工业锅炉汽包水位控制系统浅析
摘要
工业锅炉在社会的进步和发展上做出了重大贡献，至今在工业生产中都占有很重要的地位，而汽包水位则是工业锅炉生产工艺中一个很重要的控制参数，水位过高和过低都是不允许的，过高会影响汽水分离器正常工作，严重时会造成事故；过低时水循环不能正常进行，可能会烧坏锅炉。本设计简单介绍了工业锅炉基本生产工艺以及工业锅炉汽包水位三种控制方案的特性。 关键词：工业锅炉；汽包水位；控制方案
1.1 课题研究背景
工业锅炉是现代工业生产中能源转换的重要设备，因为我国对工业锅炉生产技术掌握有限，在生产过程中会造成大量的能量损失，大大降低了经济效益。随着微型计算机技术的日益普及，我国工业锅炉技术开始日益成熟，为工业锅炉的生产创造了很好的前景。
锅炉生产过程中的被调节量是汽包水位，调节量是给水流量，通过对给水流量的实时调节来完成汽包内部的动态平衡，当液位在允许范围内波动时，虽然汽包水位会随着给水流量和蒸汽流量积极响应，但当蒸汽流量急剧变化时，却表现出了逆响应特性，也就是产生了虚假水位。导致虚假液位产生的原因是当符合急剧增加时，汽包压力下降，导致汽包内水的沸点降低，沸腾加剧，产生大量的气泡，水位就会升高。汽包水位控制系统本质上就是保证进出水量达到动态平衡的一个系统。它是以汽包水位作为系统平衡与否的控制指标，通过对给水量的控制来达到进出水平衡，使汽包水位维持在一定的范围内，提高锅炉的效率，保证安全的生产。
1.2 工业锅炉国内外研究现状
目前国内外大多采用微型计算机系统来实现对锅炉的控制，因为微型计算机控制系统通过内部的控制过程来实现对系统的控制，人们只需要对程序加以更改，就可以实现锅炉的多种功能，且不需要频繁更改系统硬件。
锅炉作为能源转换与能源消耗的设备已经有超过两百年的历史了，由于历史原因，我国对锅炉自动控制的掌握水平一直都较低，锅炉微型计算机控制是近几年来开发的一项新技术，它是微型计算机硬件、软件、系统自动控制以及锅炉节能等几项技术特定结合的产物。工业锅炉采用微型计算机控制与以前的控制方式相比较有明显的优势，是我们能够直观而集中的看到锅炉各运行参数与运行的状
态。而作为锅炉的操控装置，其主要任务是使锅炉安全、稳定、经济的运行，减轻人力劳动。在微型计算机锅炉控制系统中，设有十分完善的安全机制，能够避免由于人为疏忽而导致的重大事故。
近几年国内锅炉工业的迅猛发展，国外锅炉工业在50年代发展迅猛，70年代达到了高峰。通过单片机来实现锅炉的控制一直是一个典型的问题，随着控制理论与技术的发展，锅炉的自动化控制有了极大的提高，锅炉的自动化控制的发展经历了30年代的单参数控制，40年代的复合参数控制，以及在60年代发展起来的计算机过程控制几个阶段。而通过单片机牢控制锅炉，也是最近几年才发展起来的，这是一个逐渐发展的过程，虽然目前跟其他发达国家相比较还有一定差距，但不可否认，在此方面取得的进步却是很大的。
1.3 目前常用的算法及控制方案
目前，工业锅炉汽包水位的控制通常分为单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统三种方案。
1.3.1 单冲量控制系统
单冲量控制系统是一个典型的单回路控制系统，被控变量是汽包水位，操控变量是锅炉的给水量。该系统结构简单、投资少、适用于小型低压锅炉。当汽包水位偏离设定值时，变送器将测量到的信息送给控制器，按照特定的控制规律来开大或关小阀门，以增加或减少供水量，使汽包水位回到设定值。由于结构简单，蒸汽负荷比较稳定，汽包的容积相对较大，若对蒸汽的要求不十分严格，可以将该系统配上报警联锁装置来满足生产要求。
但是当停留时间短，负荷波动较大时，单冲量控制系统就会有明显的不足了，因为：
1、负荷瞬间有较大变化时，将会产生“虚假液位”，调节器会反向动作，使水位产生剧烈波动，动态品质差；
2、负荷变化时，由于系统响应慢，使得滞后时间长，当停留时间短，水位过程因数很小时，会有很大的偏差；
3、当给水流量产生波动时，只有当水位偏差产生后才能使调节阀动作，动作不够及时，所以提出了双冲量控制系统。
1.3.2 双冲量控制系统
这里的“双冲量”指的是蒸汽流量信号和汽包水位信号两个信号。它是一个前馈-反馈控制系统。水位信号经过系统的水位控制器的输出端返回到了输入端，因此属于反馈控制；蒸汽流量信号没有经过反馈而直接与输出信号相加，所以属于前馈控制方式。当蒸汽负荷变化可能使汽包水位产生大幅度波动时，前馈蒸汽流量信号的引入起着超前控制作用，它在汽包水位出现波动前，使调节阀及时动作，从而减少了蒸汽负荷量变化造成的水位波动，极大提高了控制品质。
但是双冲量控制系统也存在一定的缺点：
1、调节阀工作特性是不完全线性的，这就很难做到静态补偿；
2、对给水系统产生的扰动反应存在滞后，不够及时，所以又引入了给水流量信号，这就构成了三冲量控制系统。
1.3.3 三冲量控制系统
该系统除了汽包水位信号、蒸汽流量信号以外，又增加了一个给水流量信号（＋c），当蒸汽负荷不变，供水量因为压力波动而变化时，加法器的输出随之相应变化，迅速直接调整了阀门开启度。不需要等汽包水位变化了再去由控制器反应调整，从而极大减少了水位的波动，使水位保持在特定范围之内，缩短了反应过渡过程的时间，提高了控制品质。
三冲量水位控制系统，锅炉汽包水位作为主控信号，蒸汽流量作为前馈信号，给水流量作为反馈信号来控制系统的平衡。当水位超出设定的上下限时，可以及时的报警并采取正确的措施，使水位回到设定的范围之内。三冲量控制系统性能优越，有非常完善的功能，能耗小，结构合理先进，维护方便，可靠性高，极大提高了生产效率与经济效益。该系统能实现自动化控制，减少了人工劳动力强度，实用性好，综合性强，保证了锅炉的正常运行。
参考文献
1 辛广路,孙涛等.锅炉运行与操作指南[M].北京:机械工业出版社，2007 2 张浚奎.循环流化床锅炉的控制现状[J].山西电力,2004，6(1)：11—12