張奠基

摘 要：介紹大容量鍋爐的水位全程自動控制的必要性，及汽包水位全程自動控制的概念、功能及其組成，并詳細(xì)說明各組成部分控制過程。

關(guān)鍵詞：鍋爐 水位 自動控制

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）009-018-03

鍋爐汽包水位是鍋爐運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。鍋爐汽包水位過高或過低都會直接或間接的影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，甚至造成更加嚴(yán)重的后果。

隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對鍋爐水位的控制的就應(yīng)更加先進(jìn)和完善。因?yàn)槠莘e相對于鍋爐容量大大減小，汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積相對減少，從而加快了汽包水位的變化速度，使水位在負(fù)荷或給水流量擾動時的飛升速度大大提高；另外，鍋爐容量的增大，顯著提高了受熱面的熱負(fù)荷，使負(fù)荷變化對水位的影響加劇了；同時隨著鍋爐壓力的提高，給水系統(tǒng)的閥門管道以及給水泵的特性等因素都增加了水位控制的難度。因此，為了適應(yīng)大容量、高參數(shù)機(jī)組從啟動到帶滿負(fù)荷能夠保持理想的鍋爐水位，汽包水位的實(shí)現(xiàn)全程自動控制也就顯得尤為必要。

鍋爐汽包的水位全程自動控制也叫全程給水自動控制。其任務(wù)是控制鍋爐的給水量，使鍋爐的給水量始終與蒸發(fā)量相匹配，從而維持汽包水位在正常范圍內(nèi)，同時保護(hù)鍋爐的水循環(huán)和省煤器等受熱面。其控制對象是水位，因此必須了解水位的動態(tài)特性。

1 鍋爐水位的動態(tài)特性

面下汽泡總?cè)莘e相對減少，所以水位不會馬上升高，經(jīng)過一段時間后才會升高。由于進(jìn)、出汽包的工質(zhì)流量不平衡，最終水位將會直線上升。而主汽流量和燃料量擾動時，都會產(chǎn)生虛假水位。主汽量突增時，鍋爐出口壓力會降低，導(dǎo)致鍋水加速汽化，水面下汽泡總?cè)莘e相對增加，汽水分界面會相應(yīng)提高，但是由于進(jìn)、出汽包的工質(zhì)流量不平衡，最終水位將會下降。同樣燃料量突增時，鍋水的蒸發(fā)量增加，水面下汽泡總?cè)莘e相對增加，汽水分界面也會相應(yīng)提高，但是隨著鍋爐燃燒的增強(qiáng)，汽包的產(chǎn)汽量大于進(jìn)水流量，實(shí)際水位將是呈下降趨勢的。

鑒于上述特性，現(xiàn)代大容量單元機(jī)組的汽包爐一般都采用全程給水控制系統(tǒng)。主要包括：變速給水泵控制系統(tǒng)；給水泵的最小流量控制系統(tǒng)；鍋爐給水啟調(diào)閥控制系統(tǒng)等；同時為了使給水量相對平穩(wěn)，必須要求各種過程的切換是無擾切換。具體切換有同一系統(tǒng)中控制偏差信號的切換；單/三沖量系統(tǒng)之間的切換；閥的切換；給水泵的切換等。

2 給水泵的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

2.1 給水泵的安全工作區(qū)保護(hù)

為保證給水泵的安全運(yùn)行，要求泵必須運(yùn)行在安全工作區(qū)內(nèi)。在流量-壓力曲線上表示如圖4的公共部分。

當(dāng)給水泵出口流量較小時，可以通過最小流量閥來保證其工作在最小流量以上。為了保證給水泵始終運(yùn)行在最大流量極限曲線的左側(cè)必須設(shè)置小流量保護(hù)。

每臺泵出口流量經(jīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換為下限曲線對應(yīng)的最小安全壓力加一定裕量形成安全壓力極限，并與泵出口實(shí)際壓力測量值經(jīng)一階慣性運(yùn)算后的值比較，得到的差值△P轉(zhuǎn)換為百分?jǐn)?shù)。每臺泵對應(yīng)的百份數(shù)經(jīng)小選塊與大值0比較經(jīng)大選后再與泵的轉(zhuǎn)速偏差信號e取小值后才作為給水泵的轉(zhuǎn)速控制偏差信號。由此可見當(dāng)△P<0時，若e>0，則輸出為0，禁止泵繼續(xù)升速，從而保護(hù)泵的安全運(yùn)行

2.2 給水泵的其它控制

由于各泵及給水管道工藝布置不同，使得并列運(yùn)行泵的出口壓力和流量不平衡，所以還應(yīng)該采取一定的措施實(shí)現(xiàn)多臺泵的出力同步功能，另外還應(yīng)根據(jù)不同的運(yùn)行臺數(shù)及時調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益系數(shù)。同時為了使運(yùn)行泵跳閘后，備用泵能夠及時啟動并接帶負(fù)荷，必須保證備用狀態(tài)的泵處于良好的跟蹤狀態(tài)。

3 給水啟調(diào)閥的控制

給水啟調(diào)閥的作用是在啟動和低負(fù)荷時，通過調(diào)整給水啟調(diào)閥的開度來改變給水管道的阻力特性，從而維持一定的給水母管壓力。給水壓力設(shè)定值信號取以下四部分中取大值：

（1）保證給水泵運(yùn)行在最低工作轉(zhuǎn)速以上的最小壓力。

（2）保證任何情況下鍋爐正常上水的壓力（主汽壓力+壓損）。

（3）給水泵的下限特性曲線對應(yīng)的保護(hù)壓力。

（4）保證任何情況下給水壓力能過夠滿足過熱汽減溫水壓力的要求。（主汽壓力+1.5Mp）

4 給水泵最小流量控制

給水泵的最小流量是通過最小流量閥的控制，以保證給水泵工作在上限特性曲線的左側(cè)。給水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速經(jīng)過函數(shù)運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為泵相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的最小流量設(shè)定值Qmin，此值與給水泵實(shí)際流量測量值Q進(jìn)行比較后得到流量偏差△Q?！鱍 =Qmin-Q。當(dāng)△Q>10kg/s時，通過邏輯控制，確保最小流量閥可靠關(guān)閉。當(dāng)△Q<0kg/s時，通過邏輯控制器，使最小流量閥打開并停留在適當(dāng)?shù)奈恢?。為了使小流量閥打開后的開度大于等于最小閥位設(shè)定值，所以大選塊入口加入了最小流量閥位的偏差信號

5 給水壓力調(diào)節(jié)閥（PINCH）閥的控制

給水壓力調(diào)節(jié)閥的作用是在主汽流量>35%ECR，給水啟調(diào)閥關(guān)閉，主給水閥全開的情況下自動維持給水母管壓力始終大于一級過熱器出口蒸汽壓力一定值。從而維持了給水母管壓力和主汽溫度相對穩(wěn)定。當(dāng)鍋爐負(fù)荷在35%-50%ECR區(qū)間時，此壓差值為4Mpa，在50%-100%ECR時，此壓差值為一線性變化量，如圖5。

6 單/三沖量信號的形成和切換

單沖量信號是考慮轉(zhuǎn)速擾動后的水位偏差，和考慮在啟動和低負(fù)荷階段為滿足給水泵的工藝要求而引入的給水壓力偏差信號與設(shè)定值的差值，二者取大。顯然，當(dāng)給水壓力偏差較大時，單沖量信號完全取決于壓力偏差信號的大小。此時給水泵調(diào)速主要是為了維持給水母管的壓力。

三沖量控制信號則由三部分組成即：

（1）汽包水信號測量值經(jīng)壓力校正后與設(shè)定值的差值。

（2）由于汽水流量不平衡程度的變化趨勢而對水位的補(bǔ)償部分。

（3）克服“虛假水位”現(xiàn)象，加入的前饋信號。

單/三沖量信號的切換回路如圖6所示。

當(dāng)主氣流量D小于15%的額定蒸汽流量時，飽和特性的限幅值不為0，允許信號通過。輸出偏差e=e1-e3+e3=e1。當(dāng)主氣流量D大于15%的額定蒸汽流量時，飽和特性的限幅值為0，不允許信號通過。輸出偏差e= e3+0=e3。這樣就實(shí)現(xiàn)了單/三沖量信號的無擾切換

7 給水閥的切換

7.1 啟調(diào)閥切換至主給水閥

切換條件：爐負(fù)荷>35% ECR，啟調(diào)閥開度>75%且三閥切換子回路投自動

切換過程：自動關(guān)PINCH閥至20%，開主給水閥，繼續(xù)關(guān)PINCH閥（約至7-9%），主給水閥全開后，延時10s，全關(guān)啟調(diào)閥并解除自動，PINCH閥根據(jù)給水母管壓力自動調(diào)節(jié)開度。

7.2 主給水閥切至啟調(diào)閥

當(dāng)主蒸汽流量<30% ECR且三閥切換子回路投自動，則自動關(guān)主給水閥，同時將啟調(diào)閥投自動，啟調(diào)閥根據(jù)母管壓力自動調(diào)節(jié)開度，主給水閥全關(guān)后，PINCH閥全開并解除手動。

8 結(jié)論

總之，鍋爐水位全程自動控制過程是一個非常復(fù)雜的過程，它既要滿足在鍋爐的全過程運(yùn)行中保證水位的相對穩(wěn)定，又要保護(hù)好受熱面，同時還得兼顧給水泵的安全運(yùn)行。只有有了可靠而完善的鍋爐水位全程自動控制，才能保證鍋爐系統(tǒng)的正常運(yùn)行，才能適應(yīng)當(dāng)今不斷發(fā)展的大容量、高參數(shù)機(jī)組的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 于洪澤.鍋爐汽包水位自整定模糊PID控制[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008（03）.

[2] 張松蘭，劉延太.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008（14）.