淺談鍋爐汽包水位的控制

衛宏源

摘 要：概括了汽包水位經典控制辦法的特點和方案，簡要分析了新的先進汽包水位控制系統的應用，并提出應該根據具體情況科學、合理地選用適當的汽包水位控制系統，合理應用新技術。

關鍵詞：鍋爐；汽包水位；控制；數據

中圖分類號：TK223.1+3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）11-0054-02

隨著社會經濟的發展，對汽包水位的控制要求也在不斷提高。汽包水位的控制既涉及給水流量的測量誤差、蒸汽流量的誤差和水位的波動，同時還要兼顧給水控制的平穩性、可靠性和水位的合理調節。當前，一些汽包水位的控制策略考慮得并不全面，只是考慮到了給水流量和蒸汽流量的測量誤差補償，沒有考慮到測量誤差給整個控制系統帶來的負面影響。

1 鍋爐汽包水位的經典控制辦法

一般來說，鍋爐的給水量和水蒸氣的流量在測量上都存在誤差，嚴重的，汽包里的汽水混合物甚至會進行互相流動，而且由于各種機械的振動，汽包水位也會產生劇烈的震蕩和波動。對汽包水位的控制一般包括單沖量、雙沖量和三沖量。這樣的控制策略相對來說比較簡單，很難滿足各種現代化復雜鍋爐控制和使用的要求。目前，大部分鍋爐汽包水位控制采用的是三沖量水位控制。

1.1 總給水閥門做汽包水位控制閥門

當選用總給水閥門做汽包水位控制閥門時，對系統來說，比較成熟的是串級三沖量控制設計，這也是實際中應用比較廣泛的一種設計。這個系統的控制思路是：用鍋爐汽包水位的測量信號作為主要的控制信號，以構建主調節回路；把蒸汽流量的信號作為前饋信號，構建前饋調節回路；串級信號由總給水量充當，構建副調節回路。這樣，主調節回路、前饋調節回路和副調節回路就一起構成了鍋爐汽包水位串級的三沖量控制形式。我們可以用蒸汽流量的前饋信號來消除虛假水位的現象，這樣就能消除虛假水位給自動控制帶來的負面影響。把給水流量的串級信號引入，就可以消除給水側壓力擾動帶來的負面影響。此系統比較適合汽包水位頻繁變化、要求嚴格的水位控制。同時，這種系統控制不會對信號的靜態配合功能有嚴格的要求，系統的主調節器可以自動矯正信號，消除信號配合不夠準確帶來的誤差。另外，該系統也能夠完成誤差調節，沒有穩態配合的問題。但是，這樣的系統也有不可掩蓋的缺點——參數的整定步驟相對來說比較復雜，無論主環或者副環，如果有一個環發生震蕩或波動，就有可能造成整個系統的崩潰。

1.2 省煤器做汽包水位控制閥門

另一種控制思路是將進省煤器閥做汽包水位控制閥門，這樣的系統相對來說具有獨立的特點，水位控制的思路比較簡單、清晰。該系統把鍋爐汽包水位測量的信號作為主要的控制信號來構建主調節回路；用水蒸氣的流量信號和總給水量作為前饋信號，構建前饋調節回路。這樣，總給水量的流量減去溫水流量就是進省煤器的給水流量和控制回路輸出所構成的副調節回路，也就是串級回路。這樣就由主調節回路、前饋調節回路和副調節回路共同構成了三沖量控制系統。該系統實際上是串級三沖量控制的一種變形形式，它是為了可以在實際應用時能夠更好地滿足工藝技術的要求和需求。這樣的好處是，給水總管閥門全部打開，減溫水閥門和進省煤器閥門能夠分別控制，消除了聯動控制的局限性。在實踐過程中，該系統多用于對汽包水位要求嚴格的系統和虛假水位比較嚴重的系統中。

2 鍋爐汽包水位新型控制策略

2.1 預測函數控制

隨著科技的發展，新的控制技術層出不窮。預測函數控制系統能夠在工業機器人的控制下實現高精確度控制。PFC的關鍵是結構控制的輸入，這可以解決規律不明的控制輸入問題，也有很好的追蹤功能和抗干擾性能。把PFC運用到鍋爐汽包水位控制系統需要對負荷變化情況和對水位的影響進行充分的考慮，把蒸汽流量的信號引入PFC模型中，有很好的動態調節性。這樣的控制系統能夠將預測控制、串級控制和PID控制有效結合起來，充分發揮各種控制系統的優點。內回路可以迅速消除給水流量的擾動，PFC的強魯棒性保證了蒸汽流量的系統參數變化。在設定參數方面，PFC-PID的串級水位控制系統比傳統的串級控制系統更簡單、方便，該系統只需要設定2個參數。

2.2 自校正控制

另一種汽包水位控制方式是自校正控制。此系統由受控對象、參數辨識器和控制器構成。被控制對象具有較強的非線性時，常規控制沒有良好的控制效果，自校正控制系統就可以發揮其獨特的作用。在這樣的系統中，受控對象在初始階段的不確定性會引起參數的變化，系統對受控對象的參數狀態不斷評估、反映和校正，進行實時參數調整，以達到更好的控制效果。此控制系統采用的自校正控制器來控制主汽壓力和水位，在水位控制額外干擾的通道中引入隨機信號，而且將外來干擾加到前饋控制中，但是，在控制的通道中要考慮非線性因素。自校正控制器對復雜的對象有比較好的控制效果，但是算法也比較煩瑣。

鍋爐汽包水位的控制也逐步實現了智能化。其中，綜合專家知識、模仿專家結局問題的智能軟件系統是一個比較好的水位控制系統。在一般情況下，專家控制系統可以離線工作，也可以在線運行，能夠完成實時性的任務工作，不僅能夠做出相對獨立的決策，也能夠在得到反饋信息后做出必要的在線控制動作。根據鍋爐水位的偏差和符合變化等情況，系統會根據一定的規則自動選擇適合的參數，甚至能夠在某些極端情況下實時控制，并且進行轉接控制輸出，使水位盡快回到正常的數值。在結構上，該系統是以主蒸汽流量作為前饋信息，仍是三沖量給水系統，但不同的是，它不同于普通的固定參數控制。參數不是固定的一組，而是按照水位系統動態環境的不同，模仿有經驗的專家，適當地選取合適的參數進行控制，控制參數不會隨著動態的變化而發生改變，這樣可以有效改善控制效果。控制的參數需要根據專家的經驗事先調整好，在實時控制中，控制器會根據受控對象的信息和一定的規則選取參數，這樣做其控制精度更加可靠，實時性更強。在某些極端的條件下，系統能夠對調節閥直接進行規則化的控制，防止系統嚴重惡化，把系統的值拉回正常范圍。在傳統系統中，如果遇到極端情況，往往需要人員手動操作，僅從這一點上看這就是一個明顯的進步。但是，該系統也有不足之處——必須精確地確定對象模型，對操作者的經驗要求比較高，在控制過程中，各種信號量不容易用定量的方式表示。

2.3 神經網絡

隨著學科交流的發展，神經網絡也被應用到水位控制系統中。利用神經元網絡對控制系統進行優化，能夠更好地適應環境的復雜變化，自動修改參數，解決了過程中自動控制的問題。這種控制方法把模型辨識、預測和優化控制與神經網絡結合起來，便是系統的模型。同時，輸入其測量的控制數據，選出最優化的控制數據進行管理和決策，以達到最理想的控制效果。該系統還具有很好的非線性映射能力，可以作為模擬控制對象和預估器。優化控制器的被調變量與精度往往成正比，被調變量小，控制精度就高。在提高控制精度時，常采用將控制約束量加入到控制指標中的做法。

3 結束語

隨著鍋爐水位測量技術的不斷發展，鍋爐汽包水位的測量手段也越來越豐富，汽包水位的測量也更加精確。當前，一些汽包水位控制策略考慮得并不全面，沒有考慮到測量誤差對整個控制系統產生負面影響。在實踐過程中，應該根據具體情況，科學、合理地選用適當的汽包水位控制系統，合理應用新技術解決偏差問題，提高水位測量的精確性。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕