锅炉水位三冲量控制及调节

汽包水位三冲量调节系统是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号作用于调节器上，即三个被控变量对应一个调节器。

工作原理：汽包水位作为主信号，水位变化，调节器输出发生变化，继而改变给水流量，使水位恢复到给定值；蒸汽流量作为前馈信号，防止“虚假水位”使调节器产生错误的动作；给水流量作为反馈信号，使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用。

锅炉汽包水位三冲量调节系统是火电厂锅炉核心控制之一。汽包水位三冲量调节系统的给水调节阀动作频繁，锅炉水位对给水调节阀执行机构的动作比较敏感，稍有不慎就可能出现严重的危险情况，汽包水位三冲量调节系统关系到整个机组的安全运行：若汽包水位过高，会造成蒸汽带水；若汽包水位过低，会造成锅炉“干锅”，可能严重烧坏锅炉设备。汽包水位三冲量调节系统的重要性由此可见一斑，所以汽包水位的相关保护要完善可靠、汽包水位自动调节系统运行要平稳。目前，汽包水位三冲量自动调节控制策略已经相当成熟，但在实际锅炉运行中会各种原因导致水位自动调节系统投入困难，甚至自动不能投入。这种现象让人对串级三冲量调节系统的调节能力和控制策略产生疑问。为此云润与大家交流运用心得，对级三冲量调节系统进行定性分析，并对一些异常情况的处理办法进行探讨。

1、水位三冲量调节控制策略

汽包水位三冲量调节系统使用的三个冲量分别是汽包水位、给水流量和蒸汽流量。

汽包水位作为主调（PID调节器）的输入信号，去抑制水位本身的偏差。副调（外给定调节器）使用了一个反馈信号（给水流量）和一个前馈信号（蒸汽流量），以消除扰动和虚假水位。各种介绍汽包水位三冲量调节系统的书籍中，都有对传递函数的计算，这些计算对系统设计很重要。如果用经验调节法对于系统维护，则完全可以抛开理论计算。在此只对其物理意义进行定性思考和作一番揣测。

1.1 反馈信号

反馈信号指给水流量信号，也叫内扰。

水位三冲量调节系统中被调量发生变化的时候，PID 经过运算，去控制执行机构进行合理的动作，执行机构改变给水调节阀的开度，阀门控制介质变化，达到控制给水流量的目的。可是给水调节阀执行机构特性、水位三冲量调节系统的运行状况存在很多差异，这些差异主要有：

（1）执行机构线性：执行机构改变开度后，流量随之改变的大小。

（2）执行机构死区：PID 输出每变化多少，执行机构才能动作一次。

（3）执行机构空行程：执行机构在改变动作方向的时候，改变多少开度，给水流量才发生变化（减去死区的值）。

（4）执行机构回差：执行机构进行开、关两个方向的动作的时候，流量变化不相等，这个流量变化绝对值的差叫回差。

（5）执行机构及阀门的特性曲线改变：阀门线性改变，阀门每变化1%，流量变化量与以往不同。

（6）水位三冲量调节系统软故障：偶尔发生的系统故障使得给水流量变化不均

匀，或者时有停顿。

（7）系统介质参数发生变化：指因给水压力、蒸汽压力变化导致给水流量变化。

上述差异会对系统的调节造成干扰，甚至上述的情况在运行过程中也在变化。介质参数随时发生变化，其它参数可能缓慢发生变化，大家必须关注这些变化因素。在一个中等容量的机组中，一般汽包水位对给水流量的变化非常敏感，流量变化10t/h左右，就会造成水位逐渐上升。通常执行机构动作1%的开度，就足以造成10t/h的流量变化。

水位三冲量调节系统主调的输出给副调一个给水量的指令。如果给水流量信号与这个指令不一致，副调的作用使执行机构改变给水调节阀开度，去让流量信号与主调的输出去一致；如果主调输出没有波动，而流量信号有波动，说明执行机构、阀门甚至给水压力等因素发生变化，这些变化的因素叫做内扰。此时若不管这些变化，将最终会影响到汽包水位，等汽包水位变化后主调再进行调节，就会因延误而过调；副调的作用就是快速消除扰动，如果调节合理则有可能让汽包水位不受干扰或者少受干扰。

给水流量信号的设立，一个很重要的作用就是消除内扰。

1.2 前馈信号

前馈信号是指蒸汽流量信号。也叫外扰。

当机组负荷需求波动会引起燃烧和蒸汽流量的波动。在蒸汽流量波动的时候就应该及时对系统进行调节，若等到汽包水位开始波动的时候再调节给水流量，汽包水位可能因波动速度较快而纠正较慢出现较大波动。为了克服外扰，所以加入蒸汽流量这个信号。假设机组负荷需要增大，蒸汽流量随之增大，此时不等汽包水位降低，在副调里预先增大给水流量，最终使得汽包水位保持平稳。

引入蒸汽流量信号是为了为了克服外扰和“虚假水位”。所谓“虚假水位”是指当机组负荷突然增加，锅炉输出蒸汽量突然增大，此时锅炉因蒸发量增加，给水量未来得及变化，此时汽包水位应该降低；但锅炉出汽量突然增大导致蒸汽压力突然降低，使汽包里汽水混合物中的汽泡急剧增加，汽泡鼓动着汽包水位虚增，造成了汽包水位增高的现象。

锅炉出现虚假水位时汽包水位增高，主调使得执行机构关小，加剧了水位降低的情况。但是因为前馈信号的存在，蒸汽流量一旦增大，副调的PID命令执行机构开大，抵消了虚假水位造成的影响。

因此副调的反馈信号和前馈信号作用非常大，也非常有必要。

1.3 控制策略图

前馈信号和反馈信号的作用相反。请注意PID的正反作用。

2、水位三冲量调节常规参数整定规律

有人对串级调节系统的参数整定比较生疏。因为串级系统参数较多，比较不容易分析。下面我们分步骤对参数整定方法作个探讨。

2.1 设置副调流量系数

包括给水流量系数和蒸汽流量系数。这两个系数没有固定值。如果副调的比例作用很弱，这两个系数甚至可以取消不用。之所以要设置流量系数，是要提醒读者注意：在调试过程中，切不可先令副调比例作用过强！否则有可能造成系统震荡，最终导致安全事故。

一般我们预设这个系数为0.3左右，蒸汽流量系数和给水流量系数应该大致相等。

2.2 设置副调的比例带非常大，积分时间为无穷大

比例作用的大小因系统而异。原则上应该先把副调作用放很小，以防止系统或者副调震荡。

2.3 设置主调的积分时间为零，比例作用比较弱

之所以没有给出比例作用的具体数值，是因为根据不同的系统、不同的DCS系统、不同的程序或PID调节器，这个值差异很大。

一般来说，副调的比例带可以先设为150-600，主调比例带设为100-200。

2.4 逐渐降低主调比例带

根据观察结果，逐渐增强比例作用，直到系统接近平稳。4

或者继续增强比例作用，直到系统接近于等幅震荡，然后把此时的比例带除以0.6，基本上接近于可用了。但是对于汽包水位系统，最好不要调到等幅震荡，这样会使系统处于危险的境地。

2.5 逐渐增强主调积分作用

积分作用逐渐增强，能在较短时间（10分钟左右）内消静差即可。

积分作用不能放得很强，切记！主调积分作用太强不仅没有好处，还会带来危害。因为在被调量开始强势回调的时候，需要调节器的输出也要快速回调，这样才能使得被调量不会大幅度超调，而这时候如果积分作用很强，积分作用会使得调节器的输出不仅不回调，而且还可能按照原来的趋势继续调节，一直等到被调量和设定值接近相等的时候，才开始回调，此时为时已晚，必然造成大幅度的超调。要记住：主调积分的目的是为了消除静差的。只要系统没有静差，积分作用就不必要增强。

2.6 不使用微分作用

微分作用可以超前调节，但水位三冲量调节系统不使用微分。因为水位、流量信号大多存在着微小的波动，微分作用会将这些波动放大，造成干扰。

2.7 主调比例带与副调比例带相乘。减弱主调作用，逐渐增强副调作用