[摘要] 根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了余熱鍋爐自動(dòng)補(bǔ)水控制系統(tǒng)。在分析了汽包水位的動(dòng)態(tài)特性后，根據(jù)其特點(diǎn)選擇合適的控制方案，分別設(shè)計(jì)了單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制系統(tǒng)。并總結(jié)了每種控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合，為生產(chǎn)的正常進(jìn)行提供及時(shí)的指導(dǎo)，為安全生產(chǎn)創(chuàng)造了必要的先決條件。

[關(guān)鍵詞] 汽包水位 單沖量控制 雙沖量控制 三沖量控制 動(dòng)態(tài)特性

一、引言

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)，是一個(gè)非常重要的被控變量，維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐正常運(yùn)行的首要條件。水位過高時(shí)，飽和水蒸氣帶水過多，同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水位過低時(shí)，說明汽包內(nèi)的水量過少，當(dāng)負(fù)荷較大時(shí)，水的汽化速度加快，

如不及時(shí)補(bǔ)水調(diào)節(jié)，就會(huì)使汽包內(nèi)水全部汽化，導(dǎo)致爐管損壞，甚至引起爆炸。因此，對(duì)汽包內(nèi)鍋爐水位控制要求比較高。鍋爐給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

1.汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性

圖2所示是給水流量w作用下，水位L的階躍響應(yīng)曲線。如將給水看作單容量無自衡過程，水位階躍響應(yīng)曲線如圖中L1曲線所示。

但由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低，所以給水流量w增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下氣泡容積有所減少。當(dāng)水位下氣泡容積的變化過程逐漸平衡時(shí)，水位由于汽包中儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升，直到水位下氣泡容積不再變化時(shí)，水位的變化就完全反映了由于儲(chǔ)水量的增加而逐漸上升的過程。因此，實(shí)際水位曲線如圖中L線所示。

2.汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)特性

在蒸汽流量S擾動(dòng)作用下，水位的階躍響應(yīng)

曲線如圖3所示。當(dāng)蒸汽流量S突然增加時(shí)，從鍋爐的水位平衡關(guān)系來看，蒸汽量S大于給水量w，水位應(yīng)下降，如圖中曲線L1所示。但實(shí)際情況并非如此，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，由于氣泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中L2所示。而實(shí)際顯示的水位響應(yīng)曲線L為L(zhǎng)1+L2。

從圖上可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在一開始時(shí)，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，亦然)，這種現(xiàn)象稱之為“虛假液位”。應(yīng)當(dāng)指出的是：當(dāng)負(fù)荷突然變化時(shí)，水位下氣泡容積變化而引起水位的變化速度是很快的，一般為10～20秒。變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比，也與壓力變化速度成正比，這給控制帶來一定困難，在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須加以注意。

3.汽包水位在爐膛熱負(fù)荷作用下的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)燃料量突然增加時(shí)，傳給鍋爐水的熱量也增多，上升管的蒸發(fā)強(qiáng)度增大，使蒸發(fā)面下的氣泡膨脹，液位上升，隨之蒸汽流量及汽包壓力增加，但是給水流量并沒增加，因而這種液位變化也屬于“虛假液位”。當(dāng)熱量和水量在爐內(nèi)重新達(dá)到平衡時(shí)，液位才慢慢回降。然而這種由于燃料量的突然變化引起的虛假液位比較小，而且熱負(fù)荷可由蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保證，因而這種擾動(dòng)的因素是次要的。

三、幾種鍋爐汽包水位的控制方案

1.單沖量控制系統(tǒng)

單沖量控制系統(tǒng)(沖量一詞指的是變量，單沖量即汽包液位)是采用汽包液位直接控制給水調(diào)節(jié)閥(如圖4所示)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，容易實(shí)現(xiàn)，用于小型低壓鍋爐。因?yàn)檫@種鍋爐的蒸汽負(fù)荷比較穩(wěn)定，汽包的相對(duì)容積大，用戶對(duì)蒸汽的要求往往不十分嚴(yán)格，該控制系統(tǒng)若再配上一些報(bào)警聯(lián)鎖裝置，也可以滿足生產(chǎn)要求。

在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，就不能采用單沖量液位控制系統(tǒng)。

2.雙沖量控制系統(tǒng)

在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化，那么

引入蒸汽流量來校正，不僅可以補(bǔ)償“虛假液位”所引起的誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)(如圖5所示)，這就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個(gè)前饋(蒸汽流量)加單回路反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)合控制系統(tǒng)。當(dāng)蒸汽流量加大時(shí)，給水流量亦要相應(yīng)增加，此時(shí)選用氣開閥，加法器的輸出應(yīng)增加，即應(yīng)該取正號(hào)。

雙沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)缺點(diǎn):(1)調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定完全是線性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難;(2)對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償。

為此將引人給水流量信號(hào)，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)。

3.三沖量控制系統(tǒng)

(1)三沖量控制方案I—前饋(蒸汽流量)加反饋(液位，給水流量)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)可看作三沖量的綜合信號(hào)作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)，投運(yùn)和整定與單回路控制系統(tǒng)一樣，但是如果系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不能確保物料平衡，則負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。

宜作為一般鍋爐液位的控制方案，其特點(diǎn)是使用的設(shè)備少，整定方法比較簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作比較平穩(wěn)。

(2)三沖量控制方案Ⅱ—蒸汽流量前饋給水流量串級(jí)控制系統(tǒng)。與方案I比較，其加法器從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)器后，即使出現(xiàn)物料不平衡的現(xiàn)象，只要液位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就能消除偏差。

(3)三沖量控制方案Ⅲ—蒸汽流量前饋液位與給水流量串級(jí)控制組成的控制系統(tǒng)。采用這種控制方案，在負(fù)荷變化時(shí)給水流量會(huì)及時(shí)做出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)時(shí)間也比較短，對(duì)于克服“虛假液位”的動(dòng)態(tài)偏差有進(jìn)一步的好處。適用于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴(yán)格的場(chǎng)合。

四、控制方案的確定

為保證煉鋼生產(chǎn)的需要，在生產(chǎn)中采用了單沖量與雙沖量調(diào)節(jié)自動(dòng)給水系統(tǒng)。經(jīng)過無數(shù)次的調(diào)改調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)中配上一些報(bào)警聯(lián)鎖裝置最終能保證生產(chǎn)需要。當(dāng)轉(zhuǎn)爐沒有吹氧時(shí)，采用單沖量調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)水位)，通過程序控制不斷調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度，使汽包內(nèi)水位達(dá)到汽包的中間水位(320mm)，這時(shí)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。當(dāng)轉(zhuǎn)爐開始吹氧時(shí)，采用雙沖量調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)水位、給水流量)，程序中控制最終調(diào)節(jié)給水流量為45T/H，不斷調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥開度給汽包補(bǔ)水，使汽包內(nèi)水能保證生產(chǎn)的需要。在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的蒸汽與動(dòng)力廠蒸汽并網(wǎng)。

為保證生產(chǎn)要求，畫面、程序中設(shè)置一些連鎖報(bào)警（如圖6所示）：汽包水位正常水位線320mm，當(dāng)汽包水位>540mm，汽包最高水位報(bào)警；當(dāng)汽包水位<100mm，汽包最低水位報(bào)警。

當(dāng)汽包內(nèi)壓力過高時(shí)，汽包兩個(gè)放散閥滿足不同要求時(shí)，(當(dāng)汽包壓力≥2.3MPa，l#放散閥打開；當(dāng)汽包壓力≤2.1MPa，l#放散閥關(guān)閉;當(dāng)汽包壓 力≥2.2MPa，2#放散閥打開;當(dāng)汽包壓力≤2.0MPa，2#放散閥關(guān)閉。)汽包放散閥打開，使汽包壓力降低。

汽包水位還與給水泵有連鎖，當(dāng)汽包水位<270mm一次，給水泵的頻率為45HZ高速補(bǔ)水，當(dāng)汽包水位>340mm一次，給水泵的頻率為25HZ低速補(bǔ)水，當(dāng)汽包水位<320mm一次，給水泵的頻率為45HZ高速補(bǔ)水。

五、結(jié)論

本文給出了鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制方法，通過不同的控制方案以及他們的特性，能夠很好的解決鍋爐汽包水位控制中的“虛假液位”問題。在使用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際控制對(duì)象的規(guī)模、靈敏度、控制要求等參數(shù)選擇合適的控制方案即可。并且設(shè)有液位連鎖報(bào)警，保證了工業(yè)生產(chǎn)中的財(cái)產(chǎn)和人身安全。

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