锅炉水位的自动控制摘要:本文介绍了锅炉汽包水位的动态特性,单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问题,着重介绍了汽包三冲量控制方案。
关键词:汽包水位;动态特性;控制方案;单冲量;双冲量;三冲量引言汽包水位是锅炉运行的主要指标,是一个非常重要的被控变量,维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件,这是因为: (1) 水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽带水过多,同时过热蒸汽温度急剧下降。
该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性与经济性。
(2) 水位过低,说明汽包内的水量较少,而当负荷很大时,水的汽化速度加快,则汽包内的水位变化速度亦随之加快,如不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致炉管烧坏,甚至引起爆炸。
因此,锅炉汽包水位必须严加控制。
1 汽包水位的动态特性锅炉汽水系统结构如图1 所示。
汽包水位不仅受汽包(包括循环水管) 中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。
而水位下汽泡容积与蒸汽负荷蒸汽压力炉膛热负荷等有关。
因此,影响水位变化的因素很多,其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量S) 和给水流量W。
1. 1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性,见图2 :图1 锅炉的汽水系统图2 给水流量作用下水位阶跃响应曲线上图所示是给水流量W 作用下,水位L 的阶跃响应曲线。
如果把汽包的给水看作单容量无自衡过程,水位阶跃响应曲线如上图L1 曲线。
但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低,所以给水流量W增加后,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少。
当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升,最后当水位下汽泡容积不再变化时,水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。
因此,实际水位曲线如图中L 线。
即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。
给水温度越低,时滞τ亦越大。
1. 2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性,见图3 :图3 蒸汽流量作用下水位阶跃响应曲线在蒸汽流量S 扰动作用下,水位的阶跃响应曲线如图3 所示。
当蒸汽流量S 突然增加时,从锅炉的物料平衡关系来看,蒸汽量S 大于给水量W,水位应下降,如图中曲线L1。
但实际情况并非这样,由于蒸汽用量增加,瞬间必然导致汽包压力的下降。
汽包内水的沸腾突然加剧,水中汽泡迅速增加,由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中L2 所示。
而实际显示的水位响应曲线L 为L1 + L2。
从图上可以看出,当蒸汽负荷增加时,虽然锅炉的给水量小于蒸发量,但在一开始时,水位不仅不下降反而上升,然后再下降(反之,蒸汽流量突然减少时,则水位先下降,然后再上升) ,这种现象称之为“虚假液位”。
应当指出的是:当负荷突然变化时,水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的,一般为10～20 秒。
“虚假液位”的变化幅度与锅炉的汽包压力和蒸发量有关。
对于产汽量100t/ h230t/ h 的中高压锅炉,当负荷变化10 %时“, 虚假液位”可达3040mm。
“虚假液位”现象属于反向特性,变化速度很快,变化幅度与蒸发量扰动大小成正比,也与压力变化速度成正比,这给控制带来一定困难,在设计控制方案时,必须加以注意。
1. 3 汽包水位在炉膛热负荷作用下的动态特性当燃料量突然增加时,传给锅炉水的热量也增多,上升管的蒸发强度增大,使蒸发面下的汽泡膨胀,液位上升,随之蒸汽流量及汽包压力增加,但是给水流量并没增加,因而这种液位变化也属于“虚假液位”。
当热量和水量在炉内重新达到平衡时,液位才慢慢回降。
然而这种由于燃料量的突然变化引起的虚假液位比较小,而且热负荷可由蒸汽压力调节系统来保证,因而这种扰动的因素是次要的。
2 几种锅炉汽包水位的控制方案2. 1 单冲量控制系统单冲量控制系统(冲量一词指的是变量,单冲量即汽包液位) 是采用汽包液位直接控制给水调节阀(如图4 所示) ,它是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式,是典型的单回路定值控制系统。
该系统结构简单投资少容易实现,用于小型低压锅炉。
因为这种锅炉的蒸汽负荷比较稳定,汽包的相对容积大,用户对蒸汽的要求往往不十分严格,该控制系统若再配上一些报警联锁装置,也可以满足生产要求。
图4 单冲量控制系统方框图在停留时间较短,负荷变化较大时,就不能采用单冲量液位控制系统。
这是因为: (1) 负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错位动作,负荷增大时反而关小给水调节阀,当闪急化平息下来时,会使水位严重下降,产生剧烈波动,调节的动态品质很差。
(2)负荷变化时,从负荷变化到水位下降再到调节阀动作,滞后时间太长,如果水位过程时间常数很小,偏差必然很显著。
(3) 给水系统扰动时,例如给水泵压力变化,进水量立即变化,而到水位产生偏差时才使调节阀动作,同样不够及时。
2. 2 双冲量控制系统在汽包的水位控制中,最主要的扰动是负荷的变化,那么引入蒸汽流量来校正,不仅可以补偿“虚假液位”所引起的误动作,而且使给水调节阀的动作及时,这就构成了双冲量控制系统。
从本质上看,双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量FTS) 加单回路反馈控制系统构成的复合控制系统。
加法器的输出= Pc ±λS Ps+ 初始偏差。
如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机,为保护设备,给水阀宜选用气开( F. C) 阀,当蒸汽流量加大时,给水流量亦要相应增加,此时选用气开阀,加法器的输出应增加,即λS 应该取正号。
如果蒸汽作为工艺生产中的热源时,为保护设备,给水阀宜选用气关(F. O) 阀,当蒸汽流量加大时,给水流量亦要相应增加,此时选用气关阀,加法器的输出应减小,即λS 应该取减号。
为了兼顾上述两种要求,宜选带保位装置(F. L) 的给水阀,即事故状态该阀停在原位。
初始偏差设置的目的是:正常负荷下,调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值,最好在正常负荷下初始偏差与前馈(蒸汽流量FTS)λS Ps 项恰好抵消。
图5 双冲量控制系统方框图2. 3 三冲量控制系统双冲量控制系统有两个缺点: (1) 调节阀的工作特性不一定完全是线性,这样要做到静态补偿就比较困难; (2) 对于给水系统的扰动不能直接补偿。
为此将引入给水流量信号,构成三冲量控制系统。
2. 3. 1 三冲量控制方案Ⅰ———前馈(蒸汽流量) 加反馈(液位,给水流量) 控制系统该系统可看作三冲量的综合信号作为被控变量的单回路控制系统,投运和整定与单回路控制系统一样,但是如果系统参数设置不能确保物料平衡,则负荷变化时,水位将有余差。
关于系数λS 和λW的作用与设置:(1) 用来保证物料平衡即在△W = a △D 的条件下,蒸汽流量信号λS △Ps与给水流量信号λW△PW应相等,依据这条原则,可以确定λS 和λW的比值。
(2) 用来确定前馈作用的强弱从(1) 物料平衡中知道λS 与λW的比值,其大小应依据过程特性确定,λS 越大其前馈作用越强,则扰动出现时,调节阀开度的变化亦越大。
图6 三冲量控制方案Ⅰ方框图2. 3. 2 三冲量控制方案Ⅱ———蒸汽流量前馈给水流量串级控制系统方案Ⅱ与方案Ⅰ相类似,仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。
该方案不管λS 与λW 如何设置,当负荷变化时,液位可以保持无差,以改善负荷扰动下的调节品质。
图7 三冲量控制方案Ⅱ方框图加法器的输出= ±Pc ±λS PS ±λW PW催化裂化装置产汽及余锅汽包采用气关( F. O) 式的保位给水阀,当蒸汽流量加大时,给水流量亦要相应增加,此时选用气关阀,加法器的输出应减小,即λS 应该取减号。
当给水流量增加时,此时选用气关阀,加法器的输出应增大,即λW 应该取正号。
当液位升高时(调节器为正作用) ,给水流量亦要相应减小,此时选用气关阀,加法器的输出应增大,即Pc 应该取正号。
2. 3. 3 三冲量控制方案Ⅲ———蒸汽流量前馈液位与给水流量串级控制组成的控制系统在汽包停留时间较短,“虚假液位”严重时,需引入蒸汽流量信号的负微分作用,如下图虚线所示。
所谓“负微分”是因为经过微分器信号的作用方向与蒸汽流量信号的作用方向相反。
在蒸汽流量(负荷) 的阶跃扰动下,由于负微分器的输出信号的作用,使给水流量向反方向变化,这就克服了虚假液位的影响,等到负荷稳定后“, 虚假液位”消失,负微分作用也将消失。
这种负微分作用对静态没有影响,只起一个动态前馈补偿作用,以避免蒸汽负荷突然增加或减少时,水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。
图8 三冲量控制方案方框图Ⅲ3 几种控制方案的比较单冲量液位控制是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式,是典型的单回路定值控制系统,但它不能克服“虚假液位”的影响,而且没有给水流量信号的反馈,所以液位波动较大。
双冲量液位控制系统是在单冲量控制的基础上,引进蒸汽流量作为前馈信号。
该控制系统的特点是:引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节品质的不良影响,当蒸汽流量变化时,就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号,可以减小或抵消由于“虚假液位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作,使调节阀从一开始就向正确的方向移动。
因而大大减小了给水量与液位的波动,缩短调节的时间。
而且引入的蒸汽流量的前馈信号,能改善调节系统的静特性,提高调节质量。
双冲量液位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。
当给水压力经常有波动,给水调节阀前后压差不易保持正常时,不宜采用双冲量控制;另外在大型锅炉的控制中,锅炉容量越大,压力越来越高,汽包的相对容水量就越小,允许波动的储水量就更少。
为了把液位控制平稳,在双冲量液位调节的基础上引入了给水流量信号,由液位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量液位控制系统,在这个系统里,汽包液位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号。
三冲量液位控制系统抗干扰能力强,适用于大中型中压锅炉。
三冲量控制方案Ⅰ:方案Ⅰ宜作为一般锅炉液位的控制方案,其特点是使用的设备少,整定方法比较简单,调节机构动作比较平稳。
三冲量控制方案Ⅱ:与方案Ⅰ比较,其加法器从调节器前移至调节器后,即使出现物料不平衡的现象,只要液位有偏差,调节器的积分作用就能消除偏差。
三冲量控制方案Ⅲ:采用这种控制方案,在负荷变化时给水流量会及时做出相应变化,调节时间也比较短,对于克服“虚假液位”的动态偏差有进一步的好处。
方案Ⅲ适用于大容量高压锅炉,而且要求水位控制严格的场合。
4 工程中需要注意的问题4. 1 关于汽包液位测量的问题由于汽包液位波动较大,一般选用平衡容器测量汽包液位。
平衡容器连通管中的液位始终与汽包液位等高,上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱,若水柱高出托盘自溢口后自溢,并经平衡阀返回汽包,进行热量与水量的交换,以求达到汽包内部液体与平衡容器内部的液体比重一致且恒定。