第二章锅炉汽包水位测量系统试验
第一节简介
1.1汽包水位测量的重要性
锅炉汽包水位是锅炉运行的一项重要安全性指标。水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质的恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击、损坏汽轮机叶片；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成锅炉水冷壁爆管。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故时有发生，严重威胁火电厂机组的正常运行和安全。
锅炉运行中，我们主要通过水位测量系统监视和控制汽包水位。当汽包水位超出正常运行范围时，通过报警系统发出报警信号，同时保护系统动作采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。
1.2汽包水位测量的基本方法
目前，从锅炉汽包水位测量的基本原理看，广泛使用的主要是联通管式和差压式两种原理的汽包水位计。由于锅炉汽包水位计对象的复杂性，以及联通管式和差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在的不确定因素，一致多个汽包水位计常常存在较大偏差，容易酿成事故。根据新版《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》DRZ/T 01－2004规定：
1)锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置方式，以防
止系统性故障。锅炉汽包至少应配置 1 套就地水位计、3 套差压式水位测量装置
和 2 套电极式水位测量装置。
2)应严格遵循锅炉汽包水位控制和保护独立性的原则，最大限度地减少故障风险，并
降低故障停机几率。
3)汽包水位保护和控制的测量系统至少应按三重冗余的原则设计。
4)汽包水位至少配置两种相互独立的监视仪表。
5)锅炉汽包水位控制应分别取自 3 个独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号。
6)锅炉汽包水位保护应分别取自 3 个独立的电极式测量装置或差压式水位测量装置
( 当采用 6 套配置时 ) 进行逻辑判断后的信号。当锅炉只配置 2 个电极式测量
装置时 , 汽包水位保护应取自 2 个独立的电极式测量装置以及差压式水位测量
装置进行逻辑判断后的信号。3 个独立的测量装置输出的信号应分别通过 3 个独
立的I/O模件引入 DCS 的元余控制器。
7)汽包水位测量信号应采取完善的信号判断手段，以便及时地报警和保护。
只有深刻理解上述两种锅炉汽包水位的测量原理及其误差的成因，才能清醒的指导锅炉汽包水位测量系统的设计、安装、调试和运行维护。下面就对联通管式和差压式水位计的测量原理进行分别介绍。
1.3联通管式汽包水位计测量原理
联通管式水位计结构简单 , 显示直观 , 如图 1 所示 , 它可以做成仅仅在就地显示的云母水位计 ( 包括便于观察的双色水位计 ) , 也可以采取一些远传措施 , 如在水位计中加电接点或用摄像头等构成电极式水位计或工业电视水位计等。但就其原理来说 , 都是属于联通管式测量原理。。其中云母水位计常用于连接水位电视；电接点
水位计有时被用于保护回路。
图1：联通管式水位计原理图
就地双色牛眼水位计分别于汽包内的水侧和汽侧相连，汽包内下部的水温是汽包压力下的饱和水温度，汽包内上部的蒸汽温度是汽包压力下的饱和蒸汽温度,饱和蒸汽通过连通取样管进入水位计上部，由于就地水位计周围的环境温度远低于汽包压力下的饱和蒸汽温度，使蒸汽不断凝结成水，水温接近饱和温度，水温沿高度逐步降低，凝结水由连通管流入汽包。若能在水位计上沿测量筒高度装设若干温度测点，就能求出筒中水的平均温度t av ,并得出水的平均密度ρav 。由于ρav 和饱和水密度ρw 不同，就形成了云母水位计指示值H e 和汽包实际水位H 的差异，这个差值可由下式求得： w
s av s
He H ρρρρ-=- (2-1) 其中ρw 和ρs 为汽包工作压力下的饱和蒸汽温度和饱和水密度。但是ρav 和水位高度、汽包工作压力、环境温度及测量筒散热情况等有关，其数值很难确定。
为减小水位计内水柱温降带来的测量误差，有时在水位计本体内加装蒸汽加热夹套，由水位计汽侧连通管引入蒸汽，以使水柱温度接近于锅炉汽包工作压力下的饱和温度。为了防止锅炉压力突降时水柱沸腾而影响测量，从安全方面考虑，测量室内的水柱温度还应有一定的过冷度。
1.4 差压式水位计测量原理
平衡容器(单室平衡容器、双室平衡容器和中间抽头式平衡容器)。其中单室平衡容器是大机组常用的测量方式，有一些小机组上使用其它两种形式的平衡容器。单室平衡容器结构简单，维护容易，但受现场环境影响较大，如保温、补偿等；中间抽头式平衡容器结构复杂，
能够消除部分由环境温度造成的影响，在零水位附近有较好的补偿效果，但易受汽包压力突降的影响，引起正压侧的水柱沸腾。
图2：简单平衡容器的测量原理图
图3：双室平衡容器的测量原理图
根据实际情况，我们重点研究一下常用的单室平衡容器的测量原理。
w P H ρ+=
（2－2） "()'()P H h h h h ρρ-=--?++?
（2－3） 上面两式相减得：
"()'()w P H H h h h h ρρρ?=---?-+?
（2－4）
整理得： (")('")w H P h h ρρρρ--??=-- （2－5）
其中h ?是实际水位
w ρ――凝结水的密度
"ρ――相应汽包压力下的饱和汽的密度
'ρ――相应汽包压力下的饱和水的密度
h ――下取样管至汽包零水位的距离
P ?――水位変送器测的差压信号
由于"ρ和'ρ只随汽包压力变化，而且影响较大，因此要进行汽包水位的汽包压力补偿；w ρ受环境温度的影响，一般情况取50℃为基准，但影响较小；h 和H 是平衡容器的设计安装尺寸，应按照制造厂提供的数据进行核对，为与实际相符，应进行现场核对。
第二节 汽包水位计的测量误差分析
2.1 差压式水位计测量水位误差分析
从式（2－5）可以看出，平衡容器的安装尺寸、汽包压力、参比水柱平均温度等参数影响汽包水位的测量误差，下面就从这几个方面入手进行分析：
a) 差压式水位计正压侧平衡容器参比水柱温度变化是比较常见的造成水位
测量误差的原因。炉顶汽包小间春夏秋冬温度变化大，而在典范的差压
式水位计压力补偿计算公式中，平衡容器内不饱和水密度被固定为50℃
或80℃时的密度值，因而造成示值偏差。
由式（2－5）可以得出，由于参比水柱温度变化引起的水位测量偏差如下：
(')'*1000('")w w H h ρρρρ-?=- （3－1）
虽然环境温度受环境温度的影响较大，但从总体上看，环境温度的变
化不会太大，按照正常的保温和安装条件，该参比水柱平均温度变化范围
一般不会超过150℃，通过查水和水蒸汽的密度表可以得出不同温度下的密
度差'w w ρρ-受汽包压力的变化影响较小，主要与偏离设定值的大小有关
系见图4；但随着机组负荷的上升'"ρρ-随汽包压力的增加逐渐减小，所
以形成的水位偏差会逐渐增大，如图5所示。
图4：参比水柱密度随温度、压力变化曲线
图5：水位偏差随汽包压力变化曲线
以H ＝0.7m, 参比水柱温度从40℃～80℃变化为例计算。
当汽包压力为18Mpa 时，'h ?=34.68mm
当汽包压力为10Mpa 时，'h ?＝22.6mm
b) 汽包水位差压变送器安装位置离水位平衡容器过远及仪表管过长，受伴
热和保温不均匀等因素影响较大，可引起示值迟缓和偏差。
c) 差压式水位计汽、水取样开孔部位不当，汽包内汽、水的热动力分布场
变化的影响会引起示值偏差。
d) 测量装置的机械原因造成的差压变化影响，如渗水、平衡容器的安装高
度与计算高度误差均会造成测量误差。
2.2 联通管水位计测量误差分析
1.1.2 云母水位计的误差产生原因
就地双色牛眼水位计是装在汽包本体上的直读式水位计，主要是按连通器原
理工作的；一般作为远传电视监视系统用，在集控室可以直接监视就地双色牛眼水
位计的指示。水位表中多余的水通过水侧取样管流回汽包。水位计中的水受环境的
冷却，其平均温度低于汽包内的饱和水温度。导致水位计中的水的密度大于汽包内
的饱和水密度，从而水位计中的水位低于汽包内的水位，造成测量误差。
由式（2－1）可以得出水位计的偏差为：
'av w av s H H H H ρρρρ-?=-=-- (3-2)
由 (2 - 2) 式可以看出 , 水位测量偏差与水位计管内水柱温度、汽包工作压力以
及了汽包内的实际水位等多种因素有关
反措提供的的正常水位示值和汽包实际零水位的差值如下表所示：
a) 汽包压力。随着汽包压力的增加 , 相应饱和温度升高 , 冷却效应加剧 ,水柱
平均温度与饱和温度的差值增大。汽包压力在额定工况下、汽包水位处于正常水
位时 , 联通管式水位计的平均温度低于饱和温度的数值一般为 : 中压炉 50
-60℃, 高压炉 60 - 70℃,超高压及以上锅炉 70 - 80℃以上。
汽包工作压力变化时 , 除了导致水位计管内水柱温度变化 , 即ρa 变化而影响水位计水位显示值外 , 还会引起p w、p s的变化而使测量产
生偏差。当汽包内实际水位 H 值一定时，压力愈高 , 1△H I 值愈大 ; 压
力愈低 , I△H I 值愈小。
如果汽包正常水位设计在 H0 =300mm , 而且运行时实际水位恰好在正常水位线上 ,则水位计的示值偏差 : 在压力 P=4.0MPa时 ,△H = -
59.6mm; 在压力 p= 10 MPa 时,△H = - 97.0mm; 在压力 P＝14MPa 时,
△H=-122.3mm;在压力 p=16MPa时,△H=-136.9mm,可见每升高1Mpa时，
一般联通管时式水位计的示值偏差的变化平均为－6.5mm左右。
b)汽包水位。高水位时 , 由于水位计中水柱高度增加 , 散热损失增加 ,
同时汽柱高度减少 , 蒸汽凝结量减少 , 因此 , 水柱的平均温度较正
常水位时低 , 与饱和温度的差值增大 ; 反之 , 低水位时 , 差值减少。
据有关资料介绍 , 水位变化土 50mm 时平均水温较正南水位时约有 16
- 24℃的变化。
当汽包工作压力为一定值时 , 汽包内的实际水位也会对水位测量产生偏差 , 由 (2 -2) 式不难看出 , 偏差△H与实际水位 H 成正比 ,H
值愈大 , I△H I 值愈大 ;H 值愈小，I△H I 值也愈小。根据上海锅炉
厂提供的资料 , 对于亚监界锅炉 (18.4 - 19.6MPa) 在额定压力下 ,汽
包水位计的零水位要比汽包内实际正常水位低150mm, 也就是说 ,当
H=300mm 时,△H=-150mm ;当H＝0mm时，近似偏差△H＝0mm;但是当
H=600mm时，近似偏差高达－300mm。如果将水位计下移150mm，虽然在正
常水位偏差消除了，当高水位和低水位时，误差仍将很大。
c)汽包压力的变动速度。由于水位计有热惯性 , 所以水位计水侧平均温度
变化滞后于汽包压力变化 , 滞后于汽包内饱和水温的变化 , 造成动态
过程中产生偏差 , 表现在锅炉启动升炉过程中 , 水位计水侧平均温度
竟低于饱和温度达 120℃。
d)表体结构、环境温度、风向等因素影响水位计散热条件 , 从而影响到水
位计的温度。
e)由于牛眼水位计间断测量，造成测量误差。
综上所述 , 云母水位计受管内水柱平均温度、汽包内的压力、水位、压力变化率等诸多因素影响而变化 , 致使水位测量产生较大的、且变化十分复杂的偏差。
与饱和温度的差愈大 , 则偏差愈大 , 水位计显示值愈低于实际水位值。
2.3电接点水位计的误差产生原因
电接点水位计也是装在汽包本体上的直读式水位计，也是测量汽包水位的传统式仪表。测量筒体上装有电接点，电接点水位计是根据蒸汽和水的电阻不同进行测量的，同时远传到集控室通过二次仪表进行显示。同牛眼水位计一样是按连通器原理工作的。
a)测量筒体中的水受环境的冷却，其平均温度低于汽包内的饱和水温度。导
致水位计测量筒体中水的密度大于汽包内的饱和水密度，从而水位计中的
水位低于汽包内的水位，造成测量误差。
b)由于电接点水位计间断测量，不能连续测量，造成测量误差，若减少间断
测量误差，需要在测量筒上多开孔，但受测量筒材质和强度的限制，因此
电接点水位计的间断测量误差不可避免。
c)电接点水位计本身无压力补偿功能，造成只能是定点准确。
第三节 水位变送器量程计算及校验
由于锅炉在出厂时均提供了平衡容器的的安装尺寸即H 和h 已知, 为保证汽包水位变送器的量程能够满足全程测量,一般计算水位变送器的量程计算按照压力为0MPa 计算，根据公式（2－4）
"()'()
(")('")('")
w w P H H h h h h H h h ρρρρρρρρρ?=---?-+?=--?---
假设：H ＝1000，h=400，
经查表得：725.987=W ρ 41.958'=ρ
5901.0"=ρ
max 999.4026mmH2O P ?=
min 29.679mmH2O P ?=
根据上述计算看出，变送器的差压值只要在max P ?与min P ?之间即可，由于现在的汽包水位计算均在DCS 内部实现，不需要差压值与显示的汽包水位一一对应，为工作方便，一般将变送器的量程取稍大于所需量程的整数，如上述的变送器量程就可以取为1000mmH2O 。
第四节水位测量系统传动试验
试验方法与步骤：
1. 试验条件：
●三台汽包水位变送器检验合格，变送器复装完毕，投入运行。
●机组DCS系统调试、试验完毕。
●机组MFT吹扫复位，锅炉未点火。
●汽包就地水位计投入。
●机组汽水、凝水系统具备投运条件。
●解除汽包水位高、低保护。
2. 试验步骤：
开启电动给水泵系统，利用给水旁路系统为锅炉汽包上水。
2.2.2 当汽包水位上至就地水位计可视范围时，调整水位电视系统，使就地水位计达到最佳效果。
2.2.3 当汽包水位上至就地水位计可视上限以上时，打开三台水位变送器的汽侧排污门，联系运行锅炉继续上水。
2.2.4 当三台水位变送器的汽侧排污门有连续的水流，并且三台水位变送器的水位指示开始变化时，联系运行停止锅炉上水。
2.2.5 联系运行打开汽包放水门，开始放水。
2.2.6 放水至就地水位计可视范围时，三台汽包水位变送器指示之间及三台变送器与就地水位计的指示应小于30mm，并且指示连续下降。
2.2.7 当汽包水位放至零水位左右时，停止汽包放水。
2.2.8 投入汽包水位高、低保护。
2.2.9 联系运行进行汽包上水。
2.2.10 当任一汽包水位变送器显示至＋100mm时，“汽包水位异常”光字牌发声光报警。
2.2.11 当汽包水位上至＋250mm前，联系运行减慢上水速度，当两台变送器指示达到＋250mm时停止上水，5S后，锅炉MFT，首出指示为“汽包水位高MFT”。
2.2.12 联系运行停止电动给水泵，打开汽包放水门，对汽包放水。
2.2.13 当汽包水位放至＋250mm以下时，对锅炉MFT吹扫复位。
2.2.14 当汽包水位放至－100mm时，“汽包水位异常”光字牌发声光报警。
2.2.15当汽包水位放至－300mm前，联系运行减缓放水速度，全关放水门，改用脉冲开。
2.2.16 当有两台水位变送器指示达到－300mm时，停止放水，5S后，锅炉MFT动作，MFT 首出为“汽包水位低MFT”。
第五节水位测量系统热态比较试验
第三章锅炉炉膛火焰检测
选3~4种类型的火焰检测设备，结合其工作原理叙述冷态及热态试验方法
第一节概述
电站锅炉燃烧的基本要求是在炉膛内建立并持续稳定、均匀的燃烧火焰。燃烧火焰是表征燃烧状态稳定与否最直接的反映。燃烧不稳定不仅会降低锅炉热效率，产生污染物、噪声等，而且在极端情况下可能引起锅炉炉膛灭火，如处理不当就会诱发炉膛爆炸造成事故。为了预防这种潜在的危险必须进行切实有效的燃烧诊断和火焰监测。在电力生产行业中，随着电站煤粉锅炉容量的增大，蒸汽初参数的提高；大型电站煤粉锅炉的安全性、经济性问题更加突出，对机组燃烧提出了很高的要求。因之，安全、可靠的燃烧诊断技术成为电厂安全运行的重要条件和基本要求。
为了防止炉膛爆炸等恶性事故的发生，80年代以后，我国电站锅炉开始装设基于火焰光谱检测的炉膛安全保护装置。目前，普遍使用的火焰检测器一般都为可见光，红外线检测平均光强或同时检测平均光强和闪烁频率的双通道型，为防止“偷看”，这类火检器只能设计成较小的视角，并要求对准煤粉初始着火区。由于煤种变化导致燃烧特征变化、探头表面积灰结焦等原因，传统的可见光型火焰检测装置误动、拒动问题时有发生，给机组的安全带来隐患。在这样的情况下，研究新型、准确、及时的燃烧诊断技术刻不容缓。
煤粉燃烧是一个复杂的多相反应过程，燃烧过程脉动异常剧烈，燃烧过程中伴随着连续不断进行的传热、传质及化学反应过程，不断发生着碳和碳氧化合物与氧的离解、复合，不断地产生二氧化碳、水蒸气等气体产物并释放出热量。鉴于煤粉燃烧过程的这种强烈的不平衡过程特征，要求所采取的参数场测量方法要有足够高的响应速度来跟踪燃烧过程的变化；其次，锅炉燃烧系统炉内温度可达1400~1600℃，如采用接触测温方式，所使用的测温介质要求能够承受高温环境，还要求能够经受长时间连续运行的考验。我们知道，火焰的时序脉动是燃烧过程的一个重要特性，因此必须对燃烧全过程进行时间序列测试，以揭示过程物理量的时间特征，并为控制系统的自动调节提供定量的依据。另外，电站锅炉的炉膛具有尺寸庞大的特点，采用接触式测量存在着布点的困难，而非接触式测量方法则往往不能获得特定点的温度参数，其获得的测量值往往只是沿程平均的“投影值”或者某区域的总体平均值；对于电站锅炉炉膛火焰这样大型的测温对象，三维温度场测量要综合考虑测量方法、测点的布置及安装、设备成本及运行成本、算法的实时性、系统维护工作量等问题，目前还较少有成熟的测温技术和成功的应用实例见诸文献报导，因此有必要引入新的测量手段进行开发研究。
采用彩色CCD摄像机和图象处理技术系统对燃烧火焰进行参数场测量和燃烧诊断是一项富有挑战性和广阔应用前景的新兴技术。它是随着近年来计算机技术、光学技术和数学计算方法的进展而发展起来的。近年来，随着计算机技术的不断发展，国内外的研究者把眼光投向了可视化的燃烧监控领域。火焰图像最初是作为一种火焰监控的辅助手段引入锅炉检测领域的。由于传统的火焰检测装置误报、漏报现象时有发生，可靠性不高，无法使运行人员真正了解炉内燃烧的真实情况，从而更加无法合理组织燃烧。在工业CCD摄像机出现后，由于其具有耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠，对震动和冲击损伤的抵抗力强等优点，因此迅速在电厂以火焰电视（Flame TV）形式得到应用，为锅炉点火以及运行调整提供了直观的监视功能。现在，火焰监视在大容量机组中已经成为必备的火焰监测手段。我国1994年颁布的《火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统设计技术规定》（以下简称《规定》）中规定“容量为220t/h及以上锅炉的安全监控系统必须具有锅炉炉膛压力保护、锅炉火焰监视及灭火保护功能”，《规定》中明确指出“容量为410t/h及以上锅炉，宜装设监视炉膛火焰的工业
电视；在容量670t/h及以下锅炉，可采用全炉膛火焰监视和灭火保护；容量为1000t/h及以上锅炉，宜采用单个燃烧器的火焰监视和灭火保护”。充分说明了我国对炉膛火焰监视对于电厂锅炉运行重要性的认识。在火焰电视监视得到广泛应用的同时，也暴露了其不能作为定量判断依据，不能自动联入自动控制系统的弱点。因此，跟踪现代科学技术的最新进展，进一步拓宽火焰监视的内涵，尽可能地发挥其性能，使火焰监视由单纯的保证锅炉正常安全运行的辅助手段向提高锅炉运行经济性、降低污染物排放量、形成锅炉燃烧在线诊断与调整专家系统等更高层次的引用领域延伸，已经成为锅炉安全监控研究的重要内容。
基于图像处理的燃烧监控系统不同于传统的全炉膛火焰监视，而是综合了现代光学、计算机技术、CT重建技术、优化计算技术和神经网络人工智能技术在内的智能化诊断系统。从目前炉膛火焰处理的研究和应用情况来看，这是一项广阔的新技术，研究者们通过努力研究已经取得了可喜的初步成果。然而由于燃烧过程的复杂性，研究者们通过努力研究已经取得可喜的初步成果。然而由于燃烧过程的复杂性，研究过程中遗留的问题还很多，特别是对于火焰可视化所追求的最终目标——火焰温度分布的三维重建——以及将火焰图像信息联入电厂运行的诊断和控制系统，是研究者研究开发的主要目标。这项技术的研究实际上才刚刚起步，还有大量的基础性研究工作有待于深入进行。
第二节火焰检测工作原理
2.1煤粉火焰特性
煤粉火焰的检测和诊断都需要对其各种特性进行研究，煤粉火焰的形状及其辐射的各种能量是检测其存在及判断其稳定性的主要依据。煤粉火焰的形状及其空间分布与燃烧器的类型和布置有关。燃烧器一般有直流燃烧器和漩流燃烧器两种。漩流燃烧器一般分列单个布置，火焰不会象直流燃烧器的那样形成一旋转的大火球，单个火焰检测相对较为容易。
下面以漩流燃烧器来简单说明一下火焰的辐射特性。如图1所示，煤粉气流刚
喷入炉膛中时有一个加热过程，所以有一个燃料未燃区，它基本不发出辐射。随着燃料被加热，挥发份析出开始着火。着火区的辐射强度不是最强的，但火焰闪烁的频率达到最大，并且辐射光谱中有一定的紫外线。而后焦炭粒子开始燃烧，发出明亮的火焰，在燃烧的过程中这部分区域的辐射强度最大，但火焰频率较低，产生的紫外线较少。随着焦炭的燃尽，火焰温度逐渐降低，形成火焰尾迹，这部分辐射以红外辐射为主。在气流组织良好的炉膛内，煤粉粒子在1～2秒内就可以燃尽，其中焦炭燃烧的时间约占90％。为了判别单个燃烧器的火焰的存在，一般将探头对准着火区。
下面分别介绍煤粉火焰的各种特性。
2.1.1 煤粉火焰的光谱分布特性
煤粉的燃烧过程可简单地看作是氧化过程，这一过程主要发生在燃烧的基本区域。即靠近燃烧器的上游区（见图1）。但是，在这燃烧区内不可避免地存在大量未充分燃烧的中间产物。其浓度直接影响了火焰光谱的特征波长，因此根据火焰的光谱分析可作为煤粉燃烧的重要依据，这就是用光学原理测量火焰的基础。
燃烧火焰的辐射光具有强度和脉动频率两个特点。图2是不同的煤粉浓度η（单位：Kg煤粉 / Kg空气）下火焰的光谱分布曲线（光强－波长曲线）。显然，在不
同的煤粉浓度下煤粉火焰的光谱分布曲线有着相似性，呈双峰状，即在5000?和7800?附近出现峰值，在6000―7000?之间出现低谷，并且在低谷段内火焰辐射强度随火焰中煤粉浓度的降低而减少，呈明显的正相关性，而两个峰值段则无此现象。文献[10]计算验证了火焰辐射强度与煤粉浓度之间的这种相关性。根据这种相关性不仅可确定火焰是否存在，而且可判断燃烧火焰强度与煤粉浓度的对应关系，文献[3]通过定性分析指出，燃烧火焰检测应在辐射波长6000～7000?之间进行，当波长小于5500?时燃烧火焰的信噪比很小，而当燃烧火焰波长大于7000?时，周围热环境的辐射信号很强，检测信号不能正确反映燃烧工况的变化。定量计算的结果也证明了这一论断。
火焰脉动是煤粉火焰辐射光的另一个特点。火焰辐射光强在平均光强（稳定分量）上下波动（闪烁），脉动频率大约几千Hz。稳态分量由燃烧的挥发份、火焰的大小以及周围热环境产生的光亮等因素决定，闪烁频率的低频分量（0—50Hz）是由于空气动力场及对流引起的火焰形状的波动；而高频分量（>100 Hz）反映了中间产物的震动能和旋转能的转换或者是反应物的能量辐射率的变化，是燃烧正在进行的标志，根据脉动频率也可判断火焰的存在。
2.1.2 煤粉火焰的频谱分布特性
煤粉火焰的频谱分布特性是通过对火焰信号时间序列进行快速傅立叶变换（FFT）获得的。首先将探测到的火焰信号经光电管及滤波放大转化成0—9V电信号，通过采样及A/D 转换，得到火焰信号的时间序列，根据稳定燃烧工况和非稳定燃烧工况的多组火焰信号的时间序列进行频谱估计计算，从而可得到稳定或不稳定工况下的频谱分布图（图3）。从频谱估计的结果看，非稳定燃烧工况比稳定燃烧工况下的谱值大，分布范围也较宽。从量值的角度看，当频谱估计的结果显示火焰的低频波动能量变大时,表明燃烧的稳定程度趋于恶化（从上文可知，闪烁频率的低频分量（0～50Hz）是由于空气动力场及对流引起的火焰形状的波动而产生的）。因此，采用燃烧火焰频谱分析特征判断燃烧的优劣更为可靠[2]。
燃料在炉膛燃烧过程中，其火焰将辐射出大量的能量，这些能量主要包括其光能（紫外光、可见光、红外光等），热能及声波，所以有这些形态的能量构成了检测炉膛火焰存在的依据。然而，测量火焰中的哪部分能量来诊断炉膛火焰是否存在，直接关系到火焰检测和燃烧诊断技术的应用。为此，国内外不少学者对之进行了深入的研究，推动了火焰检测技术的发展。
2.2火焰检测的原理和方法
2.2.1辐射强度检测
其原理是用探头接收火焰发出的辐射，按其强度的大小判断火焰的存在与否。煤粉火焰与油火焰的辐射光谱如图2所示。由于检测用的波段不同，又可分为紫外线、可见光、红外线及全辐射火焰检测。紫外线是煤粉着火初期产生的，所以用它可以很好地区分单个燃烧器的火焰。但由于炉膛内存在着大量的煤粉粒子、焦炭粒子、灰粒子，对紫外线的吸收严重，所以用紫外线检测煤粉火焰的信噪比很低，这对于燃油锅炉的火焰检测比较合适。红外线比较适合检测全炉膛火焰。因为单个燃烧器火焰、全炉膛火焰、炙热的炉膛都会发出很强的红外线，用它检测单个燃烧器火焰比较困难。全辐射法检测由于其光电元件相应速度慢、易受环境影响等原因，在应用上受到了一定的限制。可见光及近红外线是应用较多的光谱区。
火焰存在及熄灭时的辐射强度时不同的，这是判断火焰有无的重要原理，如图3，4所示。判断火焰的存在与否，需要设定一个强度阀值，当火焰强度超过此阀值时认为火焰存在。由于相邻火焰和炉壁辐射的影响，不同负荷，不同煤种时火焰位置的变化，就需要现场调试时对探头的位置进行仔细的调整，工作量很大。
2.2.2 火焰频率检测
由于各种随机扰动的存在，火焰辐射强度是随时间变化的，其频谱分布可达到0～2000Hz，而且煤粉火焰的波动程度要比油火焰的大。当燃烧不稳定时，火焰中的交流部分的强度增加，其中低频部分的能量增加较多，如图5所示。由于红外辐射和可见光相比，其强度波动较小，频谱范围也窄，所以频率法检测一般用可见光。
频率法检测的原理是：把探头输出的强度信号进行滤波，取出交流分量，经整形后由施密特触发器把它变成一系列的脉冲。对脉冲计数，确定火焰的频率。经过大量的试验分析，煤粉火焰存在着3个基础闪烁频率的范围。
⑴15～50Hz 火焰正常
⑵7～15Hz 火焰不稳定
⑶≤7Hz 火焰丧失
这种检测方法可以检测到探头所能接受到的范围内的火焰频率变化，受火焰位置变化的影响相对较小。目前的FSSS系统（炉膛安全监控系统）常用火焰强度和火焰频率来综合判断火焰是否存在。
利用频谱分析技术也可以区别单个燃烧器火焰和背景火焰，实验表明，单个火焰的动态频谱和背景火焰的不同，如图6所示。由图可见，单个燃烧器火焰频谱中
的50～600Hz部分的能量明显大于背景火焰中的这部分能量。用带通滤波器取出这部分能量，和整个火焰强度相比，得到的值的大小即可以区分单个燃烧器火焰和背景火焰。
2.2.3 相关火焰检测
以上两种方法都是用单个探头对火焰进行检测。探头接受的范围是一个顶角较小的锥形区域，它的缺点是受背景火焰影响太大。
相关法火焰检测就是根据这个问题提出来的，检测原理的示意图如图7所示。
两个探头呈一定角度安装。当探头探测的相交区域中存在火焰时，两探头探测到的是同一区域火焰发出的辐射信号。当相交区的火焰熄灭时，两探头探测到的将是不同区域的背景火焰或是炉壁辐射，其接受到的信号自然也不相同。把两个探头输出的信号相比较，确定其相关系数，相关系数越大表示接受到的信号越一致。实践经验表明，一般相关系数大于70％时可认为火焰正常。现场安装调试时，需将相关区对准着火区。为了减少干扰，需要对信号进行滤波后在比较。
这种单对探头的相关火焰监测器存在的一个问题时，两个探头的相关区较小，当负荷或煤种的变化使火焰偏离相关区时，将产生错误的检测信号。另外，在安装调试时也较麻烦。
2.2.4 数字图象火焰检测
这种方法是用CCD摄像机摄取火焰的图像，输出信号由计算机处理。整个系统由光学图像传感器，图像采集卡，微机及显示器组成。由于锅炉炉壁受到很强的热辐射，CCD摄像机不能装在炉墙上，一般用棱镜或光纤将图像传至安装于锅炉外边的摄像机上。采集到的图像数据可用计算机进行各种复杂的处理，在显示器上以伪色彩火焰显示、火焰燃烧棒图、火焰亮度分布图等形式显示出来。
这种火焰检测装置具有较好地区分单个火焰燃烧器火焰和背景火焰地能力，系统的灵敏度很高，操作使用也很方便。目前，我国能生产512×320像素的面型CCD图像传感器，国际上已达2048×2048像素的面型CCD图像传感器。随着计算机技术的发展和CCD元件
价格的下降，这种火焰检测装置将得到更广泛的应用。
第三节试验方法
摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words:Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control
浙江省火电厂锅炉汽包水位测量问题分析及改进 孙长生1，蒋健1，刘卫国2，丁俊宏1，王蕙1 （1.浙江省电力试验研究院，杭州市，310014；2.国华浙能发电有限公司，浙江省宁波 市，315612） 摘要：汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数。由于配置、安装、运行及维护不当等因素，导致汽包水位测量系统存在测量值与实际值不符的情况，影响机组安全、经济、稳定运行。本文对浙江省火电厂汽包水位测量、水位保护投入状况进行现场调查，总结存在的问题，分析问题产生的原因，探讨并提出消除或减少这些问题的技术改进措施，供同行参考。 关键词：汽包水位测量；偏差分析；技术措施；锅炉；水位保护；水位计 doi：10.3969/j.issn.1000-7229.2010.10.000 Analysis of Running Status and Research of T echnical Proposal to the Drum Water Level Measurement Systems of Zhejiang Fired Power Plant SUN Chang-sheng1，JIANG Jian1，LIU Wei-guo2，WANG Huo （1．Zhejiang Provincial Electric Power Test and Research Institute，Hangzhou 310014，China；2．Zhejiang Guohua Zheneng Power Generation Co. Ltd.，Ningbo 315612，Zhejiang Province， China） ABSTRACT：Because of many reasons during installment, operation and maintenance, the drum water level measurement systems often have been found the difference between the observed value and the actual value, that seriously affectes unit's stable operation.This article has investigated many power plants in the Zhejiang Province closely, surveyed the situation of the drum water level measurement and the water level protection conditions of Zhejiang fired power plant, and has gived useful suggestion.of the reference water column. KEYWORDS：drum water level measurement；warp analysis；technical proposal；boiler；water level protection；water level meter 0 引言 汽包水位是表征锅炉安全运行的重要参数，其测量的准确性与其偏差问题（以下简称“水位测量问题”）的解决，是一直困扰火电机组热工测量与安全、经济运行的难题。针对水位测量问题，在浙江省内火电厂进行了专题调查，就存在的水位测量问题进行了深入的专题探讨，提出了提高汽包水位测量系统运行可靠性的改进意见，供同行参考。 1 存在的主要问题 1.1 模拟量测量信号系统存在的问题 目前浙江省蒸发量为400 t/h及以上的汽包炉共有57台，这些锅炉运行中模拟量测量信号系统存在的主要问题包括以下几方面： （1）测量显示偏差。不同测量变送器显示的示值不一致，两侧显示偏差高的超过100 mm，即使是同侧偏差，有时也高达几十mm，且随着机组负荷的变化而不同，难以找出其变化规律。 （2）逻辑故障判断功能不完善。一些机组不具备《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（请核实是否修改正确）中的汽包水位信号故障后的逻辑判断自动转换功能、水位和补偿用的汽包压力信号坏信号判别功能。 （3）共用测量孔。由于汽包上给出的取样孔不足，因此存在共用取样孔和平衡容器情况，未能做到全程独立。
锅炉汽包水位的变化及控制 [摘要]对影响汽包水位变化的因素进行了全面分析，针对机组在启动过程中及机组事故过程中水位的变化特点，提出了合理的汽包水位控制方案，从而进一步保证了机组的运行安全。 【关键词】汽包水位；给水流量；蒸汽量；自动调整 前言 沙角A电厂＃4、5机组的锅炉为亚临界压力一次中间再热控制循环汽包炉，正压直吹式制粉系统，锅炉最大连续蒸发量1025T/H，是上海锅炉厂引进美国CE公司技术生产的。锅炉采用两台汽动给水泵及一台电动给水泵上水，给水系统流程如下： 汽包水位是锅炉正常运行中最主要的监视参数之一。水位过高过低都可能造成设备损坏事故，影响机组安全。运行中，必须加强对汽包水位的监视和调整。我厂#4、5炉汽包水位的控制范围：正常值:0±50mm，报警值:＋127/－178mm，跳闸值(MFT): +320/－380mm。 1. 影响汽包水位变化的因素 锅炉在运行中，汽包水位是经常变化的，引起汽包水位发生变化的原因主要是锅炉的外扰和内扰。当出现外扰和内扰时，将使蒸发设备的物质平衡关系(即蒸发量与给水量之间的平衡关系)发生破坏，或者工质状态发生变化(当锅炉压力变化时，水和蒸汽的比容发生变化)，从而造成汽包水位发生变化。汽包水位变化的剧烈程度，不仅与扰动量的大小有关，而且还与扰动速度有关。影响汽包水位变化因素主要有： 1.1锅炉负荷的变化汽包水位的变化与锅炉负荷(蒸发量)的变化有密切关系，因为蒸汽是从给水进入锅炉以后逐渐受热汽化而产生的。当负荷变化时，蒸发受热面中水消耗量发生变化，必然引起汽包水位的变化。当负荷增加时，如果给水量不变或增加不及时，则蒸发设备中的水量逐渐被消耗，其最终结果将使水位下降；反之，水位上升。所以水位变化的幅度反映了锅炉蒸发量与给水量之间平衡关系相称程度。当外界负荷突增或突减时，会引起锅炉汽压骤变，汽包水位会出现虚假水位，若安全门动作又会使水位升高。所以，当负荷骤变时，必须严密监视水位，预防水位事故的发生。 1.2燃烧工况的变化燃烧工况的改变对水位的影响也很大。在外界负荷及给水量不变的情况下，当燃料量突然增加，水位暂时升高而后下降；燃料突减，水位暂时降低而后升高。因此，水位波动的大小取决于燃烧工况改变的强烈程度以及运行调节的及时性。 1.3给水压力的变化给水压力变化时，将使给水流量发生变化，从而破坏了给水量与蒸发量的平衡，引起水位变化。给水压力波动过大，将使给水自动调节器失调。水压过低，则汽包进水困难，若给水压力低于汽包压力，给水将无法进入汽包，会造成锅炉严重缺水。给水泵故障、给水管道破裂、给水门故障等均能使给水压力降低，故应对给水压力和给水流量严加监视，注意控制给水流量与蒸汽流量相适应。 1.4锅炉汽水管泄漏或下联箱放水门误开锅炉受热面管损坏(如水冷壁管泄漏、省煤器泄漏等)，将消耗大量的蒸汽和水，如果负荷过大给水不能满足要求时，将造成汽包水位的逐渐下降，如果损坏严重将会造成锅炉严重缺水。锅炉下
过程控制系统实验报告 专业 ****** 班级 ****** 学生 ****** 学号 ******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差±0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20),σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13 第五章心得体会-----------------------------------------------------------15
汽包水位三冲量给水调节系统 1、所谓冲量，是指调节器接受的被调量的信号； 2、汽包水位三冲量给水调节系统由汽包水位测量筒及变送器、蒸汽流量测量装置及变送器、给水流量测量装置及变送器、调节器、执行器等组成； 3、在汽包水位三冲量给水调节系统中，调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号，如图所示。其中，汽包水位H是主信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输信号发生变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值；蒸汽流量信号qm.S是前馈信号，其作用是防止由于“虚假水位”而使调节器产生错误的动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量；蒸汽流量和给水流量两个信号配合，可消除系统的静态偏差。当给水流量变化时，测量孔板前后的差压变化很快并及时反应给水流量的变化，所以给水流量信号qm.w作为介质反馈信号，使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用。 4、在大、中型火力发电厂锅炉汽包水位的变化速度比较快，“虚假水位”现象较为严重，为了达到生产过程中对汽包水位调节的质量要求，因而广泛采用了三冲量汽包水位调节系统。
5、关于测量信号接入调节器的极性说明：当信号值增大时要求开大调节阀，该信号标以“”号；反之，当信号值减小时要求关小调节阀，该信号标以“－”号。在给水调节系统中，当蒸汽流量信号增大时，要求开大调节阀，该信号标以“”号；给水流量信号增大时，要求关小调节阀，该信号标以“－”号；当汽包水位升高时，差压减小，水位测量信号减小，要求关小调节阀，则该信号标以“”号。 直流炉没有三冲量啊，没有汽包，在直流状态下给多少水就产生多少汽的，是通过中间点温度来调整锅炉燃水比的！ 单冲量三冲量切换条件：一般用给水流量来划分，小于200t/h（30%,我们300MW机组就是这样）时为单冲量，大于则为三冲量 为啥要到30％负荷时，电泵由单冲量切到三冲量啊？要防止汽包的虚假水位。在低负荷的时候，单冲量主要是给系统上水，在高负荷时，给水的任务就是维持汽包水位。
过程控制仪表课程设计 题目锅炉汽包水位控制系统 指导教师高飞燕 班级自动化071 学号 20074460107 学生姓名丁滔滔 2011年1月5号
附录：仪表配接图 (20) 锅炉汽包水位控制系统 1.系统简介： 控制系统一般由以下几部分组成 图1 自动控制系统简易图 锅炉水位系统如下图：
其单位阶跃响应图如下：
图3 蒸汽流量干扰下水位阶跃曲线 通过电容式液位计将检测来的液位信号变送给成标准信号，再输送给控制器，调节器再通过执行机构和阀来控制进水量，从而达到自动控制锅炉水位。 2．锅炉控制系统： 2.1锅炉： 锅炉是火力发电厂中主要设备之一。它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，井将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化程度高等特点。 2.2过热器和再热器： 蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽，并要求在锅炉负荷或其他工况变动时，保证过
热气温的波动处在允许范围内。 提高蒸汽初压和初温可提高电厂循环热效率，但蒸汽初温的进一步提高受到金属材料耐热性能的限制。蒸汽初压的提高随可提高循环热效率，但过热蒸汽压力的进一步提高受到汽轮机排气湿度的限制，因此为了提高循环热效率及降低排气湿度，可采用再热器。通常，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。 过热器和再热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，而且过热器和再热器又位于高烟温区，所以管壁温度较高。如何使过热器和再热器管能长期安全工作是过热器和再热器设计和运行中的重要问题。 在过热器和再热器的设计及运行中，应注意下列问题: ⑴运行中应保持汽温的稳定，汽温波动不应超过±（5～10）℃。 ⑵过热器和再热器要有可靠的调温手段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温。 ⑶尽量防止和减少平行管子之间的偏差。 2.3省煤器和空气预热器： 省煤器和空气预热器通常布置在锅炉对流烟道的尾部，进入这些受热面的烟气温度已较低，因此常把这两个受热面称为尾部受热面或低温受热面。 省煤器是利用锅炉尾部烟气的热量来加热给水的一种热交换装置。它可以降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。在现代大型锅炉中，一般都利用汽轮机抽汽来加热给水，而且随着工质参数的提高，常采用多级给水加热器。 空气预热器不仅能吸收排烟中的热量，降低排烟温度，从而提高锅炉效率；而且由于空气中的预热，改善了燃料的着火条件，强化了燃烧过程，减少了不完全燃烧热损失，这对于燃用难着火的无烟煤及劣质煤尤为重要。使用预热空气，可使炉膛温度提高，强化炉膛辐射热交换，使吸收同样辐射热的水冷壁受热面可以减少。较高温度的预热空气送到制粉系统作为干燥剂，在磨制高水分的劣质煤时更为重要。因此空气预热器也成为现
汽包水位控制原则及调整 一、汽包水位调节原则 1在负荷较低时，主给水电动门未开，由给水旁路阀控制汽包水位。当主蒸汽达到要求流量，全开主给水电动门，全关给水旁路阀。反之，当主蒸汽减少到要求流量且持续一定时间后，将旁路给水阀投自动，关主给水电动门，给水由主路切换到旁路。 2锅炉汽包水位的调节是通过改变主给水调节阀的开度或给水泵的转速，在机组负荷小于25％时，采用单冲量调节；当机组负荷大于25%后，给水切换为三冲量调节，此时通过控制汽泵转速控制汽包水位，电泵备用。单冲量，三冲量调节器互为跟踪，以保证切换无扰。 3锅炉正常运行中，汽包水位应以差压式水位计为准，参照电接点水位计和双色水位计作为监视手段，通过保持给水流量，减温水流量和蒸汽流量之间的平衡使汽包水位保持稳定。 4为了保证汽包水位各表计指示的正确性，每班就地对照水位不少于一次，同类型水位计指示差值≯30mm。 5两台汽动给水泵转速应尽可能一致，负荷基本平衡。 6两台汽动给水泵及一台电动给水泵均可由CCS自动调节水位，正常情况下汽包水位调节由自动装置完成，运行人员应加强水位监视。 7当汽包水位超过正常允许的变化范围，且偏差继续增大时应及时将自动切至手动方式运行。手动调整时幅度不可过大，应防止由于大幅度调节而引起的汽包水位大幅度波动和缺、满水事故。 8经常分析主蒸汽流量、给水流量、主汽压力变化规律，发现异常及时处理。 二、遇有下列情况时应注意水位变化(必要时采用手动调节) 1给水压力、给水流量波动较大时； 2负荷变化较大时； 3事故情况下； 4锅炉启动、停炉时； 5给水自动故障时； 6水位调节器工作不正常时； 7锅炉排污时； 8安全门起、回座时； 9给水泵故障时； 10并泵及切换给水泵时； 11锅炉燃烧不稳定时。 三、给水控制系统（CCS控制） 1本机组装有两台50%汽动调速给水泵和一台30%电动调速泵。
300MW锅炉汽包水位的调整 锅炉汽包水位的调整直接关系到整个机组的运行安全，调整操作不当将造成两种事故，一种是汽包满水事故（高三值锅炉MFT，机组掉闸），严重超过上限水位，使蒸汽带水严重，温度急剧下降，发生水冲击，损坏蒸汽管道和汽轮机组；另一种是汽包缺水事故（低三值锅炉MFT）；即水位低于能够维持锅炉正常水循环的水位，蒸汽温度急剧上升，水冷壁管得不到充分的冷却而发生过热爆管。 1 汽包水位的变化机理 1.1 锅炉启动过程中的汽包水位变化 锅炉点火初期，由于冷风带走的热量和燃油燃烧释放的热量相等，汽包水位无大的变化，当0.8t/h或1.7t/h的油枪增投至2支及以上时，炉水开始产生汽泡， 汽水混合物的体积膨胀 壁内水循环流速加快后，大量汽水混合物进人汽包进行分离，饱和蒸汽进入过热器，使汽包水位开始明显下降。当到达冲转参数(主蒸汽压力3.5-4.2 MPa,主蒸汽温度320-360℃)、关闭30%旁路的过程中，蒸发量下降，很多已生成的蒸汽凝 结为水，汽水混合物的体积缩小，促使汽包水位迅速下降 这时在给水量未变的情况下由于锅炉耗水量下降汽包水位会迅速回升。在挂 闸冲转后水位的变化相反。机组并网后负荷50 -70MW给水主、旁路阀切换时，由于给水管路直径的变大使给水流量加大，汽包水位上升很快。其它阶段只要给水量随负荷的上升及时增加，汽包水位的变化不太明显。 1.2 引风机、送风机、一次风机、磨煤机跳闸后汽包水位变化 上述四大转动机械任意1台跳闸，相当于锅炉内燃烧减弱，水冷壁吸热量减少， 汽泡减少，炉水体积缩小1台引风 机后的10S内，给水自动以2 t/s的速度增加，汽包水位下降速率仍然高达 5-6mm/s。同时，汽压下降，饱和温度降低，炉水中汽泡数量又增加，水位又上 升， 1.3 高加事故解列后汽包水位变化 高加事故解列，即汽轮机的一、二、三段抽汽量突然快速为0。对于锅炉而言， 1.4 突然掉大焦和一次风压突升后汽包水位变化
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书 专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目 锅炉汽包液位控制 二、本次课程设计（论文）应达到的目的 本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控 制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业 选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术 相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技 能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论 联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要 求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等） 锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u ?=。试根据 实验数据设计一个超调量 25%p δ≤的无差控制系统。 具体要求如下： （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。 四、应收集的资料及主要参考文献： 1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006 2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001 3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008 五、审核批准意见 教研室主任（签字） 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格
1、设置副调流量系数 包括给水流量系数和蒸汽流量系数。这两个系数没有固定值。如果副调的比例作用很弱，这两个系数甚至可以取消不用。之所以要设置系数，是要提醒读者注意：在调试过程中，切不可先令副调比例作用过强！否则有可能造成系统震荡，最终导致安全事故。我们可以预设这个系数为0.3左右。 一般来说，蒸汽流量系数和给水流量系数应该大致相等。稳定工况下，尽量使调节器的输入端为0。 2、设置副调的比例带非常大，积分时间为无穷大，微分为0，即纯比例作用 比例作用的大小因系统而异。总体方向上，应该先把副调比例作用放很小。以防止系统或者副调震荡。 3、设置主调的积分时间为0，比例作用比较弱 之所以没有给出比例作用的具体数值，是因为根据不同的系统，不同的DCS，不同的程序，这个值往往变化很大。 一般来说，副调的比例带可以先设为150~600，主调比例带设为100~200。4、逐渐降低主调比例带 根据观察结果，逐渐增强比例作用，直到系统接近平稳。或者继续增强比例作用，直到系统接近于等幅震荡，然后把此时的比例带除以0.6，基本上接近于可用了。但是对于汽包水位系统，最好不要调到等幅震荡，因为这样会使系统处于危险的境地。 5、逐渐增强积分作用 积分作用逐渐增强，能在较短时间（约10分钟）内消除静差即可。 许多人对积分作用特别偏爱，往往给主调的积分作用放得很强。这种方法不仅没有好处，还会带来危害。因为在被调量开始强势回调的时候，需要调节器的输出也要快速回调，这样才能使得被调量不会大幅度超调，而这时候如果积分作用很强，积分作用会使得调节器的输出不仅不回调，而且还可能按照原来的趋势继续调节，一直等到被调量和设定值接近相等的时候，才开始回调，这时候已经太晚了，必然造成大幅度的超调。要记住：主调积分的目的是为了消除静差的。只要系统没有静差，积分作用就不必要增强。 6、没有必要使用微分作用 微分作用可以超前调节，但是该系统完全没有必要使用。并且因为水位、流量
/ 过程控制系统实验报告（ 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx < 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 < 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.】 5.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 6.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 7.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 8.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 9.总结实验课程设计的经验和收获 (
* 过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 -概述............................................ - 3 -！ 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 -对被控对象进行特性分析 ............................... - 5 -汽包水位控制系统方框图和流程图......................... - 5 -液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 液位控制系统的方案图.................................. - 6 -选择被控参数和被控变量 ................................ - 6 -; 选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标............. - 7 -传感器、变送器选择........................................... - 7 -执行器的选择................................................. - 8 -关于给水调节阀的气开气关的选择。............................. - 8 - 关于给水调节阀型号的选择。.................................. - 8 -
第二章锅炉汽包水位测量系统试验 第一节简介 1.1汽包水位测量的重要性 锅炉汽包水位是锅炉运行的一项重要安全性指标。水位过高或急剧波动会引起蒸汽品质的恶化和带水，造成受热面结盐，严重时会导致汽轮机水冲击、损坏汽轮机叶片；水位过低会引起排污失效，炉内加药进入蒸汽，甚至引起下降管带汽，影响炉水循环工况，造成锅炉水冷壁爆管。由于汽包水位测量和控制问题而造成的上述恶性事故时有发生，严重威胁火电厂机组的正常运行和安全。 锅炉运行中，我们主要通过水位测量系统监视和控制汽包水位。当汽包水位超出正常运行范围时，通过报警系统发出报警信号，同时保护系统动作采取必要的保护措施，以确保锅炉和汽轮机的安全。 1.2汽包水位测量的基本方法 目前，从锅炉汽包水位测量的基本原理看，广泛使用的主要是联通管式和差压式两种原理的汽包水位计。由于锅炉汽包水位计对象的复杂性，以及联通管式和差压式测量原理的固有特性，决定了汽包水位测量的复杂性以及实际运行中存在的不确定因素，一致多个汽包水位计常常存在较大偏差，容易酿成事故。根据新版《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》DRZ/T 01－2004规定： 1)锅炉汽包水位测量系统的配置必须采用两种或以上工作原理共存的配置方式，以防 止系统性故障。锅炉汽包至少应配置 1 套就地水位计、3 套差压式水位测量装置 和 2 套电极式水位测量装置。 2)应严格遵循锅炉汽包水位控制和保护独立性的原则，最大限度地减少故障风险，并 降低故障停机几率。 3)汽包水位保护和控制的测量系统至少应按三重冗余的原则设计。 4)汽包水位至少配置两种相互独立的监视仪表。 5)锅炉汽包水位控制应分别取自 3 个独立的差压变送器进行逻辑判断后的信号。 6)锅炉汽包水位保护应分别取自 3 个独立的电极式测量装置或差压式水位测量装置 ( 当采用 6 套配置时 ) 进行逻辑判断后的信号。当锅炉只配置 2 个电极式测量 装置时 , 汽包水位保护应取自 2 个独立的电极式测量装置以及差压式水位测量 装置进行逻辑判断后的信号。3 个独立的测量装置输出的信号应分别通过 3 个独 立的I/O模件引入 DCS 的元余控制器。 7)汽包水位测量信号应采取完善的信号判断手段，以便及时地报警和保护。 只有深刻理解上述两种锅炉汽包水位的测量原理及其误差的成因，才能清醒的指导锅炉汽包水位测量系统的设计、安装、调试和运行维护。下面就对联通管式和差压式水位计的测量原理进行分别介绍。 1.3联通管式汽包水位计测量原理 联通管式水位计结构简单 , 显示直观 , 如图 1 所示 , 它可以做成仅仅在就地显示的云母水位计 ( 包括便于观察的双色水位计 ) , 也可以采取一些远传措施 , 如在水位计中加电接点或用摄像头等构成电极式水位计或工业电视水位计等。但就其原理来说 , 都是属于联通管式测量原理。。其中云母水位计常用于连接水位电视；电接点
汽包水位三冲量调节系统是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号作用于调节器上， 即三个被控变量对应一个调节器。 工作原理：汽包水位作为主信号，水位变化，调节器输出发生变化，继而改变给水流量，使水位恢复到给定值；蒸汽流量作为前馈信号，防止“虚假水位”使调节器产生错误的动作；给水流量作为反馈信号，使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰， 使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用。 锅炉汽包水位三冲量调节系统是火电厂锅炉核心控制之一。汽包水位三冲量调节系统的给水调节阀动作频繁，锅炉水位对给水调节阀执行机构的动作比较敏感，稍有不慎就可能出现严重的危险情况，汽包水位三冲量调节系统关系到整个机组的安全运行：若汽包水位过高，会造成蒸汽带水；若汽包水位过低，会造成锅炉“干锅”，可能严重烧坏锅炉设备。汽包水位三冲量调节系统的重要性由此可见一斑，所以汽包水位的相关保护要完善可靠、汽包水位自动调节系统运行要平稳。 目前，汽包水位三冲量自动调节控制策略已经相当成熟，但在实际锅炉运行中会各种原因导致水位自动调节系统投入困难，甚至自动不能投入。这种现象让人对串级三冲量调节系统的调节能力和控制策略产生疑问。为此云润与大家交流运用心得，对级三冲量调节系统进行定性分析，并对一些异常情况的处理办法进行探讨。 1、水位三冲量调节控制策略 汽包水位三冲量调节系统使用的三个冲量分别是汽包水位、给水流量和蒸汽流量。 汽包水位作为主调（PID调节器）的输入信号，去抑制水位本身的偏差。副调（外给定调节器）使用了一个反馈信号（给水流量）和一个前馈信号（蒸汽流量），以消除扰动和虚假水位。各种介绍汽包水位三冲量调节系统的书籍中，都有对传递函数的计算，这些计算对系统设计很重要。如果用经验调节法对于系统维护，则完全可以抛开理论计算。在此只对其物理意义进行定性思考和作一番揣测。 1.1?反馈信号 反馈信号指给水流量信号，也叫内扰。 水位三冲量调节系统中被调量发生变化的时候，PID 经过运算，去控制执行机构进行合理的动作，执行机构改变给水调节阀的开度，阀门控制介质变化，达到控制给水流量的目的。可是给水调节阀执行机构特性、水位三冲量调节系统的运行状况存在很多差异，这些差异主要有： （1）执行机构线性：执行机构改变开度后，流量随之改变的大小。 （2）执行机构死区：PID 输出每变化多少，执行机构才能动作一次。 （3）执行机构空行程：执行机构在改变动作方向的时候，改变多少开度，给水流量才发生变化（减去死区的值）。 （4）执行机构回差：执行机构进行开、关两个方向的动作的时候，流量变化不相等，这个流量变化绝对值的差叫回差。 （5）执行机构及阀门的特性曲线改变：阀门线性改变，阀门每变化1%，流量变化量与以往不同。 （6）水位三冲量调节系统软故障：偶尔发生的系统故障使得给水流量变化不均匀，或者时有停顿。 （7）系统介质参数发生变化：指因给水压力、蒸汽压力变化导致给水流量变化。
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锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 - 1.1概述............................................ - 3 - 1.2锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 1.3锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 - 2.1 对被控对象进行特性分析 ............................ - 5 - 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图..................... - 5 - 2.2.1液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 2.2.2液位控制系统的方案图.................................. - 6 - 2.3选择被控参数和被控变量............................. - 6 - 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 ......... - 7 - 2.4.1传感器、变送器选择 ..................................... - 7 - 2.4.2执行器的选择........................................... - 8 - 2.4.3关于给水调节阀的气开气关的选择。 ....................... - 8 - 2.4.4 关于给水调节阀型号的选择。............................. - 8 - 2.4.5 给水流量蒸汽流量..................................... - 8 - 2.5 四个环节的工作形式对控制过程............................... - 8 - ................................... - 10 - 3.1对控制进行PID控制.......................................... - 10 - ........................................... - 11 -
1.汽包水位的动态特性描述 (1) 1.1.汽包在给水流量作用下的动态特性 (1) 1.2.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 (2) 2.汽包水位控制方案的选择及其原理 (4) 2.1.三冲量控制原理及各部分的作用 (4) 2.1.1.控制原理 (4) 2.1.2.各部分的作用 (5) 3.前馈-串级控制系统的特点和调节器作用方式判断 (7) 3.1.控制系统的特点 (7) 3.1.1.前馈控制系统的特点 (7) 3.1.2.串级控制系统特点 (7) 3.2.调节器作用方式判断 (7) 3.2.1.判断副调节器的作用方式 (7) 3.2.2.判断主调节的作用方式 (7) 4.控制仪表及技术参数 (8) 4.1.控制仪表的选定 (8) 4.2.各元器件的型号及参数 (8) 5.总结与体会 (10) 参考文献 (11)
在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉发生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。 锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，讨论了目前通常采用的控制方法,分析了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理出发,推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型,通过对几种控制方案的分析、研究与比较,选三冲量系统作为最佳控制方案,并着力研究三冲量系统的特点。 关键词：锅炉汽包水位控制三冲量控制系统
300MW机组锅炉汽包水位调整技术的探讨 【摘要】阐述了300MW机组锅炉汽包水位的变化机理和锅炉汽包水位调整技术，对锅炉运 行过程中汽包水位的一些关键问题从不同角度进行了探讨，为运行人员提供了科学的操作依据、实践经验和技术支持。【关键词】锅炉水位调整 1、前言锅炉的汽包水位由于调整不当，将造成两种水位事故。一种是汽包满水事故，指锅炉 汽包水位严重高于汽包正常运行水位的上限值，使锅炉蒸汽严重带水，蒸汽温度急剧下降，发生水冲击，损坏管道和汽轮机组。另一种是汽包缺水事故，指锅炉水位低于能够维持锅炉正常水循环的水位，蒸汽温度急剧上升，水冷壁管得不到充分的冷却而发生过热爆管。这种事故的发生轻者造成机组非计划停运，严重时可造成汽轮机和锅炉设备的严重损坏。在机组正常启停和运行中通过科学的判断分析和正确的高水平的调整汽包水位，才能很好的防止恶性事故的发生和间接地降低发电厂的生产成本。 2、汽包水位的变化机理 2.1 锅炉启动过程中的汽包水位变化投入炉底部加热后，辅汽在炉 水中凝结成为炉水，使汽包水位缓慢上升。锅炉点火初期，由于冷风带走的热量和燃油燃烧释放的热量相等，汽包水位无大的变化。当1.8t／h的油枪增投至两支及以上时，由于热量平衡的 破坏，使炉内温度上升，炉水吸热开始产生汽泡，汽水混合物的体积膨胀，汽包水位开始缓慢上升产生暂时的虚假水位，随炉水吸热量的增加，当水冷壁内水循环流速加快后，大量汽水混合物进入汽包后汽水分离，饱和蒸汽进入过热器，使汽包水位开始明显下降。随着汽包压力的升高，这种蒸发速度会降低，但在实践中观察该现象不太明显。当到达冲转参数（主蒸汽压力4.2Mpa，主蒸汽温度320℃）关闭35％旁路的过程中，蒸发量下降，单位工质吸收的热量增加，微观分析，分子运动速度加快，对汽包、水冷壁、过热器的撞击次数增多，宏观观察，汽包压力又进一步升高，送一方面使汽水混合物比容减小，另一方面饱和温度升高，很多已生成的蒸汽凝结为水，水中气泡数量减小汽水混合物的体积缩小，促使汽包水位迅速下降，造成暂时的虚假水位，这时在给水量未变的情况下由于锅炉耗水量下降汽包水位会迅速回升。在挂闸冲转后水位的变化相反。机组并网后负荷50Mw给水主副阀切换时，由于给水管路直径的变大使给水流量加大汽包水位上升很快。其它阶段只要给水量随负荷的上升及时增加汽包水位的变化不太明显。2.2 引风机、送风机、一次风机、磨煤机跳闸后汽包水位的变化锅炉的上述四大转机任意跳闸1台，相当于炉内燃烧减弱，水冷壁吸热量减少，炉水体积缩小，汽泡减少，使水位暂时下降。从实际事故中观察，跳1台引风机后的10s内，给水自动以2t／s的速度增加，其水位下降速率仍然高达6.2mm／s。同时气压也要下降，饱和温度相应降低，炉水中汽泡数量又将增加，水位又会上升，还由于负荷的下降，给水量不变，如果人工不干预，水位最终会上升。这就是平时所说的先低后高。2.3高加事故解列后汽包水位的变化高加事故解列，就是汽轮机的一二三段抽汽量 突然快速为零的过程。对于锅炉来说，发生了2个工况的变化，一个是蒸汽流量减少压力升高，另一个是给水温度降低100℃引起的炉水温度降低，水位将先低后高。2.4 突然掉大焦和一次风压突升后汽包水位的变化这种情况相当于燃烧加强的结果，水冷壁吸热量增加，炉水体积膨胀，汽泡增多，使水位暂时上升：同时气压也要升高，饱和温度相应升高，炉水中汽泡数量又将减少，水位又会下降；随后蒸发量增加，但给水未增加时，水位又进一步下降，即水位先高后低。从实际生产中观察，上升不明显，但下降较快，事故发生10s后，虽然给水以1t／s的速度增加，水位仍以1.7mm／s的速度下降。2.5 锅炉安全门动作和负荷突变后汽包水位的变化当锅炉安全门动作或负荷突增时，汽包压力将迅速下降，送时一方面汽水比容增大，另一方面使饱和温度降低，促使生成更多的蒸汽，汽水混合物体积膨胀，形成虚假高水位。但是由于负荷增大，炉水消耗增加，炉水中的汤泡逐渐逸出水面后，水位开始迅速下降，即先高后低。当安全门回座或负荷突降时，水位变化过程相反。3 锅炉启动过程中汽包水位的调整（1）经过高加水侧锅炉冷态启动上水正常后，投入底部加热之前给电子水位计测量筒进行灌水，使电子水位能正确显示，防止在启动过程中水位误差过大造成汽包水位无法投入和MFT误动事故。（2）锅炉底部