鍋爐汽包水位影響因素及控制方式

黃劍

摘 要： 本文分析了鍋爐汽包水位影響因素及控制方式，介紹了給水量和蒸發量對汽包液位的影響，及鍋爐汽包單沖量、雙沖量、三沖量控制方式。

關鍵詞： 汽包；水位；控制

維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。

1.鍋爐汽包液位的影響因素

鍋爐中常見的事故包括鍋爐缺水、汽水共騰、鍋爐滿水、爐膛爆破、鍋爐超壓、二次燃燒和鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水的事故比例最高，這些事故中大部分是由于汽包液位控制不當引起的，可見鍋爐汽包液位控制在鍋爐設備控制系統中的重要性。現代工業飛速的發展導致用戶對電的需求量越來越大，直接反映在對鍋爐蒸汽流量的需求量上，鍋爐內液位變化率較大，如果控制方法不當很容易造成鍋爐滿水或者鍋爐缺水，產生嚴重的后果。為了解決鍋爐滿水或者鍋爐缺水這兩種極端，就應該讓汽包液位距鍋爐滿水或者鍋爐缺水這兩種極端的留有相同的裕量，即汽包液位應該控制在中線上，此時既不容易滿水又不容易缺水，并且汽包液位在中線時蒸發面積最大，節省了能量，因此應選用汽包中心液位為理想的控制目標。

1.1 鍋爐汽包液位的變化

工業鍋爐的汽包和蒸發管系中貯藏著水和蒸汽，貯藏量的多少是以被控制量液位表征的，而流入汽包的量是給水量，流出汽包的量是蒸汽量，當給水量和蒸汽量相等時，汽包液位就恒定不變。引起液位變化的主要擾動是蒸汽流量和給水流量的變化。

1.2 給水量對汽包液位的影響

在蒸汽量不變的情況下，當突然增大給水量時，此時給水量大于蒸汽量，但由于給水管中水的溫度低于汽包內水的溫度，給水管的水進入汽包后從原有的飽和汽水中吸取了一部分熱量使汽包內的水溫降低，汽包內的氣泡容積就會變小，經省煤器進入汽包的給水，首先必須填補由于汽水管路中汽泡容積和數量的減少而讓出的空間，這時雖然給水量增加，但液位基本不變，這就是剛開始汽包液位并不立即增加而呈現出一段起始慣性段的原因。當液位下汽泡容積和數量的變化趨于穩定時，汽包內液位才會隨給水量的增加而逐漸上升。當液位下汽泡容積和數量不再變化而完全穩定下來時，液位的變化就隨著給水量的增加而直線上升。

1.3 蒸汽量對汽包液位的影響

鍋爐產生的蒸汽經過過熱器和蒸汽閥作用于汽輪機，而汽輪機帶動轉子旋轉，當負荷增大時，對蒸汽的需求量也相應的增大，反之則減小。而我們先討論給水量不變的情況下蒸汽流量對汽包液位的影響。當蒸汽負荷突然增大時，此時給水量不變，液位勢必將下降，而實際情況不然，主要是因為鍋爐蒸汽量突然增大時使爐管和汽包中的水和蒸汽的比例發生變化（蒸汽容積增加）而引起汽包液位上升，此外蒸汽流量突然增加，汽包內壓力下降，汽包中水的沸點下降，沸騰加劇，液位下汽包體積增大，使汽包液位隨壓力下降而升高，這也會導致汽包液位上升，以上兩點就是“虛假液位”現象產生的原因。同理，當蒸汽流量突然減少時，而給水量不變時，汽包液位會先降低后升高。

2.鍋爐汽包液位的控制方式

在液位控制系統中，主要的干擾因素為給水流量和蒸汽流量，針對不同的控制信號可以將鍋爐液位控制系統為單沖量控制系統、雙沖量控制系統和三沖量控制系統。

單沖量控制系統以液位為給定信號，給水量為控制信號，這種控制簡單適用于虛假液位不嚴重、負荷較平穩和汽包容量大的鍋爐系統。雙沖量控制系統為了克服由于蒸汽流量而引起的“虛假液位”現象，在單沖量控制方式基礎上加入蒸汽流量控制信號作為前饋控制信號，構成前饋和反饋相結合的雙沖量控制系統，使給水閥一開始就朝正確的方向動作，同時有助于改善控制系統的靜態特性，提高控制品質，但這種控制系統不能迅速克服給水壓力變化對液位的影響，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應變化，此時只有待液位發生變化后調節器才能起作用，這種系統適用于給水流量變化不大的鍋爐系統。三沖量控制系統是在雙沖量控制系統上引入以給水流量為控制信號的內環負反饋控制，即串級控制，組成了三沖量前饋-反饋串級控制系統。該控制系統綜合了單沖量控制系統和雙沖量控制系統的優點，并且也能克服給水壓力變化和給水流量變化對汽包液位的影響，即三沖量控制系統能及時地調節給水閥開度改變給水流量來跟蹤蒸汽流量的變化，有效地克服“虛假液位”的影響，抑制液位的動態偏差；當蒸汽流量不變時，副回路（串級負反饋控制）可以消除給水流量的自身干擾。

2.1 單沖量控制方式

單沖量水位控制方式是汽包水位自動調節中最簡單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統。此方式將水位測量信號經變送器送到水位調節器水位調節器，根據水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內。

這種控制方式，在停留時間較長，負荷也比較穩定的場合再配上一些聯鎖報警裝置，也可以保證安全操作。但在停留時間較短，負荷變化較大時，采用此方式就不合適。這是由于：

1 ）負荷變化時產生的“虛假水位”，將使調節器反向錯誤動作，負荷增大時反向關

小給水調節閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動很大，動態品質很差。

2 ）負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數很小，偏差必然相當顯著。

3） 給水系統出現擾動時，閥門動作緩慢。假定給水泵的壓力發生變化，進水流量

立即變化，然而到水位發生偏差而調節閥動作，同樣不夠及時。

總之，單沖量汽包水位調節的優點是：系統結構簡單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動后的反應速度比較慢、“假水位”現象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調節是能夠滿足生產要求的。

2.2 雙沖量控制方式

在汽包水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構成了雙沖量控制系統。這樣不僅可以補償“虛假水位”的引起的誤動作，而且使給水調節閥的動作及時。

從本質上看，雙沖量控制系統是一個前饋蒸汽流量加單回路反饋控制系統的復

合控制系統。這種調節系統的特點是：

1）引入蒸汽流量前饋信號可以消除虛“假水位”對調節的不良影響，當蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調節閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。

2）引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節系統的靜態特性，提高調節質量。當

C1、 C2選擇匹配時，系統的靜態特性是無差的。

雙沖量調節由于有以上特點，所以能在負荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位

調節任務。在給水壓力比較平穩時，采用雙沖量調節是能夠達到調節要求的。

雙沖量調節存在的問題是：調節作用不能及時反映給水側的擾動。當給水量擾動時，調節系統等于單沖量調節。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調節。同時調節閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態補償就比較困難。endprint