浅谈锅炉汽包水位 PID控制系统

浅谈锅炉汽包水位 PID控制系统

刘波

江苏永钢集团 江苏张家港 215628

摘要：江苏永钢集团能源事业部电力厂5套发电机组均配套130t/h的燃气锅炉,锅炉汽包的运行正常与否决定了发电厂是否能正常生产的关键因素。本文在分析分析三种水位PID控制模式的优劣，根据汽包水位的动态控制特征，选取最为可靠的方式应用于实际生产。

关键词：PID；汽包水位；冲量控制

1.引 言

目前江苏永钢集团能源事业部电力厂共有5套25MW机组，配套发电机组的锅炉均为130t/h的燃气锅炉，采用高炉煤气作为燃料，汽包配套有压力、温度测点，对于汽包水位现场设置了双色水位计及平衡容器远传方式检测水位。由于汽包内部处于一种汽水混合的状态，锅炉工作时，应根据汽轮机侧需求的蒸汽量大小及工况需求，调节给水泵出口水流量，以此来调节汽包中蒸汽与水的合理配比。既不能使汽包内出现过低水位而出现“干锅”现象，也不能出现过高水位，使出口蒸汽管路内出现蒸汽温度的降低，使得汽轮机有着更小的出力，经过汽轮机后几级的蒸汽有着更高的湿度，叶片在此种状况中会磨损，严重时还将导致汽轮机叶片的损坏。

2、汽包水位控制系统的实现

2.1汽包水位控制系统的工艺

给水泵、汽包、省煤器、水冷壁、过热器、再热器等组成汽水系统的设备构成；汽包内有个汽水分离装置，经过该分类装置将汽和水实现了分离，水在下降管循环，而饱和蒸汽进入到过热器，逐渐过热为合适的过热蒸汽后，送给汽轮机去做功：

汽包：是锅炉系统中最重要特种设备，在它的内部有汽水分离装置和连续排污装置，底部有一定水量，并且还具有一定蓄热能力。

水冷壁：是锅炉主要的辐射受热面，由多根并排的钢管组成，分布于锅炉炉膛的四周它接受锅炉炉膛的火焰的热量并保护炉墙，内部为流动的水或蒸汽。

过热器：锅炉中的特定受热面，负责把达到符合要求温度、要求压力的饱和水蒸气加热成过热水蒸气的装置。过热器的使用能提高蒸汽动力循环装置的整体效率、降低汽轮机排汽介质中的含水量。

（4）再热器：是一种把已经做过功的低压蒸汽再次加热，并使其升高到一定温度。

2.2汽包水位自动控制系统

汽包水位是确保安全正常生产的关键工艺参数，笔者对汽包水位控制系统进行分析，该系统是基于调节装置对被控对象进行控制而组成的自动控制系统，本项目中被控的对象选择为汽包液位，锅炉给水量视为调节量，给水的流量和蒸汽的流量测量值视为主要的扰动量。在进行汽包液位控制的时期，可能会发现汽包水位虚假的现象。虚假水位的形成对汽包液位控制系统没有益处，会造成控制系统的误动作，影响到蒸汽的品质^[1]。

锅炉汽包水位控制系统如图1所示，通过气动调节阀调节汽包给水系统流量：

图1汽包水位控制系统

2.3汽包水位控制方式的比较

根据水位控制系统输入变量的数量的不同，可以把汽包内水位控制的方式划分为以下三种：单冲量，双冲量，三冲量的控制系统。江苏永钢集团电力厂在不同的发展时期，选择了不同的汽包水位控制方式。最初在新建第一、二台机组时，选用了单冲量控制系统，能满足基本的生产需求，同时也进行了初步的生产经验累积，但也发现了系统的不足；于是在第三、四套机组新建时，在汽包水位控制方面，采用了双冲量的控制系统，效果明显优于单冲量控制方式。随着科学水平的进步，为了在水位控制方面寻求更高精度及稳定性的要求，对标交流其他兄弟单位的先进控制理念后，决定在第五台机组新建时，选择三冲量汽包水位控制方式。

单冲量的控制系统是只以汽包液位为反馈量的控制系统，这是一种较为简单的基本控制方式。该系统的特点是：只有水位信号作为控制器的输入信号，系统在将水位信号传送到水位控制器时，主要基于水位测量系统来实现，基于设定值和实测值所存在的偏差来调节给水调节阀门开度。但是当负荷变化较大时产生的虚假水位使调节器反向响应的误动作，例如负荷调节增大时反而关小给水调节阀，导致汽包水位下降严重；单冲量控制系统在负荷变化时，即使产生的虚假水位现象不严重，但其控制的作用也颇为缓慢，从负荷变化开始计算，观察水位变化情况，但调节阀的动作在水位发生偏差时才发生，由此显得阀门动作缓慢^[2]，因此总的说来该系统不适用。

②双冲量控制系统是在单冲量控制系统的基础上引进前馈蒸汽流量，其也被视为反馈量。在控制器的输入参数变量方面，即选用水位信号及蒸汽流量信号，若给水流量较平稳，该控制系统就能消除负荷的变化所带来的影响。采用双冲量调节能够克服虚假水位，改善控制品质，达到控制要求，相比而言，它比单冲量反馈控制要优越的多。但是双冲量调节系统缺点有以下的原因造成：给水流量比主蒸汽流量对汽包液位的影响大，用汽包液位作为反馈信号不够及时的情况下会使控制器的动态偏差变大，因此，当发生给水侧扰动时双冲量控制系统就等效为单冲量的调节系统。所以，给水侧母管经常发生扰动的场合不适用采取双冲量调节的控制方式，而且调节阀的开度控制为非线性的，也将导致静态补偿不易实现。

③三冲量控制方案是汽包水位控制普遍采用的方法，将汽包水位信号、蒸汽以及给水流量信号视为水位控制信号所对应的输入信号，在输出信号方面具体为给水流量的调节信号。

当汽轮机负荷骤然增大时，通过增加主汽门开度的方法来增大蒸汽的供给量，该动作会导致锅筒内的蒸汽压力下降，炉水温度随之下降，让炉水放热蒸发，让炉水有更多的气泡量，汽水混合物有着更大的体积，汽包水位在此时会快速的上升。

当汽轮机负荷骤然减小时，通过减小主汽门开度的方法来减少蒸汽的供给量，该动作会导致锅筒中蒸汽压力出现上升，在这种情况下，炉水饱和温度也会上升，从而达到一种饱和温度，炉水出现凝结，该现象引起炉水降低了气泡量，汽水混合物体积越来越小，汽包水位快速的降低。

蒸汽流量在一定程度上会扰动水位控制，其被视为外部扰动，在自动控制系统中增加蒸汽流量信号，其作用是前馈调节，使得虚假水位导致控制器频繁动作得到有效的控制。若蒸汽用量出现了变动，控制器在此种状况中将获得检测仪表发出的信号。同方向改变给水量和蒸汽流量，在扰动发生的时候，使得由于虚假水位所引发的给水量与蒸发量间反向变动动作指令被抵消，这样水位调节时间变短。若锅炉给水产生了自发性扰动的情况，控制器在此种状况中将马上动作对给水流量进行调节，从而改变给水流量，让其再次来到给定值，维持了汽包水位；这种调节控制方式适合于较大型锅炉或锅炉蒸汽负荷变化大的锅炉水位控制系统中。

3、结论

在锅炉汽包水位控制的方式选择上，经过公司内部5台机组的建设和实际使用经验的基础上，通过合理的工艺分析，确定采用三冲量汽包水位控制的方式是最为合理、可靠的。结合目前主流的PID自动控制方式，实现了高质量的水位控制精度，避免了水位波动大、虚假水位、系统扰动等方面的影响，有利于锅炉系统稳定、安全、可靠的运行，满足了锅炉汽包水位控制的要求。

参考文献

[1]金以慧.过程控制的发展与展望[J].控制理论与应用,1997,(2):145.

[2]陈平.锅炉汽包水位模糊PID控制的研究[D].厦门:华侨大学硕士学位论,2006.