汽包水位控制方案的比较分析 (一)
2 系统方案的确定
2.1 汽包水位控制方案的比较分析
锅炉汽包水位的控制系统是根据汽包水位的动态特性来设计的。如前所述，引起水位变化的因素主要来自给水量和蒸汽量的阶跃变化，控制器（或调节器）是根据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。汽包水位控制系统根据锅炉的容量、负荷变化的速度及调节精度的要求，通常有位式控制系统、单冲量控制系统、双冲量控制系统、三冲量控制系统等。
2.1.1 汽包水位位式控制系统
位式控制系统如图2-1。系统以锅炉水位为唯一的调节信号，当锅炉水位高于设定的高水位时，控制电路接通并关闭给水泵。当水位低于设定的低水位时，控制电路接通并开启给水泵。这种控制系统使水位在设定的高低水位之间变化，在一定程度上保证了锅炉给水系统的安全。
图2-1 位式控制系统方框图
Fig.2-1 Potential type control system block diagram
由于位式控制系统采用简单的启停水泵的方式来对水位进行控制，因而水位波动较大，控制品质较差，一般应用于小型锅炉，且对控制品质要求不高的场合。然而，由于其控制原理和系统结构简单，整定方便，所以系统成本较低。
2.1.2 比值控制系统
如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用图2-2所示的比值控制系统。其中流量调节器是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪蒸汽量D。
图2-2 比值控制系统方框图
Fig.2-2 Specific value control system block diagram
采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗汽量D，“虚假水位”现象不会引起给水调节机构的误动作。然而，比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水量的`测量不准或者由于锅炉排污及管道泄漏等情况，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，比值控制系统就不能保持汽水平衡。这是因为汽包水位H对于（D-W）来说是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时问的积累中形成很大的水位偏差。所以一般不单独使用比值系统。
2.1.3 单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号。冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成。系统方框图如图 2-3 所示。
图2-3 单冲量控制系统框图
Fig.2-3 Single variable control systems diagram
这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。然而，在其它的场合，尤其是在水停留时间较短，且负荷变化较大的锅炉中，再采用单冲量控制系统就不合适了。这是由于单冲量系统存在如下不可解决的问题：
（1）当负荷变化产生“虚假水位”时，将使控制器反向误动作。例如，蒸汽负荷突然大幅度增加时，将产生迅速上升的“虚假水位”，此时控制器由于只能判断到水位上升，因此就会关小给水阀，而实际上应该要开大给水阀，以使“虚假水位”下降。反之亦然。这种控制方式将使水位波动较大，控制品质变差，严重时还会使汽包水位严重下降而发生事故。因此，单冲量控制系统不能克服“虚假水位”带来的严重后果。
（2）负荷变化时，控制作用缓慢。也就是说，单冲量系统对负荷的变化不灵敏。从负荷变化到水位变化需要一段时间，再由水位变化到调节阀动作又会有一段时间滞后，如果各个变化的时间常数较大，则必然会造成较大的偏差，导致控制品质下降。
（3）对给水系统的扰动不能及时克服。当给水流量出现扰动时，必须要等到水位发生变化后才能进行控制，因此不能及时克服给水流量变化产生的干扰。
为了解决上述这些问题，可以同时再参考蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水调节阀，这就构成了双冲量或三冲量控制系统。
2.1.4 双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。其原理如图2-4所示。
图2-4双冲量控制系统原理图
Fig.2-4 Two variables control system priniple charts
上图中，加法器的输出为：
I=C1IC±C2IF±I0 (2-1)
式中 IC—水位调节器的输出；
IF—蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；
I0—初始偏置值；
C1、C2—加法器系数。
C1一般取1，也可小于1；C2的值应考虑到静态前馈补偿，可现场凑试。C2取正号还是负号要由调节阀的气开或气关形式来确定。调节阀气开与气关的选用，一般从安全生产角度考虑。I0的设置目的是在正常负荷下，使调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。最好在正常负荷下I0值与C2IF 项恰好抵消。
系统方框图如图2-5所示。
图2-5 双冲量控制系统方框图
Fig.2-5 Two variables control system block diagram
引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。系统在负荷变化频繁的工况下能较好地完成水位控制任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。
双冲量水位自动控制系统存在的问题是：
（1）对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。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能保持；
（2）调节阀的工作特性不是完全线性的，因此，要做到静态补偿就比较困难。