 节 变 量 ，给 水 流 量 扰 动 在 控 制 系 统 的 闭 合 回 路 里 ；蒸 汽 流 量 只 影 响 水 位 波 动 的
收 稿 日 期 ：２０１２－０５－１４； 修 回 日 期 ：２０１２－０６－２２ 作者简介：张保盛 （１９７０－），男，山西洪洞人，工程师，本科，现从事自控仪表系统的技术开发和管理工作。
来自百度文库
２０１２ 年 第 ６ 期 张 保 盛 ，等 ：锅 炉 汽 包 水 位 三 冲 量 控 制 系 统 的 设 计
第 ６ 期 （总 第 １７５ 期 ） ２０１２ 年 １２ 月
机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ
文 章 编 号 ：１６７２－６４１３（２０１２）０６－０１５４－０３
Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．
锅炉汽包水位三冲量控制系统的设计
张保盛，曹 莉
（山西德力信电子科技有限公司 生产服务部，山西 洪洞 ０４１６０６）
１．２ 汽包水位在蒸汽流量 Ｄ 扰动下的动态特性 蒸汽流量Ｄ 的扰动主要来自汽轮发电机组功率
或 外 界 用 汽 负 荷 的 变 化 ，属 于 外 部 扰 动 ，水 位 变 化 的 阶 跃响应曲线如图２所示。当负荷设备的用汽量突然增 加 时 ，单 从 物 料 不 平 衡 的 角 度 考 虑 ，汽 包 中 的 蒸 发 量 大 于给水量，汽包水 位 的 变 化 应 如 图 ２ 中 Ｈ１ 所 示 直 线 下降。但实际显示出的水位变化如图２ 中 Ｈ 所示，水 位不但不下降，反而迅 速 上 升，这 就 是 我 们 常 说 的 “虚 假 水 位 ”。 这 是 由 于 当 锅 炉 的 蒸 发 量 突 然 增 加 时 ，瞬 间 导 致 汽 包 压 力 下 降 ，沸 腾 加 剧 ，水 面 下 的 汽 泡 容 积 增 加 得 很 快 ，汽 包 水 位 上 升 ，当 汽 泡 容 积 与 负 荷 相 适 应 达 到 稳定后，水位就随物 料 的 不 平 衡 关 系 的 变 化 而 开 始 下 降。水面下汽泡容积的增加而使水位的变化如图２中 Ｈ２ 所示，实际的液位变化曲线 Ｈ 相 当 于 是 Ｈ１ 和 Ｈ２
锅炉 在 运 行 过 程 中，由 于 负 荷、燃 烧 状 况、给 水 流 量 等 多 个 干 扰 因 素 的 影 响 ，汽 包 水 位 是 经 常 变 化 的 ，其 中最主要的干扰因素 有：① 来 自 给 水 管 道 和 给 水 泵 方 面的扰动，包括给水 压 力、调 节 阀 开 度 等 的 变 化；② 来 自 蒸 汽 负 荷 的 扰 动 ，包 括 主 蒸 汽 调 节 阀 开 度 、蒸 汽 管 道 阻力等的变化。分析 汽 包 水 位 的 动 态 特 性，确 定 给 水 自动控制系统设计时 如 何 考 虑 这 些 扰 动 因 素，是 设 计 给水自动控制系统的主要依据。 １．１ 汽包水位在给水流量 Ｗ 扰动下的动态特性
摘要：介绍了锅炉汽包水位的动态特性，提出了基本的控制思路，利用横河 ＣＳ３０００ＤＣＳ系 统 灵 活 的 组 态 方 式、丰富的内部仪表模块资源，更好地实现了汽包水位的三冲量控制，从而提高了锅炉给水控制的品质。 关键词：锅炉汽包水位；串级控制系统；三冲量控制 中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７３∶ＴＫ２２３．７＋５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
给水流量 Ｗ 的扰动是影响汽包水位的主要因素， 它来自控制侧，属于内部扰动。给水流量 Ｗ 扰动下水 位变化的阶跃响应曲线如图１所示。图１中，Ｈ１ 为不 考虑水面下汽泡容积 变 化 的 响 应 曲 线，是 由 汽 包 内 部 的物料不平衡引起 的；Ｈ２ 为 给 水 过 冷 度（给 水 温 度 低 于 汽 包 内 饱 和 水 温 度 ）所 引 起 的 水 位 变 化 ，给 水 过 冷 度 越大，Ｈ２ 变化的幅度越大；Ｈ 为水位受 到 给 水 流 量 Ｗ 阶跃扰动后的实际响应曲线，可认为是由 Ｈ１ 和 Ｈ２ 合