本文通過對鍋爐汽包水位控制原理的分析，闡述了影響控制鍋爐汽包水位平穩(wěn)控制的因素，并著重汽包水位串級三沖量控制系統(tǒng)進(jìn)行了探討，結(jié)合蘭州石化公司動力廠鍋爐運行的形勢，對鍋爐汽包水位的控制提出了建議。

蘭州石化公司動力廠目前有3臺單汽包自然循環(huán)燃?xì)忮仩t。鍋爐運行時負(fù)責(zé)向廠區(qū)供應(yīng)煉油裝置所需的中壓及低壓蒸汽。該廠鍋爐并不等同于其他的電站鍋爐。首先燃料供應(yīng)方面，該廠鍋爐使用煉廠平氣和天然氣進(jìn)行摻燒，燃料組分并不穩(wěn)定，隨時可能發(fā)生燃料供應(yīng)壓力和組分的變化。其次，在蒸汽供應(yīng)方面，由于煉油裝置的生產(chǎn)用汽情況隨時可能發(fā)生變化，再加上蘭州石化公司動力廠中壓蒸汽管網(wǎng)產(chǎn)氣源較多，蒸汽壓力和流量均在時時刻刻發(fā)生變化。這就使得鍋爐在控制穩(wěn)定性方面較一般的電站鍋爐來說，干擾因素較多。

1、汽包鍋爐給水控制對象的動態(tài)特性
①給水流量W擾動下水位的動態(tài)特性
給水流量擾動包括兩種情況：一種是由給水調(diào)節(jié)閥開度變化造成的給水流量擾動，另一種是由給水調(diào)節(jié)閥前后壓差變化引起的給水流量一擾動，前者是調(diào)節(jié)形成的基本擾動，而后者則是給水流量的自發(fā)擾動。
②蒸汽流量擾動下的水位動態(tài)特性
當(dāng)蒸汽量階躍增加(假定用汽量突然增大，鍋爐熱負(fù)荷同時增加)時、如不考慮水下氣泡容積的變化、水直立呈直線下降。如僅考慮氣泡容積的變化，由干蒸發(fā)量增大，氣泡容積迅速增加、水位迅速增加?？梢姡?dāng)負(fù)荷増加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但水位不僅不下降、反而迅速上升；反之、當(dāng)負(fù)荷減小時、水缸反而先下降，這種就是我們通常說的“虛假水位”，主要是由于負(fù)荷變化時，水面下氣泡容積的變化導(dǎo)致的。而當(dāng)氣泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，水位的變化就只由物質(zhì)平衡的關(guān)系決定。
③燃料擾動下水位的動態(tài)特性
當(dāng)燃料發(fā)生變化時，如燃料率階躍增加，爐膛熱負(fù)荷增強，鍋爐蒸發(fā)強度增大，汽壓升高。水面下的氣泡容積增大同樣會導(dǎo)致“虛假水位”現(xiàn)象的發(fā)生。汽包水位同樣會出現(xiàn)一個先上升而后下降的曲線。

2、給水控制系統(tǒng)類型的分析
鑒于上述給水系統(tǒng)控制對象動態(tài)特性的分析，給水控制系統(tǒng)應(yīng)符合以下基本要求：
首先，由于汽包水位在給水流量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線為無自平衡能力，并且有較大的延遲，因此必須采用帶比例作用的控制器保證控制的穩(wěn)定。
其次，汽包水位在蒸汽流量擾動下，水位階躍響應(yīng)曲線表現(xiàn)有“虛假水位”，為了克服此現(xiàn)象對控制的不利影響，引入蒸汽流量的補償信號。
第三，給水壓力的波動會導(dǎo)致給水流量的波動，應(yīng)將給水流量作為反饋信號，及時消除干擾。

滿足上述三點要求的給水自動控制系統(tǒng)，目前常用的是以下三種：
①單沖量給水系統(tǒng)
②單級三沖量給水控制系統(tǒng)
③串級三沖量給水控制系統(tǒng)

3、蘭州石化公司動力廠鍋爐汽包水位控制的建議
蘭州石化公司動力廠鍋爐裝置現(xiàn)有兩臺75t/h中壓蒸汽動力鍋爐，一臺130t/h中壓蒸汽動力鍋爐。鍋爐的編號由南向北依次為1#、3#、2#鍋爐。1#鍋爐為UG-75/3.82-Q4型燃?xì)忮仩t，始建于2001年10月，投產(chǎn)于2003年4月。2#鍋爐為XG-130/3.82-Q型燃?xì)忮仩t，始建于2014年3月，投產(chǎn)于2014年12月。3#鍋爐為UG-75/3.82-Q5型燃?xì)忮仩t，2011年10月建成投產(chǎn)。三臺鍋爐控制系統(tǒng)均采用DCS控制系統(tǒng)。昌暉儀表制造有限公司在本文以蘭州石化公司動力廠1#鍋爐為例詳細(xì)說明汽包水位三沖量控制系統(tǒng)。

鍋爐給水系統(tǒng)：由第二套500t/h(經(jīng)過除油除鐵換熱器)、第三套670t/h除鹽水裝置供給的一級除鹽水通過鍋爐除鹽水專線進(jìn)入除氧器后，經(jīng)除氧器進(jìn)行熱力除氧后由給水泵入口母線至鍋爐給水泵加壓后進(jìn)入給水泵出口母線，之后分為三路：第一路經(jīng)鍋爐主給水線至省煤器入口聯(lián)箱、省煤器、省煤器出口聯(lián)箱后進(jìn)入汽包；第二路經(jīng)鍋爐減溫水線去鍋爐面式減溫器，用以調(diào)整鍋爐過熱蒸汽溫度，減溫器回水與第一路水在省煤器入口聯(lián)箱前混合后經(jīng)省煤器、省煤器出口聯(lián)箱向汽包供水；第三路去噴水式減溫減壓器作為減溫水使用。

蘭州石化公司動力廠1#鍋爐汽包液位采用串級三沖量控制系統(tǒng)。點擊汽包水位三沖量控制按鈕，進(jìn)入三沖量控制主界面。水位信號1#鍋爐共有三個汽包水測量信號，分別為L1101、L1102、L1103，采用三取中值的判斷方式。外給定調(diào)節(jié)器(副調(diào)節(jié)器)則是控制1#鍋爐的汽包給水流量。根據(jù)給水流量FI1101顯示控制給水流量調(diào)節(jié)閥FV1101-1。三沖量投入時，蒸汽流量FI1104作為前饋參與控制汽包液位。而在開爐或者低負(fù)荷運行狀態(tài)下，采用單回路控制投入按鈕，或采用旁路給水調(diào)節(jié)控制。

鍋爐汽包水位控制的建議
①低負(fù)荷時采用給水旁路來控制汽包水位。
鍋爐負(fù)荷低時，給水流量較小，只有通過旁路調(diào)節(jié)閥才能有效地控制汽包水位。此時不能投用串級三沖量控制，汽包水位的控制采用單沖量控制方式通過PI2控制器控制調(diào)節(jié)閥開度。
②在給水泵上使用變頻給水泵或者汽輪泵，用調(diào)速給水泵代替調(diào)節(jié)閥來進(jìn)行控制水位，提高給水泵的工作效率。鍋爐裝置主要用電量在引送風(fēng)機(jī)、給水泵運行。該方法對于降低用電量，挖潛增效有較大的意義。
③根據(jù)不同的生產(chǎn)調(diào)整工況，對汽包水位自動控制的PI控制器的比例帶和積分時間進(jìn)行整定，通過觀察參數(shù)響應(yīng)曲線，可以有效地根據(jù)一段時間的生產(chǎn)運行情況，提升汽包水位自動控制的控制平穩(wěn)率。
④目前蘭州石化公司動力廠三臺鍋爐在夏季生產(chǎn)運行時，經(jīng)常出現(xiàn)低負(fù)荷運行的情況。其中1#鍋爐、3#鍋爐甚至出現(xiàn)過夏季生產(chǎn)負(fù)荷在50t/h以下運行的情況。在低負(fù)荷運行時，汽包水位的自動控制可能存在偏差。建議負(fù)荷在45t/h以下運行，解除三沖量汽包液位控制，采用單回路控制，并手動控制減溫水用量，鍋爐汽包液位會更加平穩(wěn)。
鍋爐低負(fù)荷運行時，鍋爐的水循環(huán)系統(tǒng)運行工況都較在正常負(fù)荷運行水平較差，長時間運行對于水冷壁管可能出現(xiàn)水循環(huán)不良導(dǎo)致受熱不均勻的情況的出現(xiàn)。因此，建議鍋爐還是在設(shè)計規(guī)定的負(fù)荷下運行，保證鍋爐的壽命。
作者：李順博、趙啟杰