锅炉汽包水位影响因素及控制方式

黄剑

摘 要： 本文分析了锅炉汽包水位影响因素及控制方式，介绍了给水量和蒸发量对汽包液位的影响，及锅炉汽包单冲量、双冲量、三冲量控制方式。

关键词： 汽包；水位；控制

维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是鍋炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。

1.锅炉汽包液位的影响因素

锅炉中常见的事故包括锅炉缺水、汽水共腾、锅炉满水、炉膛爆破、锅炉超压、二次燃烧和锅炉灭火等。其中以锅炉缺水的事故比例最高，这些事故中大部分是由于汽包液位控制不当引起的，可见锅炉汽包液位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。现代工业飞速的发展导致用户对电的需求量越来越大，直接反映在对锅炉蒸汽流量的需求量上，锅炉内液位变化率较大，如果控制方法不当很容易造成锅炉满水或者锅炉缺水，产生严重的后果。为了解决锅炉满水或者锅炉缺水这两种极端，就应该让汽包液位距锅炉满水或者锅炉缺水这两种极端的留有相同的裕量，即汽包液位应该控制在中线上，此时既不容易满水又不容易缺水，并且汽包液位在中线时蒸发面积最大，节省了能量，因此应选用汽包中心液位为理想的控制目标。

1.1 锅炉汽包液位的变化

工业锅炉的汽包和蒸发管系中贮藏着水和蒸汽，贮藏量的多少是以被控制量液位表征的，而流入汽包的量是给水量，流出汽包的量是蒸汽量，当给水量和蒸汽量相等时，汽包液位就恒定不变。引起液位变化的主要扰动是蒸汽流量和给水流量的变化。

1.2 给水量对汽包液位的影响

在蒸汽量不变的情况下，当突然增大给水量时，此时给水量大于蒸汽量，但由于给水管中水的温度低于汽包内水的温度，给水管的水进入汽包后从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量使汽包内的水温降低，汽包内的气泡容积就会变小，经省煤器进入汽包的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡容积和数量的减少而让出的空间，这时虽然给水量增加，但液位基本不变，这就是刚开始汽包液位并不立即增加而呈现出一段起始惯性段的原因。当液位下汽泡容积和数量的变化趋于稳定时，汽包内液位才会随给水量的增加而逐渐上升。当液位下汽泡容积和数量不再变化而完全稳定下来时，液位的变化就随着给水量的增加而直线上升。

1.3 蒸汽量对汽包液位的影响

锅炉产生的蒸汽经过过热器和蒸汽阀作用于汽轮机，而汽轮机带动转子旋转，当负荷增大时，对蒸汽的需求量也相应的增大，反之则减小。而我们先讨论给水量不变的情况下蒸汽流量对汽包液位的影响。当蒸汽负荷突然增大时，此时给水量不变，液位势必将下降，而实际情况不然，主要是因为锅炉蒸汽量突然增大时使炉管和汽包中的水和蒸汽的比例发生变化（蒸汽容积增加）而引起汽包液位上升，此外蒸汽流量突然增加，汽包内压力下降，汽包中水的沸点下降，沸腾加剧，液位下汽包体积增大，使汽包液位随压力下降而升高，这也会导致汽包液位上升，以上两点就是“虚假液位”现象产生的原因。同理，当蒸汽流量突然减少时，而给水量不变时，汽包液位会先降低后升高。

2.锅炉汽包液位的控制方式

在液位控制系统中，主要的干扰因素为给水流量和蒸汽流量，针对不同的控制信号可以将锅炉液位控制系统为单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。

单冲量控制系统以液位为给定信号，给水量为控制信号，这种控制简单适用于虚假液位不严重、负荷较平稳和汽包容量大的锅炉系统。双冲量控制系统为了克服由于蒸汽流量而引起的“虚假液位”现象，在单冲量控制方式基础上加入蒸汽流量控制信号作为前馈控制信号，构成前馈和反馈相结合的双冲量控制系统，使给水阀一开始就朝正确的方向动作，同时有助于改善控制系统的静态特性，提高控制品质，但这种控制系统不能迅速克服给水压力变化对液位的影响，因为当给水压力波动时，给水流量将相应变化，此时只有待液位发生变化后调节器才能起作用，这种系统适用于给水流量变化不大的锅炉系统。三冲量控制系统是在双冲量控制系统上引入以给水流量为控制信号的内环负反馈控制，即串级控制，组成了三冲量前馈-反馈串级控制系统。该控制系统综合了单冲量控制系统和双冲量控制系统的优点，并且也能克服给水压力变化和给水流量变化对汽包液位的影响，即三冲量控制系统能及时地调节给水阀开度改变给水流量来跟踪蒸汽流量的变化，有效地克服“虚假液位”的影响，抑制液位的动态偏差；当蒸汽流量不变时，副回路（串级负反馈控制）可以消除给水流量的自身干扰。

2.1 单冲量控制方式

单冲量水位控制方式是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。它引入汽包水位作为反馈量，是典型的单回路定值控制系统。此方式将水位测量信号经变送器送到水位调节器水位调节器，根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。

这种控制方式，在停留时间较长，负荷也比较稳定的场合再配上一些联锁报警装置，也可以保证安全操作。但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于：

1 ）负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关

小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差。

2 ）负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。

3） 给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量

立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。

总之，单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。

2.2 双冲量控制方式

在汽包水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。如果引入蒸汽流量来校正，就构成了双冲量控制系统。这样不仅可以补偿“虚假水位”的引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时。

从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈蒸汽流量加单回路反馈控制系统的复

合控制系统。这种调节系统的特点是：

1）引入蒸汽流量前馈信号可以消除虚“假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。

2）引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当

C1、 C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。

双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位

调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。

双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。endprint