1、汽包液位控制的重要性
在鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行過程中，汽包液位(以下簡(jiǎn)稱液位)的控制是最重要的環(huán)節(jié)之一。液位過高會(huì)影響汽水分離的效果，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象;液位過低會(huì)破壞水循環(huán)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞鍋爐。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增大時(shí)，鍋爐會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的壓力下降，水的沸騰加劇，導(dǎo)致液位上升，這就產(chǎn)生了虛假液位。這時(shí)本應(yīng)把給水量加大，但如果采用簡(jiǎn)單的單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就會(huì)根據(jù)這個(gè)假液位而錯(cuò)誤地把鍋爐給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，減少給水量，等到汽水達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，液位就下降了許多，遠(yuǎn)離給定值，甚至使鍋爐發(fā)生危險(xiǎn)。如果蒸汽負(fù)荷驟降，它的變化過程和結(jié)果與上述相反，從而使汽包液位發(fā)生較大的波動(dòng)。由此可以看出，影響液位的主要因素是鍋爐的汽水平衡。為了克服負(fù)荷變化引起的液位大幅度波動(dòng)，消除假液位的影響，提前消除蒸汽流量對(duì)液位的干擾，除了主調(diào)節(jié)回路的液位變量以外，還引入了作前饋信號(hào)的蒸汽流量和作串級(jí)副回路測(cè)量信號(hào)的給水流量?jī)蓚€(gè)輔助變量。而主調(diào)節(jié)回路(以下簡(jiǎn)稱主回路)、副調(diào)節(jié)回路(以下簡(jiǎn)稱副回路)及前饋控制構(gòu)成了鍋爐汽包的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)，其中三沖量分別指汽包液位、蒸汽流量和給水流量這三個(gè)變量。
2、串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)原理
串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)由主回路和副回路及前饋控制組成。副回路由流量測(cè)量元件(圖1中用孔板表示)、給水流量變送元件、分流器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、給水調(diào)節(jié)閥構(gòu)成，主回路由液位測(cè)量變送元件、主調(diào)節(jié)器、加法器和副回路的相關(guān)部分構(gòu)成，前饋控制由流量測(cè)量元件(圖1中用噴嘴表示)、差壓變送器構(gòu)成。
圖1 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出，主、副調(diào)節(jié)器串聯(lián)使用，共同排除干擾，穩(wěn)態(tài)時(shí)保持液位為給定值。由給水流量反饋形成的副回路，其任務(wù)是及時(shí)反映調(diào)節(jié)效果和迅速消除給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)。由液位信號(hào)反饋形成主回路，當(dāng)液位偏離其給定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器通過副回路調(diào)節(jié)給水流量，使穩(wěn)態(tài)時(shí)液位回到給定值。由蒸汽流量構(gòu)成前饋控制通道，其蒸汽流量信號(hào)與主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)之和作為副調(diào)節(jié)器的給定值，當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，副回路迅速改變給水流量，以防止因虛假液位產(chǎn)生的誤動(dòng)作。
串級(jí)三沖量液位控制系統(tǒng)中，液位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來(lái)校正，使靜態(tài)液位值等于液位給定值，因此，不要求蒸汽流量信號(hào)等于給水流量信號(hào)。圖1中蒸汽流量信號(hào)為蒸汽流量變送元件電流信號(hào)與蒸汽流量分流系數(shù)(即蒸汽流量相應(yīng)分流器設(shè)定的數(shù)據(jù))的乘積，給水流量信號(hào)為給水流量變送元件電流信號(hào)與給水流量分流系數(shù)(即給水流量相應(yīng)分流器設(shè)定的數(shù)據(jù))的乘積，其中蒸汽流量分流系數(shù)的選擇是根據(jù)鍋爐“虛假液位”的嚴(yán)重程度來(lái)確定的，用以改善蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)控制過程的質(zhì)量，一般情況下蒸汽流量分流系數(shù)大于1。
3、串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)汽包液位控制
在汽包液位控制中，當(dāng)給水系統(tǒng)穩(wěn)定后采用串級(jí)三沖量液位控制，控制系統(tǒng)如圖2所示。汽包液位作為主信號(hào)，通過液位變送器LT測(cè)得;蒸汽流量作為前饋信號(hào)，通過流量測(cè)量元件噴嘴與流量變送器(差壓)FT1測(cè)得；給水流量作為反饋信號(hào)，當(dāng)給水流量變化時(shí)，通過流量測(cè)量元件孔板與流量變送器(差壓)FT1測(cè)得;給水流量作為反饋信號(hào)，當(dāng)給水流量變化時(shí)，通過流量測(cè)量元件孔板與流量變送器(差壓)FT2及時(shí)反映孔板前后差壓變化。根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器選擇正、反作用的原則，主調(diào)節(jié)器LC作用方式為反作用，副調(diào)節(jié)器FC作用方式為正作用，給水調(diào)節(jié)閥選用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇氣關(guān)式。為保證汽包液位無(wú)靜態(tài)誤差，主調(diào)節(jié)器LC采用PI控制算法;為保證副回路的快速性，副調(diào)節(jié)器FC采用PI或P控制算法。
圖2 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)
當(dāng)液位由于擾動(dòng)而升高時(shí)，液位測(cè)量值增加，液位給定值不變，主調(diào)節(jié)器LC的輸入為液位測(cè)量值與給定值的差值，即主調(diào)節(jié)器LC的輸入增加，由于主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用，因此主調(diào)節(jié)器輸出下降。由于加法器的輸出由主調(diào)節(jié)器的輸出與流量變送器FT1的輸出來(lái)確定，在蒸汽流量比較穩(wěn)定的情況下，加法器的輸出減小，由于加法器的輸出值作為給水流量的給定值，即給水流量的給定值減小，而副調(diào)節(jié)器FC的輸入為給水流量的測(cè)量值與給定值之差，在給水流量測(cè)量值比較穩(wěn)定的情況下，副調(diào)節(jié)器的輸入增加。由于副調(diào)節(jié)器作用方式為正作用，因此副調(diào)節(jié)器輸出增加。由于給水調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣關(guān)式，在副調(diào)節(jié)器輸出增加的情況下，給水調(diào)節(jié)閥的開度減小，給水流量減小，液位也隨之下降，使液位保持在給定值上。
當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，主調(diào)節(jié)器LC的輸出比較穩(wěn)定的情況下，加法器的輸出增加;加法器的輸出值作為給水流量的給定值，即給水流量給定值增加，給水流量的測(cè)量值與給定值之差作為副調(diào)節(jié)器FC的輸入，在給水流量測(cè)量值比較穩(wěn)定的情況下，副調(diào)節(jié)器FC輸入減小，副調(diào)節(jié)器作用方式為正作用，因此副調(diào)節(jié)器FC輸出減小，給水調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣關(guān)式，調(diào)節(jié)閥的開度增加，給水流量增加，液位上升，并保持在液位給定值上。
在給水流量增加的情況下，即給水流量測(cè)量值增加，給水流量給定值比較穩(wěn)定的情況下，副調(diào)節(jié)器FC輸入增加，由于副調(diào)節(jié)器作用方式為正作用，即副調(diào)節(jié)器FC輸出增加，由于給水調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣關(guān)式，給水調(diào)節(jié)閥的開度隨之減小，給水流量減小，從而保持了水汽平衡。
在蒸汽負(fù)荷減小的情況下，用于測(cè)量蒸汽流量的噴嘴的流量值減小，相應(yīng)的流量變送器FT1輸出值減小，此時(shí)加法器的輸出主要由主調(diào)節(jié)器LC的輸出來(lái)確定;而當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增加時(shí)，液位上升，出現(xiàn)了虛假液位，即液位測(cè)量值增加，液位給定值不變，主調(diào)節(jié)器LC輸入增加，由于主調(diào)節(jié)器LC作用方式為反作用，這時(shí)主調(diào)節(jié)器LC輸出值減小，用于測(cè)量蒸汽流量的噴嘴的差壓值增加，相應(yīng)的流量變送器FT1輸出值增加，由于蒸汽負(fù)荷作為前饋量，保證了加法器的輸出值增加，即給水流量給定值增加，在給水測(cè)量值保持穩(wěn)定的情況下，給水測(cè)量值與給水給定值之差減小，即副調(diào)節(jié)器FC輸入減小，因副調(diào)節(jié)器FC作用方式為正作用，那么副調(diào)節(jié)器FC輸出下降，給水調(diào)節(jié)閥的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為氣關(guān)式，因此給水調(diào)節(jié)閥開度增加，給水流量增加，液位上升，保持液位在給定值上。
汽包液位作為主變量，對(duì)于任何擾動(dòng)引起的液位變化都會(huì)使主調(diào)節(jié)器LC輸出信號(hào)發(fā)生變化;給水流量是副變量，副變量的引入使副調(diào)節(jié)器FC在液位還未發(fā)生變化時(shí)就可根據(jù)蒸汽流量的前饋信號(hào)消除內(nèi)擾，使調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定，起到穩(wěn)定給水流量的作用；蒸汽流量作為前饋信號(hào)引入，用于防止由于虛假液位而使副調(diào)節(jié)器發(fā)出錯(cuò)誤的動(dòng)作，改善蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，保證給水流量和蒸汽流量平衡，因此副調(diào)節(jié)器FC起到了粗調(diào)作用。同時(shí)信號(hào)之間有靜態(tài)配合問題，而系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，故蒸汽流量信號(hào)并不要求與給水流量信號(hào)相等，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正液位，使穩(wěn)態(tài)時(shí)液位等于給定值，主調(diào)節(jié)器起到了細(xì)調(diào)作用。
由此分析可知，串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)相對(duì)于單沖量控制系統(tǒng)對(duì)于虛假液位的調(diào)節(jié)是非常有效的。
4、串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)
①串級(jí)系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同
副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)迅速改變給水流量，使液位較少變化；當(dāng)給水流量自發(fā)擾動(dòng)時(shí)，及時(shí)予以消除，以保證給水流量和蒸汽流量平衡，副調(diào)節(jié)器起到粗調(diào)作用。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正液位，使穩(wěn)態(tài)時(shí)液位等于給定值，主調(diào)節(jié)器起到細(xì)調(diào)作用。
②串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)維持液位無(wú)靜態(tài)誤差特性是靠主調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)
因此，蒸汽流量分流系數(shù)可根據(jù)蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下虛假液位的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)選擇，使在蒸汽負(fù)荷變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)的前饋控制作用能更好地抑制虛假液位和實(shí)際液位的變化。
③串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的安全性較好
由于主調(diào)節(jié)器采用PI控制算法，在調(diào)節(jié)器比例環(huán)節(jié)中，輸出值與輸入值之間的比值即為放大系數(shù)，在放大系數(shù)較高的情況下，可以捕捉到小誤差信號(hào)，提高控制精度，因此主調(diào)節(jié)器有著較大的放大系數(shù)，只需很小的液位偏差便能使主調(diào)節(jié)器輸出變化較大，以補(bǔ)償副調(diào)節(jié)器入口不平衡，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持穩(wěn)定工作。
由于串級(jí)三沖量液位控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)靈敏、調(diào)節(jié)質(zhì)量好、汽包液位波動(dòng)很小、安全性較好等特點(diǎn)，目前，在大、中型鍋爐中采用串級(jí)三沖量液位控制，可以有效地把汽包液位控制在一定范圍內(nèi)，還可以提高蒸汽品質(zhì)，保證鍋爐的安全運(yùn)行。
文章作者：北京石油化工工程有限公司西安分公司 郭海俠
