锅炉汽包水位控制新版系统的设计.doc

锅炉汽包水位控制系统设计
目 录
1 引言 1
1.1 论文选题背景、目和意义 1
1.1.1 电厂热工自动化控制发展 2
1.1.2 自动控制理论发展 2
1.2 控制系统规模、构成构造和硬件发展 3
1.2.1 初级阶段 3
1.2.2 常规仪表阶段 3
1.2.3 大型自动化阶段 3
1.3 国外某些重要DCS系统 4
2 汽包锅炉工艺 4
2.1 汽包锅炉简介 4
2.2 汽包水位控制系统 5
2.3 汽包水位动、静态特性 5
2.3.1 汽包水位在给水流量作用下动态特性 6
2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下动态特性 7
2.3.3 燃料量扰动下汽包水位动态特性 8
2.3.4 水位对象静态特性分析 9
3 当前重要存在单冲量水位控制系统、双冲量控制系统、三冲量系统 9
3.1 单冲量水位控制方案 9
3.2 双冲量控制方案 10
3.3 三冲量控制系统 13
3.3.1 三冲量控制方案之一 13
3.3.2 三冲量控制方案二 15
3.3.3 三冲量控制方案三 16
3.4 几种控制方案比较 18
3.5 最优方案解析 19
3.6 三冲量控制系统工程整定 21
3.6.1 输入信号之间静态配合 21
3.6.2 控制系统动态整定 23
4 工程中需要注意问题 25
4.1 关于汽包水位测量问题 25
4.2 给水阀选取问题 25
4.2.1 关于给水调节阀气开气关选取。 25
4.2.2 关于给水调节阀型号选取。 25
4.3 给水流量 蒸汽流量 26
5 结束语 26
参 考 文 献 26
致 谢 27

文 摘 本文在详细分析了某些影响汽包水位对象控制重要因数基本上，讨论了当前普通采用控制办法,进一步分析了水位对象模型动静特性。一方面从锅炉汽包内水热平衡、物质平衡原理出发，推导出了用来描述锅炉水位对象通用机理控制模型，通过对几种控制方案分析、研究与比较，选三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究三冲量系统特点。随后对其在PID参数整定方面也进行了必要分析，并略述了工程中需要注意问题。在此基本上，咱们可以理解到汽包水位控制系统新发展。

核心词 锅炉汽包；水位控制；三冲量控制系统；PID；参数整定；最佳方案

1 引言
1.1 论文选题背景、目和意义
随着电子产品降价及自动化生产线工艺控制持续稳定优势凸现，越来越多公司准备将自己核心生产线改成全自动化生产线或者对个别核心工艺参数采用自动控制。工业应用自控技术在中华人民共和国推广使用较晚，但近年来发展较快。国内当前做汽包水位自动控制系统方面设计公司诸多，但由于可以集工艺规定、自动化技术和电气技术三者于一体设计不多，因此人们清晰地结识到自动控制技术在工业应用中重要地位和作用，在水位控制系统中，重要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。
本设计是通过理解了锅炉汽包水位控制发展并在详细分析其动、静特性基本上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制设计方案中择优选取了“三冲量”控制，详细方案设计存在优缺陷详见下文解析。
本课题目及意义：锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在容许范畴内，使锅炉给水量适应锅炉蒸发量。由于锅炉水位同步受到锅炉侧和气轮机侧影响，因而，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉水位正常是保证锅炉和气轮机安全运营重要条件。水位过高或过低，都是不容许。水位过高会影响汽水分离器正常工作，严重时会导致蒸汽带水增长，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，导致事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面安全。普通规定锅筒水位维持在设计值±75~±100mm范畴内。
1.1.1 电厂热工自动化控制发展
自动控制理论及工程应用发展至今已有100近年历史，随着当代科学技术飞速发展，自动控制系统应用范畴也越来越广泛。电厂热工系统更不例外重要体当前系统越来越大，高参数大容积，除了对控制硬件提出了高可靠性规定之外，对控制理论也不断提出新规定，但愿能不断解决新浮现控制难题，自动控制发展重要涉及两个方面：（1）控制理论发展；（2）控制系统规模及构成构造和硬件发展。
1.1.2 自动控制理论发展
l “典型控制理论”阶段
上世纪50年代前发展控制理论被称为“古典控制理论”。它重要研究自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。典型控制理论所采用办法普通是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基本波德图法和根轨迹法，涉及各种稳定性判据和对数频率特性。
l “当代控制理论”阶段
60年代后来发展起来当代控制理论重要研究MIMO系统。系统可以是线性或非线性，定常或时变。它采用状态方程代替典型理论中一种高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t函数，因而属于时域分析办法。采用状态方程好处可以研究系统内部特性，可以分析系统本质。重要内容涉及：（1）系统运动状态描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统辨认和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制
l “大系统理论和先进控制理论”阶段
前两个阶段控制理论发展与应用，重要讨论存在数学模型自动控制系统，但是对于那些不具备数学模型或很难找到数学模型被控对象，应用典型控制理论办法等无法解决。但是，由于计算机技术迅速发展和价格下降，使计算机应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。先进控制重要涉及自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。人工智能学科发展增进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具备智能化自动控制系统又是人工智能一种既有广泛应用前景研究领域。70年代末开始智能控制理论和大系统理论研究与应用，是当代控制论在深度上和广度上开拓，因而在控制工程界受到极大关注，重要涉及：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。智能控制具备如下特点：以专家和纯熟操作工人知识为基本进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息解决、启发式程序设计，知识表达和自学习、推理与决策智能化技术，实现问题综合性求解。先进控制离不开前两个阶段控制理论，只是把自动控制理论推向一种更深化崭新阶段。
1.2 控制系统规模、构成构造和硬件发展
1.2.1 初级阶段
本世纪50年代先后，热工生产过程重要是凭生产实践经验，局限于普通控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重基地式仪表实现机、炉、电各自独立分散局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系，所应用理论是典型控制理论。
1.2.2 常规仪表阶段
50年代末及后来十年间，随着仪表工业大力发展，先后浮现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率及安全规定越来越突出，因而热工控制规定和精度变得越来越高。规定实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所增进。此时所用仪表有电动及组装仪表。理论发展重要是处在“典型控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。
1.2.3 大型自动化阶段
70年代至今，由于集成电路及计算机技术飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合分散计算机控制，当前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化（CIPS）阶段，整个机组生产过程控制只是其中一种子系统。采用集中分散型计算机控制系统，DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自长处，是一种比较合理新型计算机控制系统。随着这个过程，控制理论应用有了新发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。水位控制模式重要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、尚有可以用神经网络进行控制。甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。
1.3 国外某些重要DCS系统
国外DCS系统通过几十年发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于涉及电厂在内诸多工业部门。当前，世界上约有40多家公司生产近百种简朴控制系统商业产品。比较有名如美国ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本横河——北辰、日立、东芝；德国Siemens等多跨国公司。这些成熟DCS系统均有可靠性能，均有对于专门生产过程发展DCS系统，可以很以便、任意组态，里面都包括了几乎所有控制算法，顾客可以依照现场状况实现自己控制方略。由于这些系统良好开放性，顾客可以在此基本上作二次开发，把最新技术应用到自己系统中来，增强原系统功能。
2 汽包锅炉工艺
2.1 汽包锅炉简介
在设计锅炉汽包水位控制过程中一方面从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制任务与直流锅炉几乎同样，也是重要涉及四个方面：（1）保证系统安全运营；（2）保持燃烧经济性；（3）保持炉膛负压在一定范畴内；（4）运营中保证气轮机所需蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制任务都是为了保证锅炉负荷和给水平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包存在，使锅炉运营方式、锅炉构造、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制方式，采用被调量均有所区别。
汽包锅炉工作原理：汽包锅炉蒸发系统有汽包、下降管、分派水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器构成，这种与直流锅炉构造不同最大长处是：这个蒸发系统是闭合，工质在所有时候都在这个闭合蒸发管道系统中不断循环。锅炉蒸发受热面是有比较明显分界线。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质循环方式不同，并不变化汽包锅炉工作原理。这重要是由锅炉运营参数决定，并且没有很严格规定，当锅炉压力工作在9.8MPa~18.6MPa范畴内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因而可以采用自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa时，普通可以采用强制循环。
调节过程特点：汽包水位成为给水控制唯一标志，因而汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给水平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面变化，影响锅炉安全运营。因而在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉给水控制简朴，其对象可以当作是带有可测扰动两输入输出系统，其指标是单一，也即把水位维持在一种范畴内即可。
2.2 汽包水位控制系统
众所周知，工业过程控制系统安全性、稳定性、精确性和经济性是公司考虑重中之重，是衡量系统与否可靠重要指标。随着工业自动化整体水平提高，方案选取范畴增多，但据不同规定和不同侧重点，最优方案始终是咱们首选。下面以汽包水位控制系统设计为例，对几种方案略解。
汽包水位是锅炉运营重要指标之一，是一种非常重要被控量。维持水位在一定范畴内是保证锅炉安全运营首要条件，这是由于：①水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力话，将会损坏气轮机叶片，影响运营安全性和经济性。②水位过低，则由于汽包内水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内水所有液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因而，锅炉汽包水位必要严加控制。
2.3 汽包水位动、静态特性

1—给水母管
2—给水调节阀
3—省煤器
4—汽包
5—下降管
6—上升管
7—过热器
8—蒸汽母管
图1 锅炉给水系统
锅炉汽水系统构造如图1所示，汽包水位不但受汽包（涉及循环水管）中储水量影响，亦受水位下气泡容积影响。而水位下气泡容积与锅炉负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等关于。因而，影响水位变化因数诸多，其中重要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D）、给水流量W和燃料扰动。下面着重讨论在给水流量作用下汽包水位动态特性。
2.3.1 汽包水位在给水流量作用下动态特性

图2 给水流量扰动下水位阶段响应曲线
图2所示是给水流量作用下，水位阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。
但是由于给水温度比汽包内饱和水温度低，因此给水流量增长后，从原有饱和水中吸取某些热量。这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数，水位变化如图中曲线H2，相称于一种惯性环节，事实上水位H响应为H1与H2和。当水位下汽包容积变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量增长而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量增长而直线上升。因而，实际水位曲线如图2中H线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不及时增长，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一种积分环节和时滞环节串联。可表达为：

式中——响应速度，即给水流量变化单位流量时，水位变化速度，（mm/s）/(t/h)
τ——时滞，秒
给水温度低，时滞τ亦越大。对于非沸腾式省煤器锅炉，τ=30~100s，对于沸腾式省煤器锅炉，τ=100~200s
有些文献上响应速度用相对量来表达，即当扰动量为100%时，水位（用相对量来表达，以容许变化范畴为100%）变化速度。并以倒数（称为响应时间）来表达。响应时间定义是：当扰动量为100%时，水位变化100%所通过时间单位为S。
2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下动态特性
蒸汽流量扰动重要来自气轮机负荷变化，这是一种经常发生扰动，属于调节系统外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位阶跃响应曲线如图3所示：

图3 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下阶跃响应曲线
当蒸汽流量D突然增长时，从锅炉物料平衡关系来看，蒸汽量D不不大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际状况并非这样，由于蒸汽用量增长，瞬间必然导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增长，由于汽包容积增长而使水位变化曲线如图3中H2所示。而实际显示水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增长时，虽然锅炉给水量不大于蒸发量，但在一开始时，水位不但不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。
应当指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位变化速度是不久，图中H2时间常数只有10~20S。蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性可用函数表达为：
=+ =+
式中，——响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位变化速度，（mm/s）/(t/h);
――响应曲线放大系数；
　　　——响应曲线时间常数；
“虚假水位”变化幅度与锅炉工作压力和蒸发量关于。例如，普通１００～２００t/h中高压锅炉，当负荷变化１０％时，“虚假水位”可达３０～４０mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉气压和蒸发量变化大小关于，而与给水流量无关。
2.3.3 燃料量扰动下汽包水位动态特性
汽包水位在燃料量Ｂ扰动下响应曲线如图4所示，当燃料量增长时，锅炉吸热量增长，蒸发强度增大。如果气轮机侧用汽量不加调节，则随着汽包压力增高，汽包输出蒸汽量也将增长，于是蒸发量不不大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量不平衡。由于水面下蒸汽容积增大，此时也会浮现虚假水位现象，但由于燃烧率增长也将气量Ｄ缓慢增长，故虚假水位现象要比Ｄ扰动下缓和得多。

图4 汽包水位在燃烧率扰动下阶跃响应曲线
2.3.4 水位对象静态特性分析
对于一台固定容量汽包锅炉，当设计完毕后，其汽包、蒸发管道容量是固定。汽包及蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量多少，是以汽包水位Ｈ表征，其大小受到汽包流入量（给水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系影响，同步还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积变化影响。系统输入输出之间静态关系式为：
　　　　　　　　　　Ｈ＝f (W,D)
其中：Ｈ——汽包水位；
W——给水流量；
D——蒸汽流量；
系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位H保持稳定△H=0。
3 当前重要存在单冲量水位控制系统、双冲量控制系统、三冲量系统
3.1 单冲量水位控制方案

图5 单冲量水位控制系统
如图5所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制构造简朴，是单回路定制控制系统，在汽包内水停留时间较长，负荷又比较稳定场合下再配上某些锁报警装置就可以安全操作。
然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能合用。这是由于：①负荷变化时产生“虚假水位“将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。②负荷变化时，控制作用缓慢。虽然”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一种过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相称明显。③给水系统浮现扰动时，动作缓慢。假定给水泵压力发生变化，进水流量及时变化，然而到水位发生偏差而使调节阀动作，同样不够及时；
为了克服上述这些矛盾，可以不但根据水位，同步也参照蒸汽流量和给水流量变化，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀，能收到较好效果。
从反馈控制思想出发，很自然地会以水位信号Ｈ作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统。这是一种基本控制方案。对于小容量锅炉来说，它蓄水量较大，水面如下汽包体积不占很大比重。因而，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，由于在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不明显。但是，对于大量大中型锅炉来说，这种系统不能满足规定。由于汽机耗气量变化所产生假水位将引起给水调节机构误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备寿命和安全。因此对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必要谋求其她解决办法。
3.2 双冲量控制方案

（a）原理图
（b）方框图
图6 双冲量控制系统
在汽包水位控制中，最重要扰动是负荷变化。用双冲量控制系统不但可以引用蒸汽量来效正，并且可以补偿“虚假水位”所引起误动作，使给水调节阀动作及时。其控制系统如图6所示
从本质上看，双冲量控制系统是一种前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制系统复合控制系统。这里前馈仅为静态前馈，若需要考虑两条通道在动态上差别，需引入动态补偿环节。
图6所示连接方式中，加法器输出Ｉ是：

式中――水位调节器输出；
　　――蒸汽流量变送器（普通经开放器）输出；
　　――初始偏置值；
　　――加法器系数。
C2是取正号还是负号，即进行加法还是减法，要由调节阀气开或气关形式来拟定。普通从安全角度选用调节阀气开和气关。如果高压蒸汽是供应蒸汽透平机等，那么为保护这些设备以选用气开阀为宜；如果蒸汽作为工艺生产热源时，为保护锅炉设备以采用气关阀，Ｉ应减小即C2应取负号；如果采用气开阀，Ｉ应增长即C2应取正号。
C2数值应当考虑达到静态补偿。倘使现场试凑，那么应当在只有负荷状况下调节到水位基本不变，倘使有阀门特性数据，它放大系数KV是：
＝
式中――阀门输入信号变化量；
——给水流量变化量。
在测量方面，假设为线性，则

式中，—蒸汽流量变送器输出变化量；
―蒸汽流量变化量；
—蒸汽流量变送器量程，从零开始；
—变送器输出最大变化范畴。
要达到静态补偿，应保持物料平衡，即有：

上式中是一种系数。如果给水流量和蒸汽流量用体积来表达，显然不等于１。虽然用重量来表达，由于排污要放出一某些水，进水重量要稍不不大于蒸汽量，即规定>1。
由于加法器作用，在负荷变化△时，给水量变化是：

有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增长时，阀门动作方向相反，信号一定相减；而采用另一种接法，即将加法器放在调节器之前。如图7（a）所示：

（a） （b）
图7 双冲量控制系统其他接法
这样接法好处是使用仪表少，由于一台双通道调节器就可以实现加减和控制功能。（如果水位调节器采用单比例，则这种接法与图6可以等效转换，差别不大）。
但是，水位调节器采用PI作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之差，成果 显然不能保证水位无差。除非流量参数通过微分，并且不引入固定分量，见图7（b）。等效转换后其等式项是：

只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。
3.3 三冲量控制系统
双冲量控制系统尚有两个弱点，即调节阀工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿不是很准；同步对于给水系统扰动不能直接补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制。
3.3.1 三冲量控制方案之一
图8所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽流量）加反馈控制系统。这种三冲量控制方案构造简朴，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看作三冲量综合信号为被控变量单回路控制系统，因此投运和整定与单回路同样，但是如果系统设立不能保证物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。

（a）原理图
（b）方框图
图8 三冲量控制方案之一
根据这条原则，可以拟定和比值，详细是这样设立：
蒸汽流量变化量与其变送器（线性）关系是：

给水流量变化量与其变送器（线性）关系是：

由物料平衡关系可得：

而
因此，由上两式比较可得：
第二是用来拟定前馈作用强弱，由于上式仅懂得和比值，其大小根据过程特性拟定，其大小反映了前馈作用强弱。越大其前馈作用越强，则扰动浮现时，调节阀开度变化亦越大。
3.3.2 三冲量控制方案二
三冲量控制方案二如图9所示，该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相称于前馈--串级控制系统，而副回路调节器比例度为100%，该方案不论系数和如何设立，当负荷变化时，液位可以保持无差。

(a) 原理图

（b） 方框图
图9 三冲量控制方案之二
3.3.3 三冲量控制方案三
图10所示是三冲量控制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量）与串级控制构成复合控制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位”严重时，需引入蒸汽流量信号微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分作用，起一种动态前馈作用，以避免由于负荷突然增长或减少时，水位偏离设定值过高或过低而导致锅炉停车。

(a) 原理图

（b） 方框图
图10 三冲量控制之三
对图10中方框图进行分析。如果副回路跟踪较好，近似为1：1环节，则前馈补偿模型为：

由前述动态特性可知：

∴

假设，，，事实上不也许得到，因而前馈补偿模型可近似为：

因此蒸汽流量信号引入负微分（无恒定分量）后，可以满足上式，这样动态补偿可以获得较好效果。
三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构增长给水量。另一方面，D增大又通过双冲量控制作用指挥调节机构增长给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能对的地指挥调节机构动作。只要参数整定适当，当系数恢复平衡后来，给水量必然等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。
3.4 几种控制方案比较
单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简朴最基本一种形式，是典型单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”影响，并且没有给水流量信号反馈，因此水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制基本上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统特点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节品质不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一种给水量与蒸汽量向同方向变化信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起给水量与蒸汽量反方向变化误动作，使调节阀从一开始就向对的方向移动。因而大大减小了给水量与水位波动，缩短调节时间。并且引入蒸汽流量前馈信号，能改进调节系统静特性，提高调节质量。双冲量水位控制系统合用于小型低压并且给水压力较稳定锅炉。当给水压力经常有波动，给水调节阀先后压差不易保持正常时，不适当采用双冲量控制；此外在大型锅炉控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包相对容水量就越小，容许波动储水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基本上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量 给水流量是两个辅助冲量信号。三冲量水位控制系统抗干扰能力强，合用于大中型中压锅炉。
三冲量控制方案一：方案一宜作为普通锅炉水位控制方案，其特点是使用设备少，整定办法比较简朴，调节机构动作比较平稳。
三冲量控制方案二：与方案一比较，其加法器从调节器前移至调节器后，虽然浮现物料不平衡现象，只要水位有偏差，调节器积分作用就能消除偏差。
三冲量控制方案三：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“虚假水位”动态偏差有进一步好处。方案三合用于大容量高压锅炉，并且规定水位控制严格场合。
3.5 最优方案解析

图11　锅炉汽包水位三冲量调节系统流程图
从前面分析、比较，我以为三冲量控制系统是最优控制。下面讨论一种常用三冲量调节系统:蒸汽流量和给水流量前馈与汽包水位反馈所构成三冲量系统。
图11中所示三冲量系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动，不是等到影响到水位才进行调节,而是在这两个流量变化之时就能通过加法器及时去变化调节阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数调节精度。
在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调节器输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到输出电流为：
I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3
式中,I1 为液位调节器输出电流;I2 为蒸汽流量变送器电流;I3 为给水流量变送器电流;K1 、K2 、K3 分别为加法器各通道衰减系数。
设计K2 I2= K3 I3
此时I0 正是调节阀处在正常开度时所需要电流信号(为了安全调节阀必要用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增长,蒸汽流量变送器输出电流I2 相应增长,加法器输出电流I0 就减少，从而开大给水调节阀。但是与此同步浮现了假水位现象,水位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器两个信号相反，蒸汽流量变送器输出电流I2 会抵消一某些假水位输出电流I1 ，因此，假水位所带来影响将局部或所有被克服。
待假水位过去,水位开始下降,水位调节器输出电流I1 开始减小，此时，它与蒸汽流量信号变化方向相反，因而加法器输出电流I0 减小，意味着规定增长给水量，以适应新负荷需要并补充水位局限性。调节过程进行到水面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量自身因压力波动而变化时,加法器输出相应变化,去调节阀门开度,直至给水量恢复到所需数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量,起到了“超前信号”作用,使给水阀一开始就向对的方向移动，因而大大减小了水位波动幅度,抵消了虚假水位影响,并缩短了过渡过程时间。图12为三冲量水位调节方案图，图13为三冲量水位调节方框图。

图12 　三冲量水位调节方案

图13 　三冲量水位调节方框图
由上面对三冲量系统某些讨论同步咱们不能忽视其整定重要性，下面就小论其工程整定问题。
3.6 三冲量控制系统工程整定
众所周知，要使控制系统具备良好控制性能，除了必要对的设计以外，还必要对的、仔细整定。三冲量控制系统工程整定办法比较特殊，这里重要结合图14所示系统讨论三冲量控制系统工程整定问题。
三冲量给水控制系统图如图14所示。

图14 三冲量给水控制系统
3.6.1 输入信号之间静态配合
对于单冲量系统来说，只要调节器是比例积分动作，那么，在控制过程结束后来被调量就没有静态偏差。对于三冲量系统则否则，虽然采用比例积分调节器，也不一定能保证无差，还必要解决一种输入信号系统静态配合问题。

当前把图14所示控制系统以传递函数方框图形式重画成图15

图15 三冲量控制系统方框图
图中各符号意义如下：，，，，，——分别为水位、给水流量和蒸汽流量一次测量仪表及变送器传递系数和时间常数，，——分别为水位，给水流量和蒸汽流量分流系数。——水位设定值到水位设定信号之间传递函数。——给水调节机构传递系数。——为调节通道和扰动通道传递函数。比例积分调节器传递函数。
由于采用比例积分调节器，当调节过程结束后，调节器总输入信号为零，即：

也即：
考虑到在给水系统处在稳态时给水量必然等于蒸汽量，即W=D，因而有：

如果在额定蒸汽负荷下，调节系数可以使汽包水位H等于其额定值。
此时上式应变为：

将上两式相减得：

上式就是水位控制系统静特性，即调节过程结束后水位H与负荷D之间关系。

图16 三冲量控制系统静态特性
静特性是直线，如图16所示，直线斜率决定于和选取。如果给水信号和蒸汽流信号同样强，即
则在任何负荷下均有它就是图中直线（1），直线（2）和（3）分别代表不不大于或不大于状况。
从以上分析可以看出，对于多信号系统，要消除被调量静态偏差，除了必要采用比例积分调节规律以外，还必要使个输入信号之间保持一定静态配合关系，才干保证系统具备但愿静态特性，这是多信号系统不同于单信号系统突出特点之一。
3.6.2 控制系统动态整定
对于三冲量控制系统来说，需要进行整定参数有5个，即分流系数和调节器比例带及积分时间，上面已经从信号静态配合上讨论了和比例关系。下面进一步讨论如何在动态整定中最后拟定这些参数。
在图11所示控制系统中，虚线方框所标出内回路是一种流量自稳定系统。由于流量调节系统响应不久，可以近似以为且普通也很小，可以忽视不计，于是有：

此时，整个内回路等效传递函数近似视为：

因而，图11中内环可用来代表，可以看作是外回路中档效调节器，它具备纯比例动作，等效比例带为：

从图可见，外回路开环增益与成正比，故大小决定了控制过程进行状况。这里有两个特定参数，可以暂时取然后应用恰当整定办法拟定大小，例如可采用动态特性参数法，在条件下做基本扰动响应特性实验，求得迟延时间和上升速度ε然后依照经验整定公式表得：

普通规定给水量控制要平稳某些，因而可恰当加大比例带，例如取

这样也就拟定了给水流量信号强弱。
再由式所规定蒸汽流量信号与给水流量信号之间关系，拟定蒸汽流量信号强弱，即

当前再来拟定调节器参数。从图十四可以看到，调节器是在内回路中，因而可用单回路整定来拟定其参数。
到此为止，已拟定了所有整定参数，但是，依照上两式求出值，有时也许不不大于1，这阐明一开始假定偏大，需要同步按比例地缩小这样做不会影响控制系统性能。
4 工程中需要注意问题
4.1 关于汽包水位测量问题
由于汽包水位波动较大，普通选用平衡容器测量汽包水位。平衡容器连通管中水位始终与汽包水位等高，上端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，进行热量与水量互换，以求达到汽包内部水体与平衡容器内部水体比重一致且恒定。将托盘水面高于正取压端口H0做负迁移，则差压变送器量程所相应平衡管正压端水柱压力变化就能真实反映汽包水位变化。
4.2 给水阀选取问题
4.2.1 关于给水调节阀气开气关选取。
关于给水调节阀气开气关选取，普通都是从安全角度考虑。如果高压蒸汽供应蒸汽透平压缩机重要负荷，为保护这些设备以选用气开(F．C)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中热源时，为保护锅炉，以选用气关(F．O)阀为宜。综合起来考虑，普通选带保位装置(F．IJ给水阀，即事故状态该阀停在原位。
4.2.2 关于给水调节阀型号选取。
关于给水调节阀型号选取。由于流经给水阀除氧水压力为6．0MPa 温度为104℃ ，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，普通给水阀阀芯 阀座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，普通给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节流孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一某些压差，使节流后压力在阀某些恢复不到流体饱和蒸汽压力，可以有效避免汽蚀现象，也有效防止了汽蚀引起噪声振动和对阀芯 阀座侵蚀。
4.3 给水流量 蒸汽流量
给水流量蒸汽流量一次元件如果选用节流装置，则差压变送器输出信号需经开方器后再输入到加法器进行信号叠加。这样可以减少非线性对系统调节品质影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们显示仪表量程应选取相似，其范畴应比额定蒸汽负荷大某些，以保证锅炉在额定负荷下给水流量有波动余地。
5 结束语
锅炉水位控制方案各种各样，因每台锅炉特性及实际工况不同而各异，一言以蔽之，智者见智，仁者见仁。本文简介是使用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动控制几种较为典型方案。如今，智能仪表发展和计算机在工业自动控制领域广泛应用，又为该课题开拓了一片更加辽阔天空。

参 考 文 献
1 蒋慰孙，俞金寿．过程控制工程．第2版．北京：中华人民共和国石化出版社，1999
2 金以慧．过程控制．北京：清华大学出版社，1999
3 杨献勇．热工过程自动控制．北京：清华大学出版社，
4 樊泉桂．锅炉原理．北京：中华人民共和国电力出版社，
5 吴智雄．垃圾焚烧锅炉汽包水位控制模型建立．浙江大学研究生论文，

Design of the steam dome water level control system of the boiler
Zhang Jianjuan The electric information engineering institute of PanZhihua university，PanZhihua 617000

Abstract