不太行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

文 摘 本文在具体分析了部分影响汽包水位对象控制关键因数基础上，讨论了现在通常采取控制方法,深入分析了水位对象模型动静特征。首先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，经过对多个控制方案分析、研究和比较，选三冲量系统作为最好控制方案，并着力研究三冲量系统特点。随即对其在PID参数整定方面也进行了必需分析，并略述了工程中需要注意问题。在此基础上，我们能够了解到汽包水位控制系统新发展。

关键词 锅炉汽包；水位控制；三冲量控制系统；PID；参数整定；最好方案

1 引言
1.1 论文选题背景、目标和意义
伴随电子产品降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势凸现，越来越多企业准备将自己关键生产线改成全自动化生产线或对部分关键工艺参数采取自动控制。工业应用自控技术在中国推广使用较晚，但多年来发展较快。中国现在做汽包水位自动控制系统方面设计企业很多，但因为能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体设计不多，所以大家清楚地认识到自动控制技术在工业应用中关键地位和作用，在水位控制系统中，关键采取“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。
本设计是经过了解了锅炉汽包水位控制发展并在具体分析其动、静特征基础上从单冲量控制到双冲量控制最终到三冲量控制设计方案中择优选择了“三冲量”控制，具体方案设计存在优缺点详见下文解析。
本课题目标及意义：锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在许可范围内，使锅炉给水量适应锅炉蒸发量。因为锅炉水位同时受到锅炉侧和气轮机侧影响，所以，当锅炉负荷改变或气轮机用汽量改变时，经过给水调整系统保持锅炉水位正常是确保锅炉和气轮机安全运行关键条件。水位过高或过低，全部是不许可。水位过高会影响汽水分离器正常工作，严重时会造成蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧改变。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面安全。通常要求锅筒水位维持在设计值±75~±100mm范围内。
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经有100多年历史，伴随现代科学技术飞速发展，自动控制系统应用范围也越来越广泛。电厂热工系统更不例外关键表现在系统越来越大，高参数大容积，除了对控制硬件提出了高可靠性要求之外，对控制理论也不停提出新要求，期望能不停处理新出现控制难题，自动控制发展关键包含两个方面：（1）控制理论发展；（2）控制系统规模及组成结构和硬件发展。
1.1.2 自动控制理论发展
l “经典控制理论”阶段
上世纪50年代前发展控制理论被称为“古典控制理论”。它关键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。经典控制理论所采取方法通常是以传输函数、频率特征、根轨迹分布为基础波德图法和根轨迹法，包含多种稳定性判据和对数频率特征。
l “现代控制理论”阶段
60年代以后发展起来现代控制理论关键研究MIMO系统。系统能够是线性或非线性，定常或时变。它采取状态方程替换经典理论中一个高阶微分方程式来描述系统，而且系统中各个变量均为时间t函数，所以属于时域分析方法。采取状态方程好处能够研究系统内部特征，能够分析系统本质。关键内容包含：（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，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制
l “大系统理论和优异控制理论”阶段
前两个阶段控制理论发展和应用，关键讨论存在数学模型自动控制系统，不过对于那些不含有数学模型或极难找到数学模型被控对象，应用经典控制理论方法等无法处理。不过，因为计算机技术快速发展和价格下降，使计算机应用领域越来越宽，优异控制日益发展和应用起来了。优异控制关键包含自适应控制、估计控制、智能控制、鲁棒控制等。人工智能学科发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和含有智能化自动控制系统又是人工智能一个现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和应用，是现代控制论在深度上和广度上开拓，所以在控制工程界受到极大关注，关键包含：教授系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。智能控制含有以下特点：以教授和熟练操作工人知识为基础进行推理、判定、估计和计划，采取符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理和决议智能化技术，实现问题综合性求解。优异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个更深化崭新阶段。
1.2 控制系统规模、组成结构和硬件发展
1.2.1 初级阶段
本世纪50年代前后，热工生产过程关键是凭生产实践经验，局限于通常控制元件和机电式控制仪器，采取比较粗笨基地式仪表实现机、炉、电各自独立分散局部自动控制。各控制系统之间没有或极少有联络，所应用理论是经典控制理论。
1.2.2 常规仪表阶段
50年代末及以后十年间，伴随仪表工业大力发展，前后出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，而且机组容量增大，对效率及安全要求越来越突出，所以热工控制要求和精度变得越来越高。要求实现把机、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，对提升设备效率和强化生产过程有所促进。此时所用仪表有电动及组装仪表。理论发展关键是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，多种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，因为集成电路及计算机技术飞速发展，实现了过程控制最优化和管理调度自动化相结合分散计算机控制，现在火电发电厂全部发展到了管理、决议、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个子系统。采取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，充足发挥了集中控制和分散控制各自优点，是一个比较合理新型计算机控制系统。伴随这个过程，控制理论应用有了新发展，多种优异控制技术也能广泛应用于热工过程。水位控制模式关键是三冲量，不过优异控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、估计控制、模糊控制、还有能够用神经网络进行控制。甚至应用建模技术，能够对过程实时建摸，愈加提升了控制效果。
1.3 国外部分关键DCS系统
国外DCS系统经过几十年发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包含电厂在内很多工业部门。现在，世界上约有40多家企业生产近百种简单控制系统商业产品。比较有名如美国ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；和日本横河——北辰、日立、东芝；德国Siemens等多跨国企业。这些成熟DCS系统全部有可靠性能，全部有对于专门生产过程发展DCS系统，能够很方便、任意组态，里面全部包含了几乎全部控制算法，用户能够依据现场情况实现自己控制策略。因为这些系统良好开放性，用户能够在此基础上作二次开发，把最新技术应用到自己系统中来，增强原系统功效。
2 汽包锅炉工艺
2.1 汽包锅炉介绍
在设计锅炉汽包水位控制过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方法和强制循环方法两种，汽包锅炉自动控制任务和直流锅炉几乎一样，也是关键包含四个方面：（1）确保系统安全运行；（2）保持燃烧经济性；（3）保持炉膛负压在一定范围内；（4）运行中确保气轮机所需蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度恒定。不管上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制任务全部是为了确保锅炉负荷和给水平衡关系。不过，汽包锅炉因为有了汽包存在，使锅炉运行方法、锅炉结构、工作原理和直流锅炉不一样，这就使实现控制方法，采取被调量全部有所区分。
汽包锅炉工作原理：汽包锅炉蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种和直流锅炉结构不一样最大优点是：这个蒸发系统是闭合，工质在全部时候全部在这个闭合蒸发管道系统中不停循环。锅炉蒸发受热面是有比较显著分界线。不管是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质循环方法不一样，并不改变汽包锅炉工作原理。这关键是由锅炉运行参数决定，而且没有很严格要求，当锅炉压力工作在9.8MPa~18.6MPa范围内时，汽水密度差能够自行推进工质流动，所以能够采取自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa时，通常能够采取强制循环。
调整过程特点：汽包水位成为给水控制唯一标志，所以汽包水位：（1）反应了锅炉负荷和给水平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面改变，影响锅炉安全运行。所以在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉给水控制简单，其对象能够看成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个范围内即可。
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、正确性和经济性是企业考虑重中之重，是衡量系统是否可靠关键指标。伴随工业自动化整体水平提升，方案选择范围增多，但据不一样要求和不一样侧关键，最优方案一直是我们首选。下面以汽包水位控制系统设计为例，对多个方案略解。
汽包水位是锅炉运行关键指标之一，是一个很关键被控量。维持水位在一定范围内是确保锅炉安全运行首要条件，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，影响运行安全性和经济性。②水位过低，则因为汽包内水量转少，而负荷很大时，如不立即调整就会使汽包内水全部液化，造成水冷壁烧坏，甚至引发爆炸。所以，锅炉汽包水位必需严加控制。
2.3 汽包水位动、静态特征

1—给水母管
2—给水调整阀
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
锅炉汽水系统结构图1所表示，汽包水位不仅受汽包（包含循环水管）中储水量影响，亦受水位下气泡容积影响。而水位下气泡容积和锅炉负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等相关。所以，影响水位改变因数很多，其中关键是锅炉蒸发量（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征。
2.3.1 汽包水位在给水流量作用下动态特征

图2 给水流量扰动下水位阶段响应曲线
图2所表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，水位阶跃响应曲线图中H1线。
不过因为给水温度比汽包内饱和水温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸收部分热量。这使得水位下汽包容积有所降低，使水位下降，单考虑这个因数，水位改变图中曲线H2，相当于一个惯性步骤，实际上水位H响应为H1和H2和。当水位下汽包容积改变过程逐步平衡时，水位改变就完全反应了因为汽包中储水量增加而逐步上升。最终当水位下汽包容积不再改变时，水位改变就完全反应了因为储水量增加而直线上升。所以，实际水位曲线图2中H线。即当给水量作阶跃改变后，汽包水位一开始不立即增加，而是展现出一段起始惯性段。用传输函数来描述时，它近似于一个积分步骤和时滞步骤串联。可表示为：

式中——响应速度，即给水流量改变单位流量时，水位改变速度，（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
有些文件上响应速度用相对量来表示，即当扰动量为100%时，水位（用相对量来表示，以许可改变范围为100%）改变速度。并以倒数（称为响应时间）来表示。响应时间定义是：当扰动量为100%时，水位改变100%所经过时间单位为S。
2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下动态特征
蒸汽流量扰动关键来自气轮机负荷改变，这是一个常常发生扰动，属于调整系统外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位阶跃响应曲线图3所表示：

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忽然增加时，从锅炉物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，图中直线H1所表示。但实际情况并非这么，因为蒸汽用量增加，瞬间肯定造成汽包压力下降。汽包内水沸腾忽然加剧，水中汽包快速增加，因为汽包容积增加而使水位改变曲线图3中H2所表示。而实际显示水位响应曲线H为H1+H2。从图上能够看出，当蒸汽负荷增加时，即使锅炉给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而快速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量忽然降低时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。
应该指出：当负荷改变时，水位下汽包容积改变而引发水位改变速度是很快，图中H2时间常数只有10~20S。蒸汽流量扰动时，水位改变动态特征可用函数表示为：
=+ =+
式中，——响应速度，即蒸汽流量改变单位流量时水位改变速度，（mm/s）/(t/h);
――响应曲线放大系数；
　　　——响应曲线时间常数；
“虚假水位”改变幅度和锅炉工作压力和蒸发量相关。比如，通常１００～２００t/h中高压锅炉，当负荷改变１０％时，“虚假水位”可达３０～４０mm。“虚假水位”现象属于反向特征，其改变和锅炉气压和蒸发量改变大小相关，而和给水流量无关。
2.3.3 燃料量扰动下汽包水位动态特征
汽包水位在燃料量Ｂ扰动下响应曲线图4所表示，当燃料量增加时，锅炉吸热量增加，蒸发强度增大。假如气轮机侧用汽量不加调整，则伴随汽包压力增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，临时产生了汽包进出口工质流量不平衡。因为水面下蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但因为燃烧率增加也将气量Ｄ缓慢增加，故虚假水位现象要比Ｄ扰动下缓解得多。

图4 汽包水位在燃烧率扰动下阶跃响应曲线
2.3.4 水位对象静态特征分析
对于一台固定容量汽包锅炉，当设计完成后，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，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积改变影响。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 现在关键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
图5所表示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水停留时间较长，负荷又比较稳定场所下再配上部分锁报警装置就能够安全操作。
然而，在停留时间较短，负荷改变较大时，采取单冲量水位控制系统就不能适用。这是因为：①负荷改变时产生“虚假水位“将使调整器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调整阀，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负荷改变时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷改变到水位下降要有一个过程，再有水位改变到阀动作已滞后一段时间。假如水位过程时间常数很小，偏差肯定相当显著。③给水系统出现扰动时，动作缓慢。假定给水泵压力发生改变，进水流量立即改变，然而到水位发生偏差而使调整阀动作，一样不够立即；
为了克服上述这些矛盾，能够不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量改变，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调整阀，能收到很好效果。
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，给水流量作为调整量，组成单回路反馈系统。这是一个基础控制方案。对于小容量锅炉来说，它蓄水量较大，水面以下汽包体积不占很大比重。所以，给水容积延迟和假水位现象不显著，能够采取单冲量控制系统。对于大型超高压（靠近临界压力）锅炉也可采取这种控制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不显著。不过，对于大量大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗气量改变所产生假水位将引发给水调整机构误动作，致使汽包水位猛烈地上下波动，严重影响设备寿命和安全。所以对大中型锅炉不能采取单冲量控制系统，必需寻求其它处理措施。
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，最关键扰动是负荷改变。用双冲量控制系统不仅能够引用蒸汽量来效正，而且能够赔偿“虚假水位”所引发误动作，使给水调整阀动作立即。其控制系统图6所表示
从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（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异，需引入动态赔偿步骤。
图6所表示连接方法中，加法器输出Ｉ是：

式中――水位调整器输出；
　　――蒸汽流量变送器（通常经开放器）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，要由调整阀气开或气关形式来确定。通常从安全角度选择调整阀气开和气关。假如高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，那么为保护这些设备以选择气开阀为宜；假如蒸汽作为工艺生产热源时，为保护锅炉设备以采取气关阀，Ｉ应减小即C2应取负号；假如采取气开阀，Ｉ应增加即C2应取正号。
C2数值应该考虑达成静态赔偿。倘使现场试凑，那么应该在只有负荷情况下调整到水位基础不变，倘使有阀门特征数据，它放大系数KV是：
＝
式中――阀门输入信号改变量；
——给水流量改变量。
在测量方面，假设为线性，则

式中，—蒸汽流量变送器输出改变量；
―蒸汽流量改变量；
—蒸汽流量变送器量程，从零开始；
—变送器输出最大改变范围。
要达成静态赔偿，应保持物料平衡，即有：

上式中是一个系数。假如给水流量和蒸汽流量用体积来表示，显然不等于１。即使用重量来表示，因为排污要放出一部分水，进水重量要稍大于蒸汽量，即要求>1。
因为加法器作用，在负荷改变△时，给水量改变是：

有些装置中，因为水位上升和蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，信号一定相减；而采取另一个接法，立即加法器放在调整器之前。图7（a）所表示：

（a） （b）
图7 双冲量控制系统其它接法
这么接法好处是使用仪表少，因为一台双通道调整器就能够实现加减和控制功效。（假如水位调整器采取单百分比，则这种接法和图6能够等效转换，差异不大）。
不过，水位调整器采取PI作用，而测量值又是水位和蒸汽流量之差，结果 显然不能确保水位无差。除非流量参数经过微分，而且不引入固定分量，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，才可确保水位无余差。
3.3 三冲量控制系统
双冲量控制系统还有两个弱点，即调整阀工作特征不一定是线性，这么要做到静态赔偿不是很准；同时对于给水系统扰动不能直接赔偿。为此，将给水流量信号引入，组成三冲量控制。
3.3.1 三冲量控制方案之一
图8所表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结构简单，只需要一台多通道调整器，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，所以投运和整定和单回路一样，不过假如系统设置不能确保物料平衡，当负荷改变时，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
依据这条标准，能够确定和比值，具体是这么设置：
蒸汽流量改变量和其变送器（线性）关系是：

给水流量改变量和其变送器（线性）关系是：

由物料平衡关系可得：

而
所以，由上两式比较可得：
第二是用来确定前馈作用强弱，因为上式仅知道和比值，其大小依据过程特征确定，其大小反应了前馈作用强弱。越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调整阀开度改变亦越大。
3.3.2 三冲量控制方案二
三冲量控制方案二图9所表示，该方案和方案一相类似，仅是加法器位置从调整器前移至调整器后。该方案相当于前馈--串级控制系统，而副回路调整器百分比度为100%，该方案不管系数和怎样设置，当负荷改变时，液位能够保持无差。

(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所表示是三冲量控制方案之三，这是一个前馈（蒸汽流量）和串级控制组成复合控制系统。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，图中虚线所表示。这种微分作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用，以避免因为负荷忽然增加或降低时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。

(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。假如副回路跟踪很好，近似为1：1步骤，则前馈赔偿模型为：

由前述动态特征可知：

∴

假设，，，实际上不可能得到，因以前馈赔偿模型可近似为：

所以蒸汽流量信号引入负微分（无恒定分量）后，能够满足上式，这么动态赔偿能够取得很好效果。
三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提升了水位控制质量。比如，当耗气量D忽然阶跃增大时，首先因为假水位现象水位会临时升高，它使调整器错误地指挥调整机构增加给水量。其次，D增大又经过双冲量控制作用指挥调整机构增加给水量。实际给水量是增大还是降低，取决于系统系数整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号全部能正确地指挥调整机构动作。只要参数整定适宜，当系数恢复平衡以后，给水量肯定等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。
3.4 多个控制方案比较
单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基础一个形式，是经典单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”影响，而且没有给水流量信号反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制基础上，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能够消除“虚假水位”对调整品质不良影响。当蒸汽流量改变时，就有一个给水量和蒸汽量向同方向改变信号，能够减小或抵消因为“虚假水位”引发给水量和蒸汽量反方向改变误动作，使调整阀从一开始就向正确方向移动。所以大大减小了给水量和水位波动，缩短调整时间。而且引入蒸汽流量前馈信号，能改善调整系统静特征，提升调整质量。双冲量水位控制系统适适用于小型低压而且给水压力较稳定锅炉。当给水压力常常有波动，给水调整阀前后压差不易保持正常时，不宜采取双冲量控制；另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，许可波动储水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调整基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就组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，适适用于大中型中压锅炉。
三冲量控制方案一：方案一宜作为通常锅炉水位控制方案，其特点是使用设备少，整定方法比较简单，调整机构动作比较平稳。
三冲量控制方案二：和方案一比较，其加法器从调整器前移至调整器后，即使出现物料不平衡现象，只要水位有偏差，调整器积分作用就能消除偏差。
三冲量控制方案三：采取这种控制方案，在负荷改变时给水流量会立即做出对应改变，调整时间也比较短，对于克服“虚假水位”动态偏差有深入好处。方案三适适用于大容量高压锅炉，而且要求水位控制严格场所。
3.5 最优方案解析

图11　锅炉汽包水位三冲量调整系统步骤图
以前面分析、比较，我认为三冲量控制系统是最优控制。下面讨论一个常见三冲量调整系统:蒸汽流量和给水流量前馈和汽包水位反馈所组成三冲量系统。
图11中所表示三冲量系统,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整系统中去,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整,而是在这两个流量改变之时就能经过加法器立即去改变调整阀开度进行校正,故大大提升了水位这个被调参数调整精度。
在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调整器输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,经过加法器得到输出电流为:
I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3
式中,I1 为液位调整器输出电流;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 正是调整阀处于正常开度时所需要电流信号(为了安全调整阀必需用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷忽然增加,蒸汽流量变送器输出电流I2 对应增加,加法器输出电流I0 就降低, 从而开大给水调整阀。不过和此同时出现了假水位现象,水位调整器输出电流I1 将增大。因为进入加法器两个信号相反, 蒸汽流量变送器输出电流I2 会抵消一部分假水位输出电流I1 , 所以, 假水位所带来影响将局部或全部被克服。
待假水位过去,水位开始下降,水位调整器输出电流I1 开始减小, 此时, 它和蒸汽流量信号改变方向相反, 所以加法器输出电流I0 减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新负荷需要并补充水位不足。调整过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达成新平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而改变时,加法器输出对应改变,去调整阀门开度,直至给水量恢复到所需数值为止。因为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正确方向移动, 所以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为三冲量水位调整方案图, 图13为三冲量水位调整方框图。

图12 　三冲量水位调整方案

图13 　三冲量水位调整方框图
由上面对三冲量系统部分讨论同时我们不能忽略其整定关键性，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，要使控制系统含有良好控制性能，除了必需正确设计以外，还必需正确、仔细整定。三冲量控制系统工程整定方法比较特殊，这里关键结合图14所表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图14所表示。

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，只要调整器是百分比积分动作，那么，在控制过程结束以后被调量就没有静态偏差。对于三冲量系统则不然，即使采取百分比积分调整器，也不一定能确保无差，还必需处理一个输入信号系统静态配合问题。

现在把图14所表示控制系统以传输函数方框图形式重画成图15

图15 三冲量控制系统方框图
图中各符号意义以下：，，，，，——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输系数和时间常数，，——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输函数。——给水调整机构传输系数。——为调整通道和扰动通道传输函数。百分比积分调整器传输函数。
因为采取百分比积分调整器，当调整过程结束后，调整器总输入信号为零，即：

也即：
考虑到在给水系统处于稳态时给水量肯定等于蒸汽量，即W=D，所以有：

假如在额定蒸汽负荷下，调整系数能够使汽包水位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征，即调整过程结束后水位H和负荷D之间关系。

图16 三冲量控制系统静态特征
静特征是直线，图16所表示，直线斜率决定于和选择。假如给水信号和蒸汽流信号一样强，即
则在任何负荷下全部有它就是图中直线（1），直线（2）和（3）分别代表大于或小于情况。
从以上分析能够看出，对于多信号系统，要消除被调量静态偏差，除了必需采取百分比积分调整规律以外，还必需使个输入信号之间保持一定静态配合关系，才能确保系统含有期望静态特征，这是多信号系统不一样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，即分流系数和调整器百分比带及积分时间，上面已经从信号静态配合上讨论了和百分比关系。下面深入讨论怎样在动态整定中最终确定这些参数。
在图11所表示控制系统中，虚线方框所标出内回路是一个流量自稳定系统。因为流量调整系统响应很快，能够近似认为且通常也很小，能够忽略不计，于是有：

此时，整个内回路等效传输函数近似视为：

所以，图11中内环可用来代表，能够看作是外回路中等效调整器，它含有纯百分比动作，等效百分比带为：

从图可见，外回路开环增益和成正比，故大小决定了控制过程进行情况。这里有两个特定参数，能够临时取然后应用合适整定方法确定大小，比如可采取动态特征参数法，在条件下做基础扰动响应特征试验，求得拖延时间和上升速度ε然后依据经验整定公式表得：

通常要求给水量控制要平稳部分，所以可合适加大百分比带，比如取

这么也就确定了给水流量信号强弱。
再由式所要求蒸汽流量信号和给水流量信号之间关系，确定蒸汽流量信号强弱，即

现在再来确定调整器参数。从图十四能够看到，调整器是在内回路中，所以可用单回路整定来确定其参数。
到此为止，已确定了全部整定参数，不过，依据上两式求出值，有时可能大于1，这说明一开始假定偏大，需要同时按百分比地缩小这么做不会影响控制系统性能。
4 工程中需要注意问题
4.1 相关汽包水位测量问题
因为汽包水位波动较大，通常选择平衡容器测量汽包水位。平衡容器连通管中水位一直和汽包水位等高，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，进行热量和水量交换，以求达成汽包内部水体和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对应平衡管正压端水柱压力改变就能真实反应汽包水位改变。
4.2 给水阀选择问题
4.2.1 相关给水调整阀气开气关选择。
相关给水调整阀气开气关选择，通常全部是从安全角度考虑。假如高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机关键负荷，为保护这些设备以选择气开(F．C)阀为宜。假如蒸汽作为工艺生产中热源时，为保护锅炉，以选择气关(F．O)阀为宜。综合起来考虑，通常选带保位装置(F．IJ给水阀，即事故状态该阀停在原位。
4.2.2 相关给水调整阀型号选择。
相关给水调整阀型号选择。因为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，通常给水阀阀芯 阀座选择司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，通常给水阀选择多级高压调整阀，使高压除氧水在流过调整阀多级节流孔后逐步降压，而每级阀芯上只负担一部分压差，使节流后压力在阀部分恢复不到流体饱和蒸汽压力，能够有效避免汽蚀现象，也有效预防了汽蚀引发噪声振动和对阀芯 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假如选择节流装置，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。这么能够降低非线性对系统调整品质影响。若是选择流量变送器则无须加开方器。它们显示仪表量程应选择相同，其范围应比额定蒸汽负荷大部分，以确保锅炉在额定负荷下给水流量有波动余地。
5 结束语
锅炉水位控制方案多个多样，因每台锅炉特征及实际工况不一样而各异，一言以蔽之，智者见智，仁者见仁。本文介绍是使用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动控制多个较为经典方案。现在，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愈加宽广天空。

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．浙江大学硕士论文，

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 This paper has discussed the popular method of control and deeply analyzed the dynamic and static characteristics of the water level based on analyzing the main factors influencing the water level of drum .This paper begins with the balance of heat and substance of water in boiler’s bubble and educes the universal mechanism controlling model to describe the water level of boiler and studies the character of control model of three pulse . Through an analysis of several kinds of control schemes, study and compare, select impulse three system as the optimum control scheme, put forth effort to study the characteristic of impulse three system. Make to parameter in PID it go on essential analysis exactly afterwards,