簡(jiǎn)析鍋爐汽包水位控制

丁 丹

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

簡(jiǎn)析鍋爐汽包水位控制

丁 丹*

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

介紹鍋爐汽包的水位控制系統(tǒng)及儀表選擇。

汽包水位 三沖量 串級(jí)

1 簡(jiǎn)述汽包水位過高或過低的影響

鍋爐汽包水位的控制必須精確。汽包水位過高，影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，分離效果下降，導(dǎo)致蒸汽中水分過多，蒸汽質(zhì)量下降，含鹽量增加，致使管子容易過熱產(chǎn)生爆管，嚴(yán)重時(shí)蒸汽大量帶水，過熱氣溫急劇下降，汽輪機(jī)、蒸汽管道金屬溫度劇變，發(fā)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力和熱變形，甚至發(fā)生水沖擊，導(dǎo)致設(shè)備損壞；汽包水位過低時(shí)，致使下降管進(jìn)口帶汽、循環(huán)流動(dòng)壓頭降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫過熱，嚴(yán)重缺水時(shí)，還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故。因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)汽包水位的監(jiān)控，并采取先進(jìn)的控制方案進(jìn)行合理控制。

2 汽包水位控制形式的選擇

由于鍋爐給水對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性在不同負(fù)荷時(shí)是不一樣的，因此在高、低負(fù)荷時(shí)要采用不同形式的系統(tǒng)。低負(fù)荷時(shí)，機(jī)組處于滑壓運(yùn)行過程，參數(shù)較低，負(fù)荷變化范圍小，虛假水位不太嚴(yán)重，因此可以考慮采用單沖量控制系統(tǒng)，而在高負(fù)荷時(shí)因虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重，為了保證調(diào)節(jié)質(zhì)量，要求采用三沖量控制系統(tǒng)。即隨著負(fù)荷的增長和下降，系統(tǒng)要從單沖量過渡到三沖量或從三沖量過渡到單沖量系統(tǒng)。

3 簡(jiǎn)述串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)

串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理方框圖見圖1。

這是一個(gè)帶有前饋補(bǔ)償?shù)拇?jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它由主調(diào)節(jié)器PI2和副調(diào)節(jié)器PI3串聯(lián)構(gòu)成。由圖可以看出系統(tǒng)中存在兩個(gè)閉環(huán)和一個(gè)開環(huán)。由PI3、給水系統(tǒng)、γW、αW構(gòu)成的閉環(huán)稱為系統(tǒng)的副回路；由汽包、γH、PI2和整個(gè)副回路構(gòu)成的閉環(huán)稱為系統(tǒng)的主回路。前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)為開環(huán)結(jié)構(gòu)，D信號(hào)經(jīng)γD轉(zhuǎn)換和αD運(yùn)算后作用于副調(diào)節(jié)器PI3入口。

圖1 串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理

水位信號(hào)H是系統(tǒng)的被調(diào)量信號(hào)，作用于主調(diào)節(jié)器PI2入口，用以校正水位的最終偏差，使其等于給定值。相對(duì)于調(diào)節(jié)變量W而言，當(dāng)H上升時(shí)要減少給水流量W；當(dāng)H下降時(shí)應(yīng)增大給水流量W，兩信號(hào)的作用方向相反，所以在主調(diào)節(jié)器PI2入口處用負(fù)極性來表示。主調(diào)節(jié)器主要是通過副調(diào)節(jié)器對(duì)水位進(jìn)行校正，使水位保持在給定值；主回路用于直接控制水位，一般采用比例積分調(diào)節(jié)。

副調(diào)節(jié)器除接受主調(diào)節(jié)器信號(hào)IH外，還接受給水流量信號(hào)IW和蒸汽流量信號(hào)ID。副調(diào)節(jié)器的作用主要是通過內(nèi)回路進(jìn)行蒸汽流量D和給水流量W的比值調(diào)節(jié)，并快速消除水側(cè)和汽側(cè)的擾動(dòng)。給水流量信號(hào)W位于副回路閉環(huán)之內(nèi)是反饋信號(hào)，在副調(diào)節(jié)器PI3入口的極性應(yīng)為負(fù)極性；副回路是流量系統(tǒng)，可以采用比例或者比例積分調(diào)節(jié)。

蒸汽流量信號(hào)D為系統(tǒng)的前饋信號(hào)，作用于副調(diào)節(jié)器PI3入口，形成前饋調(diào)節(jié)通道，其主要作用在于克服虛假水位現(xiàn)象，減少調(diào)節(jié)過程中水位的動(dòng)態(tài)偏差。相對(duì)于調(diào)節(jié)變量W而言，當(dāng)D增加時(shí)，為了使水位H不變，應(yīng)使給水流量W也增大，反之亦然，故在副調(diào)節(jié)器PI3入口處，D信號(hào)為正極性的。

串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：① 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，參數(shù)整定相對(duì)獨(dú)立。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏差，副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量與蒸汽流量平衡。給各整定值的整定工作帶來很大的便利條件；② 在負(fù)荷變化時(shí)，水位穩(wěn)定值是靠主調(diào)節(jié)器PI2來維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度按所謂“靜態(tài)配比”來進(jìn)行整定。恰恰相反，可根據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來適當(dāng)調(diào)整蒸汽流量的作用強(qiáng)度，更好的消除虛假水位的影響，改善蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下水位控制的品質(zhì)。

4 串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)信號(hào)的靜態(tài)配合參數(shù)整定

由圖1可見，在副調(diào)節(jié)器入口的平衡條件為：

△W=IH+ID-IW-IO

但在不少工程中副調(diào)節(jié)器的入口并不設(shè)計(jì)IO偏置信號(hào)，即，

△W=IH+ID-IW=0

在這種情況下若有關(guān)參數(shù)設(shè)置不適當(dāng)，就會(huì)破壞系統(tǒng)正常工作。在靜態(tài)條件下，當(dāng)ΔW為0時(shí)，即，

IH=IW-ID

如果設(shè)置αW、αD使得IW等于ID，并設(shè)置IH的變化范圍為0%～100%，就會(huì)出現(xiàn)控制信號(hào)的單邊阻塞問題，即靜態(tài)時(shí)IH=0，這時(shí)IH只有一個(gè)方向上可以變化，另一個(gè)方向上IH失去對(duì)副調(diào)節(jié)器的控制作用。解決這個(gè)問題實(shí)際上有三種辦法：① 加偏置信號(hào)IO，設(shè)置其30%～50%；② IH的變化范圍設(shè)置為±100%；③ 置αD、αW，使得ID>IW，比如ID/IW=2。

具體選用哪種方法可視實(shí)際情況決定。

整定參數(shù)一般原則：① 兩個(gè)調(diào)節(jié)器任務(wù)不同，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給水流量擾動(dòng)時(shí)，迅速動(dòng)作使給水量保持不變。當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，迅速改變給水量，保持給水和蒸汽量的平衡。兩個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定可以相對(duì)獨(dú)立，內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)速度要快。可考慮副調(diào)節(jié)器為純比例調(diào)節(jié)，比例系數(shù)K2應(yīng)取得較大些；② 給水流量信號(hào)靈敏度αW會(huì)影響主、副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。比如當(dāng)保證內(nèi)回路不發(fā)生振蕩而使αW減小時(shí)，應(yīng)相應(yīng)地減少主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K1，以保證主回路的穩(wěn)定性；③ 蒸汽流量信號(hào)不一定與給水流量信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格的配合，可視鍋爐的“虛假水位”情況而定，適當(dāng)調(diào)整蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度。比如蒸汽流量信號(hào)αD取1，給水流量信號(hào)αW可視情況取0.5～1。

5 鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)的檢測(cè)儀表簡(jiǎn)述

汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確與否直接影響著發(fā)電機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。汽包水位測(cè)量裝置一般采用云母水位計(jì)、電接點(diǎn)測(cè)量筒和平衡容器。這三種測(cè)量裝置都存在一定的測(cè)量誤差，需要認(rèn)真分析誤差來源，采用正確和嚴(yán)密的水位測(cè)量計(jì)算方法，最大限度地消除測(cè)量誤差，提高水位測(cè)量的準(zhǔn)確度。由于鍋爐汽包水位對(duì)象的復(fù)雜性，以及聯(lián)通管式和差壓式測(cè)量原理的固有特性，決定了汽包水位測(cè)量的復(fù)雜性以及實(shí)際運(yùn)行中存在著許多不確定性因素和較大的測(cè)量誤差，以致多個(gè)汽包水位計(jì)間常常有很大偏差，使運(yùn)行人員無所適從，甚至釀成事故。

5.1 云母水位計(jì)

云母水位計(jì)是鍋爐汽包一般都裝設(shè)的就地顯示水位表，它是利用水位計(jì)中的水柱與汽包中的水柱在聯(lián)通管處有相等的靜壓力，從而可以用水位計(jì)中的水柱高度來間接反映汽包中的水位

基于聯(lián)通管式原理的云母水位計(jì)顯示的水柱值不僅低于鍋爐汽包內(nèi)的實(shí)際水位，而且受汽包內(nèi)的壓力、水位、壓力變化速率以及水位計(jì)環(huán)境條件等諸多因素影響，水位計(jì)顯示值和汽包內(nèi)實(shí)際水位間不是一個(gè)確定的、一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，即使我們按額定工況將水位計(jì)下移而使汽包正常水位時(shí)，水位計(jì)恰好在零水位附近，但是當(dāng)工況變化時(shí)，仍將產(chǎn)生不可忽略的偏差。曾經(jīng)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)，鍋爐運(yùn)行時(shí)要求不管在什么情況下，都要求以上述聯(lián)通管式水位計(jì)作為基準(zhǔn)儀，實(shí)際上誤差很大。

5.2 電接點(diǎn)水位計(jì)

電接點(diǎn)水位計(jì)是一種電氣式水位測(cè)量?jī)x表，它將水位直接轉(zhuǎn)換成不連續(xù)的相應(yīng)數(shù)目的電接點(diǎn)信號(hào)。這種水位計(jì)組成的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理簡(jiǎn)單，電接點(diǎn)信號(hào)可以遠(yuǎn)傳，時(shí)延很小，不存在儀表的機(jī)械變差和分度誤差以及不存在儀表復(fù)雜的校驗(yàn)和調(diào)整，顯示直觀，可靠性高，是火電廠鍋爐汽包、高壓加熱器、除氧器水位測(cè)量中普遍應(yīng)用的一種水位計(jì)。

5.3 差壓式水位計(jì)

差壓式水位計(jì)是通過把水位高度的變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化來測(cè)量水位，因此，其測(cè)量?jī)x表就是差壓計(jì)。差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位的關(guān)鍵是水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)化是通過平衡容器形成參比水柱來實(shí)現(xiàn)的。目前，國內(nèi)外最常用的是通過單室平衡容器下的參比水柱形成差壓來測(cè)量汽包水位。

6 結(jié)語

汽包是鍋爐機(jī)組的主要設(shè)備之一，是鍋爐中體積最大的承壓元件。汽包內(nèi)的水位是影響發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的重要因素。水位波動(dòng)頻繁及范圍較大，會(huì)使汽包所承受的熱應(yīng)力也隨之波動(dòng)變化，而應(yīng)力變化幅度較大，會(huì)增大汽包的壽命損耗。同時(shí)，汽包在鍋爐中地位重要，更換困難，若發(fā)生損壞，將嚴(yán)重影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。此外，水位過高會(huì)影響汽水分離裝置正常工作，導(dǎo)致蒸汽帶水嚴(yán)重，使過熱器管壁結(jié)垢，汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊造成葉片斷裂等事故；水位過低，則會(huì)破壞水循環(huán)，以致燒壞某些受熱面，嚴(yán)重時(shí)引起鍋爐爆炸。

綜上所述，鍋爐汽包的水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要因素之一，所以鍋爐給水自動(dòng)控制是鍋爐運(yùn)行的迫切要求，保證給水控制系統(tǒng)的正常投入對(duì)提高發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)性、競(jìng)爭(zhēng)力具有十分顯著的作用。

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*丁 丹：助理工程師。2012年畢業(yè)于華北電力大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)。從事工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：(0551)63696970，E-mail：dingdan@chinaecec.com.

2017-02-22)