锅炉水位控制

过程控制课程设计

进水流量作前馈的锅炉液位控制系统

锅炉液位是锅炉运行中的一个重要的监控参数，它间接地表示了锅炉负荷和给水的平衡关系。维持汽包水位是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。锅炉汽包水位过高，影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽中水分过多，结果使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，同时还会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性；汽包水位过低，则可能使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁管供水不足而烧坏。随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求，其主要原因有：

(1)汽包的个数和体积减少，使汽包的蓄水量和蒸发面积减少，从而加快了汽包水位的变化速度；

(2)锅炉容量的增大，显著地提高了锅炉蒸发受热面的热负荷，使锅炉负荷变化对水位的影响加剧了：

(3)提高了锅炉的工作压力，使进水调节阀和进水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。

由此可见，随着锅炉朝大容量、高参数发展，进水系统采用自动控制是必不可少的，它可以大大减轻运行人员的劳动强度，保证锅炉的安全运行。对于大容量高参数锅炉，其进水控制系统将是非常复杂而完善的。

一、进水被控对象的动态特性

分析被控对象的动态特性是设计和优化控制系统的前提和基础，锅炉内部的工质容积组成可看作三部分，即蒸汽容积，蒸发面以下的蒸汽容积和水容积。在汽包中有水和蒸汽的两相物质转换，同时还要进行能量交换，因此可列出两组方程式，即物质平衡方程式和能量平衡方程式，但主要还是从能量平衡方面进行分析给水被控对象的动态特性。单位时间内汽包内积蓄的热量等于单位时间内输入的热量减去单位时间内的热量。综合物质平衡和能量平衡两方面考虑，可以得到汽包压力的十分重要的动态方程式。

1.1汽包水位动态方程式

锅炉汽包内部的工质容积组成，可以看作由三部分构成，即蒸汽容积V。，蒸发面以下的蒸汽容积V。和水容积vw。由于在汽包里要进行水和蒸汽两相物质的转换，同时还要进行能量的交换，因此可列出两组方程式，即物质平衡方程式和热平衡方程式：

wwDDMMkkKKpPdtdpT （1-1）

式中T——时间常数，

pK——汽包压力放大系数；

MK——燃料量放大系数；

DK——蒸汽流量放大系数：

wK——给水流量放大系数。

在此基础上，可求得汽包水位十分重要的动态方程式：

)()()()(12221pkdtdpTkdtduTKdtduTkdtduTdtdhTdthdTTppDDDMMMMwwww

（1-2）

式中

wT——给水流量项时间常数；

MT——燃料量项的时间常数；

DT——蒸汽流量项的时间常数；

pT一汽包压力项的时间常数：

pK、DK、MK——各有关项的放大系数；

1T、2T——水位的时间常数。

通过计算和测试可知，式(1-1)和式(1-2)中的时间常数T和1T，的数值相差很大，大致相差一个数量级，说明汽包对压力的反应比对水位的反应更快。这是汽包炉把给水和汽压控制分为两个独立控制系统的原因。另外，在不同的工况下，式(1-1)和式(1-2)的时间常数和放大系数也是不同的，即两式的系数是不一样的。这说明在不同的运行工况下(尤其对滑压运行机组)被控对象的动态特性随负荷而变化，要求调节器有变参数自适应的能力。将式(1-2)作拉氏变换，变成如图1-1的形式，可以看出汽包水位被控对象的扰动有四个来源：一是给水方面的扰动，其中包括给水压力的变化和调书阀开度的变化，这个扰动来自给水管道和给水泵；二是蒸汽负荷的扰动，包括蒸汽管道阻力的变化和主蒸汽调节阀开度的变化，这个扰动主要来自汽轮发电机组的功率变化；三是燃料量的变化，包括引起燃料发热量变化的种种因素；四是汽包压力的变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”过程和压力降低时的“自蒸发”过程起作用的。根据对汽包水位的动态特性的分析，可知在设计给水自动控制系统时如何考虑这些扰动因素，这便是设计给水自动控制系统的主要根据。

图1-1汽包水位各通道的示意图

)(Wsw，)(sWD，)(sWM，)(sWp一给水、蒸汽、燃料、汽压扰动对水位的传递函数

1.2汽包水位的阶跃响应试验曲线

从理论上已经分析了对汽包水位产生扰动的四个因素，其中以给水扰动、汽机负荷扰动和锅炉热负荷扰动较为严重，下面通过实际测试，求出它们的阶跃响应曲线，以分析它们的动态特性。

1、给水量扰动下水位变化的动态特性

给水量w的扰动是给水自动控制系统中影响汽包水位的主要扰动之一，因为它是来自控制侧的扰动，又称内扰。在给水量扰动下水位变化的阶跃响应曲线如图3所示。

图1-2给水扰动时的水位阶跃响应曲线 图1-3给水扰动传递函数方框图

图中1H为不考虑水面下sV变化的响应曲线，这个是由于水和汽的物质不平衡引起的。虚线2H为给水过冷度所引起的水位变化曲线(即给水温度低于汽包内饱和水温度)，给水的过冷度越大，2H的变化幅度越大。H为水位受到给水量阶跃扰动后的实际响应曲线，可以认为是由1H和2H的合成的。由H曲线可以清楚地看出给水被控对象内扰的特点是：给水扰动刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H的变化很慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位将不能稳定。由给水阶跃响应曲线可求出滞后时间和响应时间。延长H曲线的直线段与时间轴的交点A，与纵坐标的交点B，则0A=、OB=，的大小与省煤器的构造形式及锅炉容量的大小有关。对于沸腾式省煤器=100一200S，对于非沸腾式省煤器=30一100S

响应时间)(htsmmWHWtg

水位在给水扰动情况下的传递函数可表示如下：

)1()(ssWHsWh （1-3）

给水扰动传递函数方框图如图1-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。

2、蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性

蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属于外部扰动，这是一个经常发生的扰动。在蒸汽流量发生扰动的情况下，水位的阶跃响应曲线

如图1-4所示。

图1-4蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线图 图1-5蒸汽流量扰动下水位被控对象方框图

1H一只考虑物质不平衡的水位响应曲线：

2H一只考虑蒸发面下蒸汽容积vs变化的水位响应曲线；

1H+2H一实际水位响应曲线

当汽机的用汽量突然增加(假定锅炉供热量及时跟上)，锅炉的蒸发量大于给水量，从汽包的水量来看，水位变化应如图中1H所示。但是当锅炉的蒸发量突然增加时，由于sV的增加而使水位变化曲线如图中的2H所示，而实际显示出的水位响应曲线如H所示(H=1H+2H)。从图上可以看出，当锅炉负荷变化时，汽包水位的动态特性曲线如图1-4中H曲线所示。当负荷增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在一开始水位不仅不下降，反而迅速上升，这种现象称为“虚假水位”，这是由于负荷增加时水面下汽泡的容积Vs增加得很快。当汽泡的容积己与负荷相适应而达到稳定后，水位就主要随物质不平衡的关系的变化而下降。应当指出，当负荷突然改变时，Vs的改变而引起水位的改变是很快的，图1-5中2H的时间常数大约只有lO～20S。虚假水位变化的幅度与锅炉的汽压和蒸发量变化的大小有关，对于一般

l00～230t／h的中高压锅炉，当突然负荷变化lO％时，虚假水位现象可使水位变化30～40mm。

蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性的传递函数为

式中2T一图5中2H特性的时间常数，约为lO～20S：

2K一2H特性的放大系数；

一响应速度

图1-5为蒸汽流量扰动下的水位被控对象方框图，可视为积分环节与惯性环节并联。

图1-4所示的蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线只是定性地表明水位变化的特点，在实际进行动态试验时是很难造成蒸汽流量的阶跃扰动的。如果只改变负荷设备的用汽量，就会引起汽压的变化，汽压变化影响Vs变化，这时虚假水位现象就会更严重些。

3．锅炉热负荷扰动(燃料量M的扰动)

由前面式(1—2)分析可知，燃料扰动对于给水被控对象也是一种扰动因素。例如，燃料量M突然增加时，锅炉吸收更多的热量，蒸发强度增加。如果汽机的进汽量不加调节，则随着出口压力的提高，蒸汽输出量亦将增加，此时蒸发量大于给水量，水位应该下降，但是由于汽水容积中Vs体积增大，因此也出现虚假水位现象，水位先开始上升，过后才下降，阶跃响应曲线如图7所示。它和图5有些相似，但水位上升较少，而滞后M较大，这是由于燃料增加使发热量增加的同时，汽压P也增加，使体积Vs增加较少，从而使水位上升较少，另一方面，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图7中虚线所示，这就导致M较大。从上述三种扰动下水位变化的动态特性可以看出给水控制的某些特点。当水位偏离给定值后再调节给水量，则由于给水量改变后有一定的滞后时间(或惯性)才能影响到水位，即从给水调节机构动作到汽包水位变化存在着一定的滞后，因此水位必然要有较大的变化，尤其是水位响应速度快的锅炉，水位的偏差更大。在负荷变化时，由于产生“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这个水位暂时变化的幅度是不能靠控制给水量来减少的。对于虚假水位严重的锅炉，为了在负荷变化时水位不超出允许范围，必须限制负荷的一次突变量和变负荷的速度(即要求主控制系统或汽轮机功率控制系统进行变负荷速度限制)。此外，由于影响汽包水位的因素多，并且存在着“虚假水位”，如果只根据水位控制给水量，那么在负荷变化的开始阶段“虚假水位”增加，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，因而扩大了锅炉进出工质的不平衡，这种情况在设计给水自动控制系统时是必须加以考虑的。

图1-6燃料阶跃扰动F的水位响应曲线

应该指出，前述四种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，但是由于控制通道在给水侧，故蒸汽流量D、燃料量M和汽压P的扰动，习惯上都称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量w是调节机构所改变的调节变量，给水量扰动在控制系统的闭合回路里产生，习惯上称为内部扰动。因此汽包水位对于给水量扰动的动态参数(、)是给水控制系统调节器参数整定的依据，在选择调节器参数时，要根据和来决定。另外由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常产生的外部扰动，且是产生“虚假水位”的根源，所以在给水控制系统罩常常引入D、M信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，这也就是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。

二、给水控制系统

2.1基本思想

根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，可以提出给水控制系统的一些基本思想：

(1)由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，所以给水控制系统若采用以水为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性延迟和惯性大的锅炉应采用串级或其它控制方案。

(2)由于对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时，有“虚假液位”现象。因此给水控制采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段。调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进出流量的不平衡。所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量为前馈信号的前馈控制，以改善给水控制系统的品质。