根据锅炉实际工艺的汽包水位三冲量调节

张兴俭（深圳达实智能股份有限公司，广东 深圳 518057）

1 引言

锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源的动力设备。锅炉的种类很多，这里主要介绍根据实际工艺需求的循环流化床锅炉汽包水位三冲量调节。汽包水位的自动调节在整个锅炉生产工艺中极为重要，DCS系统逻辑组态的繁简直接影响到生产工艺调节的快慢，也间接影响了锅炉蒸汽的品质，所以说利用锅炉工艺和DCS 系统逻辑巧妙结合可以为生产提供可靠保障和极大便利。

2 锅炉汽水系统工艺分析

对于额定蒸发量220t/h~260t/h 的循环流化床锅炉来说，汽水系统是锅炉重要调节系统之一，如图1所示。

锅炉汽包水位控制的目的就是使锅炉给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包中水位在工艺允许的范围内。所以说汽包水位控制也称为锅炉给水控制。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，容易造成过热器积盐结垢，使管道过热损坏；汽包水位过低，会破坏水循环，严重时会损坏锅炉造成水冷壁爆管直至干锅[1]。根据锅炉汽包水位动态特性，考虑到蒸汽流量和给水流量对水位的影响，分析它们阶跃干扰下汽包水位相应曲线，得出汽包三冲量水位控制方案，即给水流量、蒸汽流量和汽包水位。三冲量液位控制系统如图2所示。

图1 循环流化床汽水系统工艺图

图2 三冲量液位控制系统框图[2]

图2 是常规的水位控制方案，基本上能够满足对汽包水位的控制，但在实际锅炉工艺中存在许多弊端，如逻辑组态繁琐、系统响应慢，尤其对单元制锅炉和母管制锅炉的控制方案要分别对待，具体情况具体分析。

3 霍尼韦尔DCS系统组态在锅炉水位实际工艺中的解决方案

首先，霍尼韦尔DCS系统是一套完整的集散控制系统，它具有完善的功能模块，通过组态可实现各种类型的PID单回路控制、串级控制、前馈控制、纯迟延补偿控制、解耦控制以及顺序控制等[3]。

其次，在锅炉运行工艺中有单元制锅炉运行和母管制锅炉运行之分，如果一台锅炉带一台汽轮机运行的话，我们就叫它单元制，反之多台锅炉的蒸汽管道相连，通过母管带动多台汽轮机运行，我们就叫它母管制运行。

在单元制锅炉运行方式下，锅炉汽包水位调节类似于图2所示的一般控制模式，但又不完全相同，主要反映在DCS SAMA图里的给水流量检测信号与主调节器来的信号相加，再减去蒸汽来的检测信号，再送给副调节器调节。控制方案如图3所示。

图3 单元制锅炉液位三冲量控制系统框图

在图3中，锅炉汽包的水位信号需要先进行水位压力修正，也就是把锅炉左、右侧汽包压力分别引入到汽包水位信号中加以修正计算，如式（1）所示。

其中：P1为汽包水位信号；P2、P3为左、右汽包压力增益和偏置后的信号。在霍尼韦尔DCS组态中，采用RPV模块CALCULTR来运算式（1），运算结果要再经过一个三取中的模块（MID OF 3），取出中间数值信号送到主调节器作为PV值。锅炉给水流量信号是经过流量开方后的信号，即经过FLOWCOMP模块运算后的结果。如式（2）所示。

其中：F为给水流量信号，T为给水温度信号。经过流量开方后的给水流量信号将被送到副调节器作为PV值。锅炉蒸汽流量信号也是经过流量开方后的信号，即经过FLOWCOMP模块运算后的结果。如式（3）所示。

其中：F为锅炉蒸汽出口流量信号，T为主汽温度信号，P为过热器出口压力信号。经过流量开方后的蒸汽流量信号将被送到主调节器作为前馈FF值。在主调节器里修正后的水位信号和修正后的蒸汽流量信号经过主调节器PID模块运算后作为给定值SP送给副调节器，再经过副调节器的PID模块运算后输出给调节阀。

单元制锅炉汽包水位DCS组态如图4所示。

图4 单元制锅炉液位三冲量控制组态图

由于现在电厂多数都是母管制运行的方式，所以如果延续使用单元制的控制逻辑模式，不但会使逻辑运算繁琐，而且很不方便调试运行。下面就介绍一下母管制运行方式下的控制逻辑模式。控制方案如图5所示。

图5 母管制锅炉液位三冲量控制系统框图

首先，母管制锅炉水位调节系统大大简化了控制模式，由原来的两个调节器简化为使用一个调节器来调节副给水调节阀就可以了。其次，在DCS逻辑上汽包水位不用经过压力修正，直接取汽包水位信号经过三取中（MID OF 3）模块运算。锅炉出口蒸汽流量需经过流量开方运算，即经过FLOWCOMP模块运算后的结果。如式（4）所示。

其中：F为高过出口蒸汽流量信号，T为高过出口温度信号，P为高过出口压力信号经过流量开方后的蒸汽流量信号还要经过RPV模块修正，如式（5）所示。

其中：C1=1.0~1.8，P1为式（4）函数值，锅炉给水流量不需经过流量开方，只需要一个RPV模块修正就可以了，如式（6）所示。

其中：C1=1.0~1.8，P1为给水流量信号，经过修正后的蒸汽流量和给水流量再经过RPV模块运算取其差值，如式（7）所示。

图6 母管制锅炉液位三冲量控制组态图

其中：P1为给水流量修正信号，P2为蒸汽流量修正信号。式（7）运算后的值再与汽包水位三取中的值求和，如式（8）所示。

其中：P1为汽包水位三取中信号，P2为式（7）的值由式（8）得出的结果作为PV值送给调节器，调节器再根据SP值和PV值PID运算后控制副给水调节阀。母管制锅炉投入汽包水位自动调节的先决条件是：锅炉运行工况稳定，主调节阀没有大的负荷调节，即主调节阀基本不动作。母管制锅炉汽包水位DCS组态如图6所示。

4 结语

由于多数电站使用母管制锅炉运行方式，所以在锅炉稳定的运行工况下，使用母管制DCS组态方案可以很容易投入汽包水位调节自动，也使DCS系统的自动调节时间大大加快了。

母管制运行方式下的控制逻辑模式,在锅炉负荷稳定的情况下投入自动运行，经过多个项目的现场运行观察汽包水位控制的效果都非常好，既节省了繁琐的组态工作，又方便了调试和运行人员的操作，并且加快了系统响应，得到了用户的广泛好评。

[1] 刘吉臻, 白焰. 汽包锅炉给水控制系统[J]. 电站过程自动化. 2006, 5: 49-51.

[2] 王再英, 刘淮霞等. 工业锅炉自动控制系统[J].过程控制系统与仪表. 2006, 2: 316-320.

[3] 刘国海. 集散控制系统的控制算法[J]. 集散控制与现场总线. 2006, 8: 53-62.