1、汽包液位控制的重要性
在鍋爐穩(wěn)定運行過程中，汽包液位(以下簡稱液位)的控制是最重要的環(huán)節(jié)之一。液位過高會影響汽水分離的效果，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象;液位過低會破壞水循環(huán)，嚴重時會燒壞鍋爐。當蒸汽負荷突然增大時，鍋爐會出現(xiàn)暫時的壓力下降，水的沸騰加劇，導(dǎo)致液位上升，這就產(chǎn)生了虛假液位。這時本應(yīng)把給水量加大，但如果采用簡單的單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就會根據(jù)這個假液位而錯誤地把鍋爐給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小，減少給水量，等到汽水達到新的動態(tài)平衡時，液位就下降了許多，遠離給定值，甚至使鍋爐發(fā)生危險。如果蒸汽負荷驟降，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。由此可以看出，影響液位的主要因素是鍋爐的汽水平衡。為了克服負荷變化引起的液位大幅度波動，消除假液位的影響，提前消除蒸汽流量對液位的干擾，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的蒸汽流量和作串級副回路測量信號的給水流量兩個輔助變量。而主調(diào)節(jié)回路(以下簡稱主回路)、副調(diào)節(jié)回路(以下簡稱副回路)及前饋控制構(gòu)成了鍋爐汽包的串級三沖量控制系統(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變量。
2、串級三沖量控制系統(tǒng)原理
串級三沖量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。串級三沖量控制系統(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，前饋控制由流量測量元件(圖1中用噴嘴表示)、差壓變送器構(gòu)成。
圖1 串級三沖量控制系統(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)是及時反映調(diào)節(jié)效果和迅速消除給水流量的自發(fā)性擾動。由液位信號反饋形成主回路，當液位偏離其給定值時，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，其蒸汽流量信號與主調(diào)節(jié)器的輸出信號之和作為副調(diào)節(jié)器的給定值，當蒸汽流量擾動時，副回路迅速改變給水流量，以防止因虛假液位產(chǎn)生的誤動作。
串級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等于給水流量信號。圖1中蒸汽流量信號為蒸汽流量變送元件電流信號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，給水流量信號為給水流量變送元件電流信號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”的嚴重程度來確定的，用以改善蒸汽負荷擾動時控制過程的質(zhì)量，一般情況下蒸汽流量分流系數(shù)大于1。
3、串級三沖量控制系統(tǒng)汽包液位控制
在汽包液位控制中，當給水系統(tǒng)穩(wěn)定后采用串級三沖量液位控制，控制系統(tǒng)如圖2所示。汽包液位作為主信號，通過液位變送器LT測得;蒸汽流量作為前饋信號，通過流量測量元件噴嘴與流量變送器(差壓)FT1測得；給水流量作為反饋信號，當給水流量變化時，通過流量測量元件孔板與流量變送器(差壓)FT1測得;給水流量作為反饋信號，當給水流量變化時，通過流量測量元件孔板與流量變送器(差壓)FT2及時反映孔板前后差壓變化。根據(jù)串級控制系統(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)閥選用氣動調(diào)節(jié)閥，氣動執(zhí)行機構(gòu)選擇氣關(guān)式。為保證汽包液位無靜態(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 串級三沖量控制系統(tǒng)
當液位由于擾動而升高時，液位測量值增加，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量值與給定值之差，在給水流量測量值比較穩(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)閥的氣動執(zhí)行機構(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。
當蒸汽流量增加時，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)閥的氣動執(zhí)行機構(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)閥的氣動執(zhí)行機構(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。
在蒸汽負荷減小的情況下，用于測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，此時加法器的輸出主要由主調(diào)節(jié)器LC的輸出來確定;而當蒸汽負荷突然增加時，液位上升，出現(xiàn)了虛假液位，即液位測量值增加，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，這時主調(diào)節(jié)器LC輸出值減小，用于測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，在給水測量值保持穩(wěn)定的情況下，給水測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)閥的氣動執(zhí)行機構(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，對于任何擾動引起的液位變化都會使主調(diào)節(jié)器LC輸出信號發(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)生變化時就可根據(jù)蒸汽流量的前饋信號消除內(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引入，用于防止由于虛假液位而使副調(diào)節(jié)器發(fā)出錯誤的動作，改善蒸汽流量擾動時的調(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。同時信號之間有靜態(tài)配合問題，而系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，故蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正液位，使穩(wěn)態(tài)時液位等于給定值，主調(diào)節(jié)器起到了細調(diào)作用。
由此分析可知，串級三沖量控制系統(tǒng)相對于單沖量控制系統(tǒng)對于虛假液位的調(diào)節(jié)是非常有效的。
4、串級三沖量控制系統(tǒng)的特點
①串級系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同
副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當蒸汽流量擾動時迅速改變給水流量，使液位較少變化；當給水流量自發(fā)擾動時，及時予以消除，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)時液位等于給定值，主調(diào)節(jié)器起到細調(diào)作用。
②串級三沖量給水控制系統(tǒng)維持液位無靜態(tài)誤差特性是靠主調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)
因此，蒸汽流量分流系數(shù)可根據(jù)蒸汽負荷擾動下虛假液位的嚴重程度來適當選擇，使在蒸汽負荷變化時，蒸汽流量信號的前饋控制作用能更好地抑制虛假液位和實際液位的變化。
③串級調(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，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、汽包液位波動很小、安全性較好等特點，目前，在大、中型鍋爐中采用串級三沖量液位控制，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
