对锅炉汽包水位控制的分析
朱李超
（上海大学 机电工程与自动化学院 上海200072）
摘要：锅炉控制系统是一个复杂，庞大，多变量，耦合的系统。通常的设计方法是在可能的情况下将系统划分为几个独立的控制区域，并分别对各个区域进行控制系统的设计。本文主要阐述了锅炉控制系统中汽包水位控制的结构，原理，特点以及控制方法,并对控制方法作简单的分析。 关键词：汽包水位控制
The analysis of boiler drum water level control
ZHU Li-chao
（School of Electrical Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China ）
Abstract : Boiler control system is a complex, large, multi-variable coupled system. The usual design approach is dividing the system into several independent control areas in the case of possible, and then design each region separately . This paper makes a brief introduction about the structure, principle, characteristics and control methods that used in the system of drum boiler water level control system.It also makes a simple analysis about the control methods. Key words: Drum water level control
1 概述
1.1 锅炉系统的简介
作为工业生产自动化控制中的一个重要的组成部分，锅炉控制系统在工业生产中有着非常广泛的应用，对锅炉系统的分析也有着非常实际的意义。锅炉系统是一个复杂的被控装置，其控制过程是一个多变量、非线性、带时延的复杂对象。它有多个被控变量和调节变量，并且相互之间存在耦合。于是，理想的锅炉控制系统应该是多回路的调节系统。因为只有这样，在锅炉受到某一扰动后，系统才能同时协调作用，改变其调节量，使被控量达到一定的要求。但是，这种控制系统相当的复杂，不容易实现。所以在进行锅炉控制系统的设计时，通常将整个复杂的系统划分为几个相对独立的控制区域，再针对各个区域的特点分别进行控制系统的设计。如可将整个锅炉控制系统分为汽包水位控制，蒸汽温度控制，锅炉燃烧控制等。本文主要就汽包水位控制的原理和方法作一个简单的分析与比较。 1.2 汽包水位控制简介
锅炉是工业生产过程当中的重要设备，在锅炉的正常运行中，汽包水位是其重要的工艺指标，同时也是锅炉能够提供符合质量要求的蒸汽的必要条件。如果汽包水位过低，则汽包内的水量较少，在蒸汽复合很大时，水的汽化速度和水量变化速度都很快，如果不及时控制，可能会导致汽包内的水全部汽化，引起锅炉损坏或是爆炸。相反，如果汽包水位过高，汽水
将较难分离，产生蒸汽带夜现象，使过热器管壁结构而损坏，同时还可能损坏汽轮机叶片。 因此无论是汽包水位过高或是过低都将对锅炉控制的安全性和经济型构成威胁，于是汽包水位必须控制在一个允许的范围。
2 汽包水位控制系统的控制任务
2.1主要控制任务
锅炉汽包水位控制的主要任务是使给水量能适应蒸汽量的需要，并保持汽包水位在规定的工艺范围之内。引起汽包水位变化的主要因素是蒸汽用量和给水量。由于蒸汽用量是负荷，因此可以选择给水量作为控制参数，汽包液位是被控参数，由此可以构成一个锅炉汽包水位的控制系统。
2.2控制过程出现的难点 2.2.1 “虚假”水位现象
所谓“虚假”水位现象就是在蒸汽负荷突然增加时，会导致汽包内的蒸汽压力下降，使水的沸腾加剧，气泡迅速增加，由于气泡的体积比同重量的水的体积大得多，结果形成了汽包内水位升高的假象。相反，当蒸汽符合突然减少时，会导致汽包内的蒸汽压力上升，沸腾程度下降，气泡减少，形成水位下降的假象。 2.2.2 等效纯滞后现象
所谓等效纯之后现象是指在给水量突然增加的时，由于汽包内水温的突然下降，汽水混合物的汽化程度变化，使在一段时间内由给水引起的水位增高的趋势和呦汽化程度引起的水位下降的趋势基本相等，造成汽包水位基本不变的状态。
3 汽包水位控制系统的影响因素分析
3.1蒸汽负荷对水位的影响
蒸汽流量对水位的影响属于干扰通道的动态特性。在燃料量不变的情况下，蒸汽用量的突然增加或是减少都将引起“虚假”水位现象。在蒸汽流量的突然增加时，由于假水位的现象，在开始阶段液位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。假设实际水位的变化为H，不考虑气泡容积变化的液位变化为
H1，只考虑气泡容积变化的液位变化为H2。那么
H?H1?H2
蒸汽负荷增加时系统的响应曲线如图1所示：
图1 干扰作用下的响应曲线
Fig.1 Interference under the response curve
3.2 给水流量对液位的影响
给水流量对液位的影响属于控制通道的动态特性。在给水量发生变化时将会引起上文所述的等效滞后现象。假设汽包和给水为一个理想的单容无自横对象，那么液位的响应曲线如图2中的H1。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，当给水量变化时，响应曲线会在一开始时不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段，即系统存在一个纯滞后时间t，液位响应曲线如图2中的H。
给水流量增加时系统的响应曲线如图2所示：
图2 给水作用下的液位响应曲线 Fig.2 Water level under the response curve
4 汽包水位控制方案
4.1单冲量水位控制系统
单冲量水位控制系统是指以汽包水位为被控参数、给水量为控制参数构成的单回路控制系统。其控制手段是通过控制给水量来通过典型的单回路控制系统来实现蒸汽流量的控制。这种系统的有点是结构简单，设计方面，缺点是克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力较差。当蒸汽负荷突然增加的情况下，由于汽包液位存在“虚假”水位现象，控制器不但不能增加调节阀的开度，增加给水量，反而会减小调节阀的开度，降低给水量。等到“虚假”液位消失后，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使液位严重下降，产生剧烈的波动。特别是在大中型的锅炉控制系统中，这种控制方案将会在“虚假”水位现象的作用下，降低调节品质因素，使系统产生剧烈的波动，从而影响整个控制系统的寿命和安全。 单冲量水位控制系统的结构图和原理框图如图3所示：