(兰州西固热电有限责任公司甘肃省兰州市730060)
摘要：本文作者以兰州热电有限责任公司2×142MW机组锅炉运行中汽包水位为例，主要介绍了蒸汽锅炉泡包水位控制的重要性，锅炉水位变化的干扰因素，提出了汽包水位控制的几种类型及方案。
关键词：蒸汽锅炉；汽包；水位；水位控制；冲量
锅炉是石油、化工、发电等工业企业必不可少的重要动力设备。它既是为工业生产各部门提供动力的关键设备，又是为工业生产各部门提供热源的关键设备。因此，为了安全生产，就必须确保锅炉的安全运行，而对锅炉的相应控制是达到这一目的的有效手段。本文就汽包水位的控制做了一点探讨。
一、汽包水位控制的重要性
锅炉汽包水位是确保安全生产和提高优质蒸汽的重要变量。尤其对于大型锅炉，其蒸发量明显要高，汽包容积相对较小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成满水或者减水，甚至造成干锅。前者将使蒸汽带水，影响蒸汽品质，且长期运行会使过热器结垢；后者会引起锅炉爆炸的危险。
因此，汽包的水位必须严格控制在规定范围之内。
二、锅炉水位变化的主要干扰因素
锅炉水位的主要干扰因素有供水量的变化、蒸汽负荷量的变化及炉膛热负荷的变化。
锅炉的汽水系统原理图如图1所示
图1
1）给水流量对水位的干扰据图1分析，在平衡状态突然加大给水量，虽然给水量大于蒸汽量，但由于温度较低的给水进入水循环系统后，要从原有饱和汽水中吸取一部分热量，使得水面下汽包容积有所减少，进入水系统的水首先去填补汽水管路中汽包所（图1）锅炉汽水系统原理图让出的空间，只有当汽包容积不再变化时，水位才随给水量的增加呈线性上升。由上述分析，给水量扰动时，水位调节对象有一定的惯性与滞后。
2）蒸汽负荷对水位的干扰，当蒸汽用户设备用汽量量突然增大，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，但由于蒸汽负荷量突然增大时，汽包中压力减小，汽水循环管路中的汽化强度增加，蒸发面以下汽包容积增加，因而在蒸汽负荷量突然增大的起始瞬间，液位不会下降，反而上升。出现“虚假液位”现象，只有当汽包容积与负荷相应达到稳定后，水位才能反映出物料的不平衡，开始下降。因此，蒸汽流量扰动时，非但没有自平衡能力，而且存在“虚假现象”，在控制系统的设计中必须予以考虑
3）炉膛热负荷对水位的干扰，当燃料量突然增大时，传给锅炉的热必然增加，上升管中的蒸发强度增大，蒸发面下的汽包膨胀，使得液位上升，因而带来了蒸汽量及汽包压力的增加，但此时给水量并未增加，因此，这种液位变化也属于“虚假水位”。但是热负荷由蒸汽压力控制系统来保证，因而它的影响是次要的。
三、锅炉汽包水位控制系统及使用范围
目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案有单冲量水位控制系统、双冲量控制水位控制系统及三冲量水位控制系统。锅炉水位的控制方案应根据锅炉系统的具体情况选择。
1）单冲量水位控制系统
单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象、测量变送单元、调节器和执行器组成，通过给水流量调节汽包液位，这里指的单冲量即汽包液位。其控制方案如图2所示。
该控制方案系统结构简单，投资少，易实现。但它不能克服“虚假液位”的影响，而且不能及时反映给水量的扰动，控制作用迟缓，因此，只适用于小型低压锅炉。
2）双冲量水位控制系统
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信号引入控制系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调节特性，提高调节质量，且投资增加不多，其控制方案如图3所示。
该控制方案依旧存在不能及时反映给水量流量对水位调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。
3）三冲量水位控制系统
汽包水位三冲量调节系统是指汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号作用于调节器上，即三个被控变量对应一个调节器。
工作原理：汽包水位作为主信号，水位变化，调节器输出发生变化，继而改变给水流量，使水位恢复到给定值，蒸汽流量作为前馈信号，防止“虑假水位”使调节器产生错误的动作，给水流量作为反馈信号，使调节器在水位还来变化时就可根据前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用。
锅炉三冲量控制原理及调节过程。
原理:冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统口液位控制器与流量控制器构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水流量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动是引起汽包液位变化的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入流量控制器使给水流量作相应的变化，所以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。
调节过程:根据串级控制系统选择主、副控制器的正、反作用的原则，水位控制器反作用选反作用，流量控制器为正作用，调节器为气关阀。当水位由干扰动而升高时，因水位控制器反作用，它的输出下降，进入加法器后，使给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水流量减小，水位下降，保持在设定值上;当蒸汽流量增加时，流量控制器给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水流量增加，保持水蒸汽平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步地稳定了水位的自动控制;给水流量增加，流量控制器输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸汽平衡。
综上所述一般情况下锅炉容量越大，汽包的相对水位容量就越小，允许的水位波动就越小，如果给水中断，就可能在极短的时间内发生危险水位，这就要求水位的控制必须能够及时反映给水流量对水位的干扰。为此在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制，就构成了所谓的三冲量水位控制系统。该系统中，汽包水位是控量，是主冲量信号，而蒸汽流量和给水流量三部量水位控制系统是二个辅助冲量信号，通过二个辅助冲量的引入，即克服了“虚假液位”对控制质量的影响又能及时反映出给水量对水位的干扰，克服了控制过程中的滞后现象。因此，对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。
四、锅炉汽包水位控制应注意的几点问题
1）从安全角度考虑，正确选择给水调节的启开和启闭形式。给水流量不应忽大忽小，尽量线性变化，以保证汽包水位在规程范围内。
2）水位变送器若选用差压式，为使仪表值与水位高低趋向一致，应考虑带负迁移机构。
3）引入蒸汽流量前反馈补偿，应注意前反馈放大系统不能过大，以便照顾水位控制的要求。
4）在调整汽包水位时，司炉操作应全面从主汽压力、蒸汽流量、给水流量还应做好如压力突变、磨煤机带粉、启停给粉机等原因，应做到提前考虑。
五、结语
锅炉汽包水位的控制是锅炉设备安全运行的重要手段，经过多年的实践，其水位控制方案已较为成熟，随着自动控制技术的不断发展，会为锅炉设备控制系统的进一步改善提供有力的技术支持。
参考文献：
[1]陆德民，石油化工自动控制设计手册，北京：化学工、Ⅰ出版社，2000，
[2]于鹏娟，王付生三冲量给水控制系统实际应用分析山东电力技术2003.2：44-45