三冲量汽包水位控制原理及应用教程

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。

串级三冲量控制系统在汽包液位控制的应用锅炉是重要的动力设备，汽包液位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，汽包液位的控制质量优劣将在很大程度上影响着锅炉的生产安全及经济效益。

1、汽包液位控制的重要性在锅炉稳定运行过程中，汽包液位(以下简称液位)的控制是最重要的环节之一。

液位过高会影响汽水分离的效果，产生蒸汽带液现象;液位过低会破坏水循环，严重时会烧坏锅炉。

当蒸汽负荷突然增大时，锅炉会出现暂时的压力下降，水的沸腾加剧，导致液位上升，这就产生了虚假液位。

这时本应把给水量加大，但如果采用简单的单冲量调节系统，就会根据这个假液位而错误地把锅炉给水调节阀关小，减少给水量，等到汽水达到新的动态平衡时，液位就下降了许多，远离给定值，甚至使锅炉发生危险。

如果蒸汽负荷骤降，它的变化过程和结果与上述相反，从而使汽包液位发生较大的波动。

由此可以看出，影响液位的主要因素是锅炉的汽水平衡。

为了克服负荷变化引起的液位大幅度波动，消除假液位的影响，提前消除蒸汽流量对液位的干扰，除了主调节回路的液位变量以外，还引入了作前馈信号的蒸汽流量和作串级副回路测量信号的给水流量两个辅助变量。

而主调节回路(以下简称主回路)、副调节回路(以下简称副回路)及前馈控制构成了锅炉汽包的串级三冲量控制系统，其中三冲量分别指汽包液位、蒸汽流量和给水流量这三个变量。

2、串级三冲量控制系统原理串级三冲量控制系统结构见图1。

串级三冲量控制系统由主回路和副回路及前馈控制组成。

副回路由流量测量元件(图1中用孔板表示)、给水流量变送元件、分流器、副调节器、执行器、给水调节阀构成，主回路由液位测量变送元件、主调节器、加法器和副回路的相关部分构成，前馈控制由流量测量元件(图1中用喷嘴表示)、差压变送器构成。

图1 串级三冲量控制系统结构从图1可以看出，主、副调节器串联使用，共同排除干扰，稳态时保持液位为给定值。

由给水流量反馈形成的副回路，其任务是及时反映调节效果和迅速消除给水流量的自发性扰动。

三冲量水位控制系统三冲量控制系统，以汽包水位为主控制信号，蒸汽流量为前馈控制信号，给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。

三冲量水位控制系统如图 3-5。

（a）原理图(b)框图图3-5 三冲量水位控制系统现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少。

如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险水位；如果仅是给水量和蒸汽量不相适应，也可能在几分钟呢出现缺水和满水事故，这样对汽包水位要求就更高了。

三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。

当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。

I/O 分配表和PLC 外部接线图根据系统的 I/O 点数，并考虑富裕量及今后系统的扩展升级和工艺控制等问题，本系统设计采用三菱公司的 FX2N-48MR 型作为主机，FX2N-48MR 型是三菱公司的典型产品，具有功能强大，处理速度快、容量大等优点，属于高性能小型机，系统 I/O 总点数为 16点，输入、输出均为 8 点，配置扩展单元后可增加 I/O 点数。

根据上述关于 PLC 控制系统的基本单元输入和输出信号统计，制定 I/O 分配表，具体对应关系如下表 4-2 所示。

模拟量模块输入地址分配表如表 4-3 所示。

表4-2 PLC I/O 分配表表4-3 模拟量模块输入地址分配表图 4-2 PLC 外部接线。

锅炉汽包水位是锅炉生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。

汽包水位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当汽包水位过低时，轻则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸事故的发生。

所以锅炉水位是一个极为重要的被控变量。

在具体工艺生产过程中，常常由于蒸汽负荷的波动和给水流量的变化打破汽包内的平衡状态，对汽包水位造成干扰，最终导致假液位。

所谓“冲量”实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指引入系统的测量信号。

在锅炉控制中，主要冲量是水位。

辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。

1、三冲量控制的引入目前锅炉汽包水位调节常采用单冲量、双冲量及三冲量等三种调节方案，现分别对它们的基本原理和特性加以讨论。

①单冲量水位调节系统单冲量水位调节系统的原理如图1所示。

由图1可知，这种类型的水位调节系统，是一个典型的单回路调节系统，被调参数是汽包水位，调节参数是锅炉的给水量。

它适用于停留时间较长(亦即蒸发量与汽包的单位面积相比很小)，负荷变化小的小型锅炉(一般为10t/h以下)。

但对于停留时间较短，负荷变化大的系统就不适应了。

图1 单冲量水位调节原理图2 单冲量水位调节系统控制策略从图2可以看出：单冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器和调节阀(或变频器)构成。

当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。

因为这种升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。

此时PID调节器会错误地认为测量值升高，从而关小给水调节阀，减小给水量。

等到这种暂时汽化现象一旦平稳下来，由于蒸汽量的增加，给水量反而减少，会使水位严重下降，甚至降到液位危险区，造成事故。

《过程控制》课程设计报告题目: 锅炉汽包液位的三冲量调节姓名: 学号:姓名: 学号:姓名: 学号:2010年12月10日《过程控制》课程设计任务书指导教师签字：系（教研室）主任签字：2010年12 月4 日1 问题重述锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。

锅炉汽水系统结构如图1 所示。

图1锅炉汽水系统1—给水泵；2—给水母管；3—调节阀；4—省煤器5—锅炉汽包；6—下降管；7—上升管；8—蒸汽母管汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。

影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。

单冲量控制系统的负荷一旦急剧变化就会出现虚假液位，因液位升高，调节器就会关小供水阀门而造成事故。

双冲量控制系统，是在单冲量控制系统的基础上加上一个蒸汽冲量，以克服虚假液位。

三冲量调节系统，它是在双冲量控制系统上再加上一个给水流量的冲量。

由蒸汽流量、给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量控制系统，如下图所示。

三冲量控制系统框图D W H a a a 、、分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转换系数。

已知某供汽量为120t/h 的锅炉，给水流量与水位的传递函数1()G S ，蒸汽流量与水位的传递函数2()G S 分别为：1()0.0529()()(8.51)H S G S ==W S S S + (1)22() 2.6130.0747()()(6.71)H S G S D S S S ==-+ (2)D W H a a a 、、分别为：0.0667，0.0667及0.0333。

调节阀采用线性阀，增益为15。

试用PID 、模糊PID 控制等方法实现对锅炉液位的控制。

要求：1、超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好；2、给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程；3、给出MATLAB 下的仿真曲线。

三冲量水位调节原理
三冲量水位调节原理是一种常用于水位控制的方法，它通过三个不同的冲量来控制水位的高低。

具体的原理如下：
1. 上冲量：当水位低于设定水位时，系统会给水箱注入一定的上冲量水来提升水位。

上冲量的大小和时长根据实际需求来设置。

2. 下冲量：当水位超过设定水位时，系统会排出一定的下冲量水来降低水位。

下冲量的大小和时长也根据实际需求来设置。

3. 中冲量：当水位接近设定水位时，系统会给水箱注入一定的中冲量水来保持水位的稳定。

中冲量一般较小，可以保持水位在一定范围内波动。

通过不断地调节上冲量、下冲量和中冲量的大小和时长，系统可以根据实际的需要，使水位保持在设定的范围内。

三冲量水位调节原理的优点是控制精度高，可以实现自动化控制，同时也能够适应不同的需求和变化的水位。

缺点是由于需要进行多次冲量，所以系统会消耗较多的能源和水资源，同时也增加了管路的复杂性。

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;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;上述差异会对系统的调节造成干扰,甚至上述的情况在运行过程中也在变化;介质参数随时发生变化,其它参数可能缓慢发生变化,大家必须关注这些变化因素;在一个中等容量的机组中,一般汽包水位对给水流量的变化非常敏感,流量变化10t/h左右,就会造成水位逐渐上升;通常执行机构动作1%的开度,就足以造成10t/h的流量变化;水位三冲量调节系统主调的输出给副调一个给水量的指令;如果给水流量信号与这个指令不一致,副调的作用使执行机构改变给水调节阀开度,去让流量信号与主调的输出去一致；如果主调输出没有波动,而流量信号有波动,说明执行机构、阀门甚至给水压力等因素发生变化,这些变化的因素叫做内扰;此时若不管这些变化,将最终会影响到汽包水位,等汽包水位变化后主调再进行调节,就会因延误而过调；副调的作用就是快速消除扰动,如果调节合理则有可能让汽包水位不受干扰或者少受干扰;给水流量信号的设立,一个很重要的作用就是消除内扰;前馈信号前馈信号是指蒸汽流量信号;也叫外扰;当机组负荷需求波动会引起燃烧和蒸汽流量的波动;在蒸汽流量波动的时候就应该及时对系统进行调节,若等到汽包水位开始波动的时候再调节给水流量,汽包水位可能因波动速度较快而纠正较慢出现较大波动;为了克服外扰,所以加入蒸汽流量这个信号;假设机组负荷需要增大,蒸汽流量随之增大,此时不等汽包水位降低,在副调里预先增大给水流量,最终使得汽包水位保持平稳;引入蒸汽流量信号是为了为了克服外扰和“虚假水位”;所谓“虚假水位”是指当机组负荷突然增加,锅炉输出蒸汽量突然增大,此时锅炉因蒸发量增加,给水量未来得及变化,此时汽包水位应该降低；但锅炉出汽量突然增大导致蒸汽压力突然降低,使汽包里汽水混合物中的汽泡急剧增加,汽泡鼓动着汽包水位虚增,造成了汽包水位增高的现象;锅炉出现虚假水位时汽包水位增高,主调使得执行机构关小,加剧了水位降低的情况;但是因为前馈信号的存在,蒸汽流量一旦增大,副调的PID命令执行机构开大,抵消了虚假水位造成的影响;因此副调的反馈信号和前馈信号作用非常大,也非常有必要;控制策略图前馈信号和反馈信号的作用相反;请注意PID的正反作用;2、水位三冲量调节常规参数整定规律有人对串级调节系统的参数整定比较生疏;因为串级系统参数较多,比较不容易分析;下面我们分步骤对参数整定方法作个探讨;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;之所以要设置流量系数,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;一般我们预设这个系数为左右,蒸汽流量系数和给水流量系数应该大致相等;设置副调的比例带非常大,积分时间为无穷大比例作用的大小因系统而异;原则上应该先把副调作用放很小,以防止系统或者副调震荡;设置主调的积分时间为零,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系统、不同的程序或PID调节器,这个值差异很大;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;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,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,这样会使系统处于危险的境地;逐渐增强主调积分作用积分作用逐渐增强,能在较短时间10分钟左右内消静差即可;积分作用不能放得很强,切记主调积分作用太强不仅没有好处,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,此时为时已晚,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;不使用微分作用微分作用可以超前调节,但水位三冲量调节系统不使用微分;因为水位、流量信号大多存在着微小的波动,微分作用会将这些波动放大,造成干扰;主调比例带与副调比例带相乘;减弱主调作用,逐渐增强副调作用主调比例带与副调比例带相乘的积,固定一个数,大约增强副调多大幅度,就减弱主调多大幅度,乘积基本保持不变;在修改主、副调参数的时候应该先减弱一个,再增强另一个,以免系统引起震荡;副调比例作用增强到足够抑制给水流量的扰动为止在负荷大幅度改变时,观察副调的曲线,防止震荡的发生这个阶段容易被忽视,但是非常重要负荷大幅度波动时候,流量最容易引起震荡,此时减弱副调的比例作用,直到不发生震荡为止,然后为了安全,再次稍微减弱副调作用;在调节副调的同时,还需要注意改变主调的比例作用;注意修改主调的积分作用在反复整定主调、副调比例参数之后,要记得积分作用也需要修改;如果副调的比例作用减弱,那么积分作用也要相应减弱,因为调节器的输出是比例和积分相权衡的结果;至此水位三冲量调节系统基本调试结束;为了防止副调震荡,还可以对副调的反馈系数和前馈系数进行修改,基本同减弱副调比例带的作用相当;切记在修改系数时一定要把该系统切换为手动运行方式,否则可能对调节器造成较大干扰,甚至危害锅炉安全运行;。

汽包液位的三冲量调节系统工作原理及应用锅炉是化工、电力生产中重要的动力设备。

汽包液位是锅炉运行中的一个重要监控参数，同时也是保证锅炉安全运行的重要条件之一。

它反映了锅炉负荷与给水的平衡关系。

汽包液位过高，汽包蒸汽上部空间减小会造成蒸汽带水，影响过热器运行及汽水分离的效果。

不仅降低了蒸汽的产量和质量，而且会使过热器结垢或使汽轮机叶片损坏;水位过低会造成锅炉水循环破坏，影响省煤器运行，严重时容易使水全部汽化烧坏锅炉甚至爆炸。

这就要求汽包液位严格控制在一定范围内，以期适应各种工况的运行。

影响汽包液位的因素除了加热汽化这一正常因素外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动。

当负荷突然增大，汽包压力突然降低。

水就会急剧汽化，出现大量汽包，形成“虚假液位”。

一、三冲量调节系统的概念：水位自动调节作用水位信号去调节给水阀开度。

当水位升高，关小给水阀，降低给水流量;当水位降低，开大给水阀，增大给水流量。

为了使水位稳定，将主液流量和给水流量参与调节。

这就是锅炉汽包液位的三冲量调节系统。

这种调节系统由于引进了液位，给水流量及蒸汽流量三个参数，叫做三冲量调节系统。

二、工作原理：下图一中所示的三冲量调节系统、汽包液位是被控变量，是主冲量信号;蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。

系统将蒸汽流量与给水流量前馈到汽包液位调节系统中，一旦蒸汽流量或给水流量波动，不是等到影响液位才进行调节，而是在这两个量改变之时就能通过DCS 系统中加法器立即去改变调节阀开度进行校正。

故大大提高了液位这个被调参数的调节精度，缩短调控时间。

三、分析：在稳定状态下，液位测量信号等于给定值，液位调节器的输出及给水流量等三个信号，通过加法器得到的输出电流为I0=K1I1+K2I2+K3I3式中：I1为液位调节器的输出电流I2为蒸汽流量变送器的输出电流I3为给水流量变送器的输出电流K1、K2、 K3分别为加法器各通道的衰减系数。

设计K2I2 =K3I3此时I0正是调节阀处于正常开度时所需的电流信号。