汽包水位控制方案的比較分析 (一)

2  系統方案的確定
2.1  汽包水位控制方案的比較分析 
 鍋爐汽包水位的控制系統是根據汽包水位的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設計的。如前所述，引起水位變化的因素主要來(lái)自給水量和蒸汽量的階躍變化，控制器（或調節器）是根據水位信號、蒸汽流量和給水流量的偏差信號進(jìn)行調節的。汽包水位控制系統根據鍋爐的容量、負荷變化的速度及調節精度的要求，通常有位式控制系統、單沖量控制系統、雙沖量控制系統、三沖量控制系統等。
2.1.1  汽包水位位式控制系統
 位式控制系統如圖2-1。系統以鍋爐水位為唯一的調節信號，當鍋爐水位高于設定的高水位時(shí)，控制電路接通并關(guān)閉給水泵。當水位低于設定的低水位時(shí)，控制電路接通并開(kāi)啟給水泵。這種控制系統使水位在設定的高低水位之間變化，在一定程度上保證了鍋爐給水系統的安全。
 
 

 圖2-1 位式控制系統方框圖
 Fig.2-1 Potential type control system block diagram
 由于位式控制系統采用簡(jiǎn)單的啟停水泵的方式來(lái)對水位進(jìn)行控制，因而水位波動(dòng)較大，控制品質(zhì)較差，一般應用于小型鍋爐，且對控制品質(zhì)要求不高的場(chǎng)合。然而，由于其控制原理和系統結構簡(jiǎn)單，整定方便，所以系統成本較低。
2.1.2  比值控制系統
 如果從物質(zhì)平衡的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，只要保證給水量永遠等于蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖2-2所示的比值控制系統。其中流量調節器是PI調節器，并用汽機的耗汽量D作為調節系統的設定值，使給水量W跟蹤蒸汽量D。
 

 圖2-2 比值控制系統方框圖
 Fig.2-2 Specific value control system block diagram
 采用比值控制方案的優(yōu)點(diǎn)是系統完全根據物質(zhì)平衡條件工作，給水量W的大小只決定于耗汽量D，“虛假水位”現象不會(huì )引起給水調節機構的誤動(dòng)作。然而，比值控制系統對于汽包水位來(lái)說(shuō)只是開(kāi)環(huán)控制。如果耗汽量和給水量的測量不準或者由于鍋爐排污及管道泄漏等情況，蒸汽量與給水量之間并非總是確定的比值，比值控制系統就不能保持汽水平衡。這是因為汽包水位H對于（D-W）來(lái)說(shuō)是一個(gè)積分關(guān)系，微小的D和W之差可以在長(cháng)時(shí)問(wèn)的積累中形成很大的水位偏差。所以一般不單獨使用比值系統。
2.1.3  單沖量控制系統
 單沖量水位控制系統以汽包水位作為唯一的控制信號。沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調節器，調節器根據汽包水位測量值H與給定值H0的偏差，通過(guò)執行器去控制給水調節閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內。單沖量水位控制系統由汽包、變送器、調節器、執行器及調節閥等組成。系統方框圖如圖 2-3 所示。
 
 

 圖2-3 單沖量控制系統框圖
 Fig.2-3 Single variable control systems diagram
 這種控制系統結構簡(jiǎn)單，是典型的單回路定值控制系統。對于水在汽包內的停留時(shí)間較長(cháng)，且負荷又比較穩定的情況，“虛假水位”現象不嚴重，采用單沖量控制系統，進(jìn)行PID調節一般就能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。然而，在其它的場(chǎng)合，尤其是在水停留時(shí)間較短，且負荷變化較大的鍋爐中，再采用單沖量控制系統就不合適了。這是由于單沖量系統存在如下不可解決的問(wèn)題：
 （1）當負荷變化產(chǎn)生“虛假水位”時(shí)，將使控制器反向誤動(dòng)作。例如，蒸汽負荷突然大幅度增加時(shí)，將產(chǎn)生迅速上升的“虛假水位”，此時(shí)控制器由于只能判斷到水位上升，因此就會(huì )關(guān)小給水閥，而實(shí)際上應該要開(kāi)大給水閥，以使“虛假水位”下降。反之亦然。這種控制方式將使水位波動(dòng)較大，控制品質(zhì)變差，嚴重時(shí)還會(huì )使汽包水位嚴重下降而發(fā)生事故。因此，單沖量控制系統不能克服“虛假水位”帶來(lái)的嚴重后果。
 （2）負荷變化時(shí)，控制作用緩慢。也就是說(shuō)，單沖量系統對負荷的變化不靈敏。從負荷變化到水位變化需要一段時(shí)間，再由水位變化到調節閥動(dòng)作又會(huì )有一段時(shí)間滯后，如果各個(gè)變化的時(shí)間常數較大，則必然會(huì )造成較大的偏差，導致控制品質(zhì)下降。
 （3）對給水系統的擾動(dòng)不能及時(shí)克服。當給水流量出現擾動(dòng)時(shí)，必須要等到水位發(fā)生變化后才能進(jìn)行控制，因此不能及時(shí)克服給水流量變化產(chǎn)生的干擾。
 為了解決上述這些問(wèn)題，可以同時(shí)再參考蒸汽流量和給水流量的變化，來(lái)控制給水調節閥，這就構成了雙沖量或三沖量控制系統。
2.1.4  雙沖量控制系統
 在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負荷的變化。雙沖量控制系統是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構成的“前饋-反饋”控制系統。其原理如圖2-4所示。

 圖2-4雙沖量控制系統原理圖
 Fig.2-4 Two variables control system priniple charts
 上圖中，加法器的輸出為：
 I=C1IC±C2IF±I0                           (2-1)
 
 式中  IC—水位調節器的輸出；
 IF—蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開(kāi)方器）的輸出；
 I0—初始偏置值；
 C1、C2—加法器系數。
 C1一般取1，也可小于1；C2的值應考慮到靜態(tài)前饋補償，可現場(chǎng)湊試。C2取正號還是負號要由調節閥的氣開(kāi)或氣關(guān)形式來(lái)確定。調節閥氣開(kāi)與氣關(guān)的選用，一般從安全生產(chǎn)角度考慮。I0的設置目的是在正常負荷下，使調節器和加法器的輸出都能有一個(gè)比較適中的數值。最好在正常負荷下I0值與C2IF 項恰好抵消。
 系統方框圖如圖2-5所示。
 
 

 圖2-5 雙沖量控制系統方框圖
 Fig.2-5 Two variables control system block diagram
 引入蒸汽流量來(lái)校正不僅可以補償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，而且能使給水調節閥的動(dòng)作及時(shí)，從而提高控制質(zhì)量。但這里的前饋僅為靜態(tài)前饋，若要考慮兩條通道在動(dòng)態(tài)上的差異，則還需要引入動(dòng)態(tài)補償環(huán)節。系統在負荷變化頻繁的工況下能較好地完成水位控制任務(wù)。在給水壓力比較平穩時(shí)，采用雙沖量控制就能達到控制要求。
 雙沖量水位自動(dòng)控制系統存在的問(wèn)題是：
 （1）對于給水系統的擾動(dòng)不能直接補償。當給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號變化時(shí)才能通過(guò)調節器操作執行調節，滯后時(shí)間長(cháng)，水位波動(dòng)大。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調節閥前后壓差不能保持；
 （2）調節閥的工作特性不是完全線(xiàn)性的，因此，要做到靜態(tài)補償就比較困難。為此，我們可將給水流量信號引入，構成三沖量控制系統。

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