黃劍

摘 要： 本文分析了鍋爐汽包水位影響因素及控制方式，介紹了給水量和蒸發(fā)量對(duì)汽包液位的影響，及鍋爐汽包單沖量、雙沖量、三沖量控制方式。

關(guān)鍵詞： 汽包；水位；控制

維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。

1.鍋爐汽包液位的影響因素

鍋爐中常見的事故包括鍋爐缺水、汽水共騰、鍋爐滿水、爐膛爆破、鍋爐超壓、二次燃燒和鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水的事故比例最高，這些事故中大部分是由于汽包液位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包液位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性?，F(xiàn)代工業(yè)飛速的發(fā)展導(dǎo)致用戶對(duì)電的需求量越來越大，直接反映在對(duì)鍋爐蒸汽流量的需求量上，鍋爐內(nèi)液位變化率較大，如果控制方法不當(dāng)很容易造成鍋爐滿水或者鍋爐缺水，產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。為了解決鍋爐滿水或者鍋爐缺水這兩種極端，就應(yīng)該讓汽包液位距鍋爐滿水或者鍋爐缺水這兩種極端的留有相同的裕量，即汽包液位應(yīng)該控制在中線上，此時(shí)既不容易滿水又不容易缺水，并且汽包液位在中線時(shí)蒸發(fā)面積最大，節(jié)省了能量，因此應(yīng)選用汽包中心液位為理想的控制目標(biāo)。

1.1 鍋爐汽包液位的變化

工業(yè)鍋爐的汽包和蒸發(fā)管系中貯藏著水和蒸汽，貯藏量的多少是以被控制量液位表征的，而流入汽包的量是給水量，流出汽包的量是蒸汽量，當(dāng)給水量和蒸汽量相等時(shí)，汽包液位就恒定不變。引起液位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽流量和給水流量的變化。

1.2 給水量對(duì)汽包液位的影響

在蒸汽量不變的情況下，當(dāng)突然增大給水量時(shí)，此時(shí)給水量大于蒸汽量，但由于給水管中水的溫度低于汽包內(nèi)水的溫度，給水管的水進(jìn)入汽包后從原有的飽和汽水中吸取了一部分熱量使汽包內(nèi)的水溫降低，汽包內(nèi)的氣泡容積就會(huì)變小，經(jīng)省煤器進(jìn)入汽包的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽泡容積和數(shù)量的減少而讓出的空間，這時(shí)雖然給水量增加，但液位基本不變，這就是剛開始汽包液位并不立即增加而呈現(xiàn)出一段起始慣性段的原因。當(dāng)液位下汽泡容積和數(shù)量的變化趨于穩(wěn)定時(shí)，汽包內(nèi)液位才會(huì)隨給水量的增加而逐漸上升。當(dāng)液位下汽泡容積和數(shù)量不再變化而完全穩(wěn)定下來時(shí)，液位的變化就隨著給水量的增加而直線上升。

1.3 蒸汽量對(duì)汽包液位的影響

鍋爐產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過過熱器和蒸汽閥作用于汽輪機(jī)，而汽輪機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，對(duì)蒸汽的需求量也相應(yīng)的增大，反之則減小。而我們先討論給水量不變的情況下蒸汽流量對(duì)汽包液位的影響。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增大時(shí)，此時(shí)給水量不變，液位勢(shì)必將下降，而實(shí)際情況不然，主要是因?yàn)殄仩t蒸汽量突然增大時(shí)使?fàn)t管和汽包中的水和蒸汽的比例發(fā)生變化（蒸汽容積增加）而引起汽包液位上升，此外蒸汽流量突然增加，汽包內(nèi)壓力下降，汽包中水的沸點(diǎn)下降，沸騰加劇，液位下汽包體積增大，使汽包液位隨壓力下降而升高，這也會(huì)導(dǎo)致汽包液位上升，以上兩點(diǎn)就是“虛假液位”現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。同理，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，而給水量不變時(shí)，汽包液位會(huì)先降低后升高。

2.鍋爐汽包液位的控制方式

在液位控制系統(tǒng)中，主要的干擾因素為給水流量和蒸汽流量，針對(duì)不同的控制信號(hào)可以將鍋爐液位控制系統(tǒng)為單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。

單沖量控制系統(tǒng)以液位為給定信號(hào)，給水量為控制信號(hào)，這種控制簡(jiǎn)單適用于虛假液位不嚴(yán)重、負(fù)荷較平穩(wěn)和汽包容量大的鍋爐系統(tǒng)。雙沖量控制系統(tǒng)為了克服由于蒸汽流量而引起的“虛假液位”現(xiàn)象，在單沖量控制方式基礎(chǔ)上加入蒸汽流量控制信號(hào)作為前饋控制信號(hào)，構(gòu)成前饋和反饋相結(jié)合的雙沖量控制系統(tǒng)，使給水閥一開始就朝正確的方向動(dòng)作，同時(shí)有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制品質(zhì)，但這種控制系統(tǒng)不能迅速克服給水壓力變化對(duì)液位的影響，因?yàn)楫?dāng)給水壓力波動(dòng)時(shí)，給水流量將相應(yīng)變化，此時(shí)只有待液位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用，這種系統(tǒng)適用于給水流量變化不大的鍋爐系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)是在雙沖量控制系統(tǒng)上引入以給水流量為控制信號(hào)的內(nèi)環(huán)負(fù)反饋控制，即串級(jí)控制，組成了三沖量前饋-反饋串級(jí)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)綜合了單沖量控制系統(tǒng)和雙沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并且也能克服給水壓力變化和給水流量變化對(duì)汽包液位的影響，即三沖量控制系統(tǒng)能及時(shí)地調(diào)節(jié)給水閥開度改變給水流量來跟蹤蒸汽流量的變化，有效地克服“虛假液位”的影響，抑制液位的動(dòng)態(tài)偏差；當(dāng)蒸汽流量不變時(shí)，副回路（串級(jí)負(fù)反饋控制）可以消除給水流量的自身干擾。

2.1 單沖量控制方式

單沖量水位控制方式是汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡(jiǎn)單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)。此方式將水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器水位調(diào)節(jié)器，根據(jù)水位測(cè)量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。

這種控制方式，在停留時(shí)間較長(zhǎng)，負(fù)荷也比較穩(wěn)定的場(chǎng)合再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，也可以保證安全操作。但在停留時(shí)間較短，負(fù)荷變化較大時(shí)，采用此方式就不合適。這是由于：

1 ）負(fù)荷變化時(shí)產(chǎn)生的“虛假水位”，將使調(diào)節(jié)器反向錯(cuò)誤動(dòng)作，負(fù)荷增大時(shí)反向關(guān)

小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動(dòng)很大，動(dòng)態(tài)品質(zhì)很差。

2 ）負(fù)荷變化時(shí)，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個(gè)過程，再由水位變化到閥動(dòng)作已滯后一段時(shí)間。如果水位過程時(shí)間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。

3） 給水系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，閥門動(dòng)作緩慢。假定給水泵的壓力發(fā)生變化，進(jìn)水流量

立即變化，然而到水位發(fā)生偏差而調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，同樣不夠及時(shí)。

總之，單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。

2.2 雙沖量控制方式

在汽包水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構(gòu)成了雙沖量控制系統(tǒng)。這樣不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”的引起的誤動(dòng)作，而且使給水調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作及時(shí)。

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)的復(fù)

合控制系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

1）引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除虛“假水位”對(duì)調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量和水位的波動(dòng)，縮短了過渡過程的時(shí)間。

2）引入了蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。當(dāng)

C1、 C2選擇匹配時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)特性是無差的。

雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位

調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。

雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)。當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時(shí)調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ)償就比較困難。endprint