淺析鍋爐汽包液位的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理及應(yīng)用

周開文

【摘 要】鍋爐是化工造紙、電力生產(chǎn)中重要的動力設(shè)備。汽包液位是鍋爐運行中的一個重要控制參數(shù)，同時也是保證鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要條件之一。它反映了鍋爐負(fù)荷與給水的平衡調(diào)節(jié)關(guān)系。汽包水位過高，汽包蒸汽頂部空間減小會造成蒸汽帶水，影響過熱器正常運行及汽水分離的效果。

【關(guān)鍵詞】液位；三沖量；控制

一、三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的概念

液位自動調(diào)節(jié)作用水位信號去調(diào)節(jié)供水閥開度。當(dāng)液位升高，關(guān)小供水閥門，減小供水流量；當(dāng)液位降低，開大給水閥門，增大給水流量。為了使液位穩(wěn)定，把主蒸汽流量和給水流量參與調(diào)節(jié)。這就是鍋爐汽包液位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)因引入了給水流量，液位及蒸汽流量三個參數(shù)，故叫做三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

二、三沖量控制系統(tǒng)

1、單級三沖量控制系統(tǒng)

三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進(jìn)行前饋控制調(diào)節(jié)。當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）突然發(fā)生增大、變小，蒸汽流量信號能使供水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向動作，即使當(dāng)蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，消除了由于“假水位”引起的方向誤動作。如供水流量減少，調(diào)節(jié)控制器立即根據(jù)供水流量減少的信號，開大供水調(diào)節(jié)閥門，從而使給水量保持不變。另外，供水流量信號也是調(diào)節(jié)控制器動作后的反饋輸入信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以使用三沖量控制系統(tǒng)，能使調(diào)節(jié)器控制動作加快。

從以上系統(tǒng)框圖看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由供水流量W、供水測量變送器、調(diào)節(jié)控制器和調(diào)節(jié)控制閥組成的內(nèi)回路；另一個是由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽測量變送器未包含在這兩個閉合回路中。但它的引入可以提高控制質(zhì)量，而不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以系統(tǒng)三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。

單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制質(zhì)量最好，能有效地滿足系統(tǒng)對穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。

2、串級三沖量控制系統(tǒng)

隨著現(xiàn)代生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化的方向發(fā)展，對操作的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制的精度和功能提出更高要求。因此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它控制方法，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。上圖所示的三沖量串級控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)控制器接受液位信號作為主控信號和蒸汽流量信號去控制副調(diào)節(jié)控制器的供水給定值，副調(diào)節(jié)控制器除了接受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號外，還接受供水流量信號。蒸汽流量信號作為前饋信號對給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時，蒸汽流量信號使供水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向動作，即當(dāng)蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而消除了由于假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動幅度。給水流量信號作為調(diào)節(jié)閥動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。

三、工作原理

下圖一中所示的三沖量控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)、汽包液位是被控變量，也是主沖量信號；蒸汽流量和供水流量是輔助沖量信號。系統(tǒng)將供水流量與蒸汽流量前饋到汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，一旦供水流量或蒸汽流量波動，不是等到影響液位才進(jìn)行調(diào)節(jié)，而是在這兩個量改變之時就能通過DCS控制系統(tǒng)中加法器馬上去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校正。因此大大提高了液位這個被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度，大大縮短調(diào)控時間。

四、控制方案選定

在提出方案前，我們首先明確三個沖量及其關(guān)系：1、鍋爐液位，是控制中的主要沖量；2、蒸汽流量，是控制中的輔助沖量，它的較大變化會造成假液位；3、供水流量，是控制中的輔助沖量，它的較大變化同樣會造成假液位。通過分析三者的運算關(guān)系，結(jié)合選用的具體DCS系統(tǒng)，將上述沖量引入到DCS的三沖量控制模塊當(dāng)中，通過調(diào)整參數(shù)的值，來實現(xiàn)比較理想的液位自動控制品質(zhì)。配套的DCS系統(tǒng)是西門子公司的S7-300系統(tǒng)，運算功能完全可以滿足多變量的控制運算。

按照要求，我們提出了三套控制方案，方案一：采用單回路的三沖量控制方案，加法器在控制器前，即控制器的輸入為多變量之和。方案二：前饋加串級反饋的三沖量控制方案，液位調(diào)節(jié)為主回路，給水調(diào)節(jié)為負(fù)回路，液位控制器選擇反作用，流量控制器選擇正作用，調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)閥。：方案三：采用單回路的三沖量控制方案，加法器在控制器后，流量負(fù)回路相當(dāng)于一個100%的比例調(diào)節(jié)回路。經(jīng)分析討論，決定采用方案一，主要考慮單回路控制方案投運比較簡單，操作工容易掌握，但調(diào)節(jié)器輸入為多變量之和，與真實的液位不同，這一點須向工藝人員說明。

確定三沖量單回路控制方案后，進(jìn)行了一定的改進(jìn)，加入了水汽系（SQXS），修正系數(shù)（XZXS）等影響因素，完善控制模型；對輸入的液位信號進(jìn)行一階慣性濾波（HSFOP_1），以增強穩(wěn)定性，提高抗擾動能力；各個沖量的系數(shù)可以在工程師級別下在線修改，當(dāng)有技術(shù)改造，原來的控制參數(shù)不再合適時，則可以對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到適應(yīng)的目的。改進(jìn)的控制方案首先在6#鍋爐上應(yīng)用。在DCS中的三沖量控制模型如圖2。

五、應(yīng)用條件

從上面分析可以看出三沖量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)能及時克服蒸汽流量和供水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度高，適用于汽包容積較小、負(fù)荷和供水干擾大的場合。單沖量適合在汽包容積較大負(fù)荷變化比較小的場合。因此在給水全程自動調(diào)節(jié)設(shè)計了兩套調(diào)節(jié)系統(tǒng)以便互相切換。主要是在開停爐過程中當(dāng)負(fù)荷低于滿負(fù)荷的35%左右時，蒸汽流量信號很小、測量誤差相對較大。所以此時由單沖量控制，一旦滿足運行條件就改為三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。雙沖量調(diào)節(jié)適合于鍋爐容積較小給水壓力波動不大的場合。

六、結(jié)束語

鍋爐汽包液位通過三沖量控制系統(tǒng)精確控制不僅保證了鍋爐氣機(jī)安全經(jīng)濟(jì)有效運行，同時能及時調(diào)節(jié)。在其他需要精密控制的設(shè)備也可因地制宜，借鑒使用，以提高我們設(shè)備系統(tǒng)多因素干擾的自動化控制水平。

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