李自皋，李培瑤

(1． 玉門油田公司 煉油化工總廠，甘肅 玉門 735100；2． 福海創(chuàng)石油化工有限公司，福建 漳州 363000)

維持水位在一定的范圍內是保證鍋爐安全運行的首要條件。水位過高會影響汽包內汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，使過熱器管壁結垢，同時也會使過熱蒸汽溫度急劇下降；水位過低，汽包的水量較少，當負荷增大時，水的汽化速度加快，若不及時調節(jié)補水，就會使汽包內的水全部汽化，導致水冷壁燒壞，造成干鍋，甚至引起爆炸。

1 汽包水位的動態(tài)特性

汽包水位的動態(tài)特性如圖1所示。

1.1 蒸發(fā)量qmD擾動作用下的水位對象的動態(tài)特性

當鍋爐給水量qmW不變，蒸發(fā)量突然增加ΔqmD時，如果只從物質不平衡角度來看，則曲線如圖1中的H1(t)所示；但由于蒸發(fā)量增加時，汽包容積增加，水位曲線如H2(t)所示；H2(t)和H1(t)綜合后實際水位階躍反應曲線如H(t)所示。從圖1a)可以看出，當蒸汽負荷增加時，雖然qmW小于qmD，但開始時，水位不僅不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，當蒸汽負荷突然減少時，則水位先下降，然后上升，該現(xiàn)象稱之為“虛假水位”，其變化的幅度與鍋爐的工作壓力和qmD有關。例如，一般100～200 t/h的中高壓鍋爐，當負荷變化10%時，“虛假水位”可達30～40 mm?！疤摷偎弧苯o控制帶來一定困難，在設計控制方案時，必須加以克服。

1.2 爐膛熱負荷擾動時水位對象的動態(tài)特性

在qmW、蒸汽負荷不變的情況下，當燃料量突然增加ΔqmM時，傳給鍋爐的熱量增加，上升管中的蒸發(fā)強度將增大，使蒸發(fā)面的汽泡膨脹，汽泡將托著水位上升，然而這時qmW并沒有增加，因此這種水位的變化亦屬于“虛假水位”。當熱量和水位在爐內重新達到平衡時，水位才慢慢回降。如圖1b)所示。

1.3 給水量變化時水位對象的動態(tài)特性

當qmD不變，而階躍變化時，汽包水位如圖1c)所示。從圖1c)可以看出，在qmW擾動時，水位不是立即響應，而是具有一定的慣性和純滯后，水溫越低，純滯后時間越長。

圖1 汽包水位動態(tài)特性示意

2 汽包水位自動控制方案

由于給水調節(jié)對象沒有自平衡能力，又存在滯后，因此鍋爐汽包水位常用的有以下三種閉環(huán)控制系統(tǒng)： 以水位為唯一調節(jié)信號的稱單沖量水位控制系統(tǒng)；以蒸汽流量和水位作為調節(jié)信號的雙沖量水位控制系統(tǒng)；以給水流量、蒸汽流量和水位作為調節(jié)信號的三沖量水位控制系統(tǒng)。

2.1 單沖量水位控制系統(tǒng)

單沖量水位控制系統(tǒng)原理如圖2所示，該控制系統(tǒng)結構簡單，使用儀表少、投資少、易實現(xiàn)，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，適合小型低壓鍋爐，汽包相對容積大，水在汽包內停留時間較長，蒸汽負荷比較平穩(wěn)，用戶對蒸汽的質量要求不是十分嚴格的場合。

圖2 單沖量水位控制系統(tǒng)示意

2.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)

在汽包水位控制中，如果最主要的擾動是負荷的變化，那么引入蒸汽流量來校正，不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動作，而且使給水閥的動作及時。即構成了雙沖量水位控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 雙沖量水位控制系統(tǒng)原理示意

雙沖量水位控制系統(tǒng)即前饋蒸汽流量加單沖量水位控制系統(tǒng)，前饋僅為靜態(tài)前饋，它雖然可以克服“虛假水位”導致控制閥的誤動作和滯后問題，但是當供水壓力擾動比較頻繁時，該系統(tǒng)的控制質量較差。

其中加法器，亦可用控制閥的輸出電流方式表示為

I=C1IC±C2ID±I0

(1)

式中：C1，C2——加法器系數(shù)，C1≤1，一般取1，C2根據(jù)靜態(tài)前饋補償設置，可以現(xiàn)場調試，也可理論推導得出；I0——偏置值，目的是為調整I的輸出；IC，ID——汽包水位調節(jié)器的輸出信號和蒸汽流量變送器的輸出信號。

控制閥、控制器作用形式以及加法運算器正負作用的確定：

1)控制閥的開/閉形式。從防止鍋爐燒干的安全角度，控制閥選擇氣關FO形式；若從保護蒸汽用戶的角度，選擇氣開FC形式。

2)控制器的正反作用。當控制對象為正作用時，若控制閥為FO形式，則控制器為正作用形式；若控制閥為FC形式，控制器為反作用形式。

3)C1一般取值為1。

4)C2的正負取決于控制閥的開關形式，蒸汽量增加則qmW增加為總原則，所以，當選擇FO形式控制閥時，信號I減少時，qmW增加，因此C2取“-”；當選擇FC形式控制閥時，信號I增加時，qmW增加，因此C2取“+”。

綜上所述可知： 當采用FO形式控制閥時，加法器的運算公式為I=C1IC-C2ID+I0；當采用FC形式控制閥時，加法器的運算公式為I=C1IC+C2ID-I0。

通過I0可調整I，設置I0的目的是在正常負荷下，控制器和加法器的輸出都有一個比較適中的數(shù)值，最好在正常負荷下，I0和C2ID項接近而相互抵消。

雙沖量水位控制系統(tǒng)解決了“虛假水位”問題，但存在著兩個缺陷： 一是對給水量的干擾不能及時克服；二是由于控制閥的工作特性不一定是線性的，因此要做到靜態(tài)補償很困難。

2.3 三沖量水位控制系統(tǒng)

在工程實踐中，三沖量水位控制系統(tǒng)有圖4所示的4種控制方案。它克服了雙沖量水位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)性弱點，使整個系統(tǒng)的抗干擾能力增強，控制品質達到最佳狀態(tài)。本文重點分析圖4中所示4種方案的原理、性能及優(yōu)缺點。

圖4 三沖量水位控制系統(tǒng)的4種控制方案

2.3.1方案1

該方案由給水流量作為正反饋、蒸汽流量作為負反饋加水位反饋控制系統(tǒng)組成，投運和設定與單回路一樣，DCS組態(tài)實現(xiàn)容易，現(xiàn)場投運簡單靈活方便。加法器的輸出信號I可表示為

I=C1IC±C2ID±C3IW

(2)

式中：IW——給水流量變送器的輸出信號；C1，C2，C3——加法器系數(shù)，C2/C3=αqmDmax/(qmWmax);qmDmax，qmWmax——蒸汽和給水流量最大量程，一般工程設計時，蒸汽和給水流量大多都采用相同的量程，因此可得C2=αC3，系數(shù)α取大于1的值，工程設計常取α=1.02，C3可以看作給水流量控制回路增益的一部分，確定了C3的值C2的值就確定了，即可求得C3。

1)IC，ID，IW進加法器的正負作用的確定。假定控制閥從防止鍋爐燒干的安全角度選擇FO形式，確定為負作用，控制對象鍋爐汽包確定“正作用”，則水位控制器LC為“正作用”，所以IC為“正”。

2)ID的正負作用確定。當蒸汽qmD增大時，要求控制閥開大，即要求LC輸出減小。由于LC正作用，要使LC輸出減小，則要求減小輸入偏差信號，因此，ID進加法器應取“負”。

3)IW的正負作用確定。當qmW增大時，要求控制閥要關小，即要求LC輸出增大。由于LC正作用，要使LC輸出增大，則要求增大輸入偏差信號，因此，IW進加法器應取“正”。

IC，ID，IW進加法器的正負作用確定值，I可表示為

I=C1IC-C2ID+C3IW

(3)

當給水流量和蒸汽流量變送器的量程相同時，C1，C2，C3取值為1時，式(3)簡化可得三沖量水位控制方案1的工程計算公式，即：

H=H測量-(qm蒸汽/qmmax蒸汽)+(qmW測/qmWmax)

(4)

式中：H——水位的計算值；H測——水位的測量值；qm蒸汽——蒸汽流量測量值；qmmax蒸汽——蒸汽流量最大值；qmW測——給水流量測量值；qmWmax——給水流量最大值。

但是，如果系統(tǒng)設置不能確保物料平衡，當負荷變化時，水位將有余差。

2.3.2方案2

該方案與控制方案1的不同點就在于將水位控制器LC從加法器后移到了加法器前，實際上也是一個前饋-反饋控制系統(tǒng)，由于該方案水位控制器的測量信號直接來自水位，因此只要水位控制器具有積分作用，就能保證該控制方案水位控制不會有余差。

方案2加法器的輸出與方案1有所不同，這里蒸汽流量信號ID為“正”，給水流量信號IW為“負”，C1，C2，C3與方案1相同。因此，I表示為

I=C1IC+C2ID-C3IW

(5)

2.3.3方案3

該方案與方案1，2的不同點是增加了給水控制調節(jié)回路，從系統(tǒng)結構上較前2個方案復雜，投資高，但該方案對于克服給水管路的干擾更為及時、有效。它實質上是蒸汽流量前饋加汽包水位-給水流量串級的控制系統(tǒng)，給水流量是水位串級的副回路，通過副回路及時有效地控制給水量，可以很好地提高水位控制的質量。同時，由于控制閥在副回路中，因此前饋補償效果已不再受控制閥非線性的影響。

方案3中加法器的輸出是給水流量控制的設定值，當蒸汽流量增大時，給水流量控制器的設定值也增加，給水量即隨之增大，因此蒸汽流量信號ID應取“正”，與控制閥的氣開、氣關形式無關。IC取“正”，I0取“負”，因此I表示為

I=C1IC+C2ID-I0

(6)

式中：C2=αqmDmax/qmWmax；I0的作用與上述雙沖量控制方案的用途相同，不再贅述。

方案3在工程實踐中應用最為廣泛，在催化裂化裝置的余熱鍋爐、柴油加氫精制裝置的汽包以及火力發(fā)電站的鍋爐汽包等項目均采用方案3的控制結構，如圖5所示。

圖5 三沖量水位控制系統(tǒng)工程應用示意

圖5所示的方案中，采用蒸汽流量前饋加水位-給水流量串級回路構成三沖量控制系統(tǒng)，該方案是加法器在水位控制器主回路PID之后的串級控制的工程應用的典型例證。

該控制回路的三沖量分別是： 汽包水位、給水流量、蒸汽流量。當LICA201處于自動狀態(tài)時，水位信號低選后送入LIC201，蒸汽流量通過溫壓補償后送入加法器LY202，LY202將蒸汽流量信號、汽包水位調節(jié)信號和減溫水流量信號相加作為FIC702的給定值，再根據(jù)偏差來控制閥位，從而達到控穩(wěn)汽包水位的目的。

也可手動改變FIC702的閥位值以調整汽包水位。為了防止蒸汽溫度過高，減溫器DT101注水，導致蒸汽流量增大，實際上自產(chǎn)蒸汽流量并未增加，因此，在加法器中引入了除氧水去減溫器流量的信號，以防止該信號對三沖量水位控制系統(tǒng)的干擾。

I計算計算如式(7)所示：

I計算=CI0+C2(I1-I2)-I0

(7)

式中：I計算——加法器流量的計算結果；ID——蒸發(fā)量輸出值；I1——蒸汽溫壓補償后流量信號輸出；I2——減溫器中除氧水流量信號測量值；I0——初始流量信號輸出值。

2.3.4方案4

該方案是方案1和方案3相結合的一種新型控制方案，與方案1的不同點是增加了給水控制調節(jié)回路，與方案3的不同點是將水位控制器LC從加法器前移到了加法器后，從結構上看，它是由2個干擾變量組成的前饋(蒸汽流量、給水量)加串級(汽包水位-給水流量)控制系統(tǒng)。文獻[1-2]中只闡述了前方案1，2，3的三沖量水位控制方案。

方案4與方案3結構上相似，工程投資相同。但與方案3相比，方案4把蒸汽和給水流量的干擾作為前饋一次性引入LC，對于減少水位余差，克服蒸汽負荷變化、給水管路的干擾更為及時、有效。

方案4的加法器的輸出與方案1的加法器相同，I=C1IC-C2ID+C3IW輸出是主回路水位控制器的過程檢測值，蒸汽流量和給水流量的任何變化都會及時地提前反映到水位的變化，無論是對“虛假水位”，還是蒸汽負荷變化和給水管路的干擾，方案4都能有效地克服，進而提高控制品質。

方案4在工程實踐中也有廣泛應用，例如某硫磺回收裝置制硫爐、焚燒爐的汽包水位控制采用方案4的控制結構，如圖6所示。

圖6 三沖量水位控制方案4工程應用示意

3 結束語

本文分析了汽包水位在蒸汽蒸發(fā)量、爐膛熱負荷及給水量擾動時水位對象的動態(tài)特性及“虛假水位”產(chǎn)生的原因，討論了克服汽包“虛假水位”的單沖量、雙沖量和三沖量水位控制設計方案的特點和不足。重點闡述了三沖量水位控制方案的四種類型的結構形式、組成、加法器公式等，澄清了一些模糊認識，有助于同行提高對三沖量液位控制方案的認識，方便工程技術人員在系統(tǒng)組態(tài)時對三沖量加法器公式的正確應用。