淺談?wù)羝�鍋爐汽包液位自動(dòng)控制
王贇
鍋爐計(jì)算機(jī)控制，是近年來(lái)開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，我國(guó)現(xiàn)有中、小型鍋爐30多萬(wàn)臺(tái)，每年耗煤量占我國(guó)原煤產(chǎn)量的1/3，目前大多數(shù)工業(yè)鍋爐仍處于能耗高、浪費(fèi)大、環(huán)境污染等嚴(yán)重的生產(chǎn)狀態(tài)。提高熱效率，降低耗煤量，用微機(jī)進(jìn)行控制是一件具有深遠(yuǎn)意義的工作。
一、 控制的目的及意義
作為鍋爐控制裝置，其主要任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用微計(jì)算機(jī)控制，能對(duì)鍋爐進(jìn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)功能。鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，它不僅調(diào)節(jié)量多，而且各種量之間相互聯(lián)系，相互影響，相互制約，鍋爐內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換機(jī)理比較復(fù)雜，所以要對(duì)鍋爐建立一個(gè)較為理想的數(shù)學(xué)模型比較困難。為此，把鍋爐系統(tǒng)作了簡(jiǎn)化處理，化分為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其主要是以下三個(gè)部分：爐膛負(fù)壓為主調(diào)量的特殊燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，鍋爐水位調(diào)節(jié)單元，除氧器壓力和水位調(diào)節(jié)。
給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持汽包水位在允許范圍內(nèi)。它以汽包水位為被控制量，以調(diào)節(jié)給水流量作為手段。由于汽包水位同時(shí)受鍋爐側(cè)和輪機(jī)側(cè)的影響，因此當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或用汽量變化時(shí)，給水控制系統(tǒng)都應(yīng)能限制汽包水位只在給定的范圍內(nèi)變化。
以上控制系統(tǒng)一般由PLC或其它硬件系統(tǒng)完成控制，而在上位計(jì)算機(jī)中要完成以下功能：
實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)：為全面掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，監(jiān)控系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集鍋爐有關(guān)的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等。系統(tǒng)具有豐富的圖形庫(kù)，通過(guò)組態(tài)可將鍋爐的設(shè)備圖形連同相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)顯示在畫面上；除此之外，還能將參數(shù)以列表或分組等形式顯示出來(lái)。
綜合分析及時(shí)發(fā)出控制指令：監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)到的鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，按照設(shè)定好的控制策略，發(fā)出控制指令，調(diào)節(jié)鍋爐系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行，從而保證鍋爐高效、可靠運(yùn)行。
診斷故障與報(bào)警管理：主控中心可以顯示、管理、傳送鍋爐運(yùn)行的各種報(bào)警信號(hào)，從而使鍋爐的安全防爆、安全運(yùn)行等級(jí)大大的提高。為保證鍋爐系統(tǒng)安全、可靠地運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)將根據(jù)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行故障診斷，一旦發(fā)生故障，監(jiān)控系統(tǒng)將及時(shí)在操作員屏幕上顯示報(bào)警點(diǎn)。報(bào)警相關(guān)的顯示功能使用戶定義的顯示畫面與每個(gè)點(diǎn)聯(lián)系起來(lái)，這樣，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，操作員可立即訪問(wèn)該報(bào)警點(diǎn)的詳細(xì)信息和按照所推薦采取的應(yīng)急措施進(jìn)行處理。
歷史記錄運(yùn)行參數(shù)：監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)將維護(hù)鍋爐運(yùn)行參數(shù)的歷史記錄，另外監(jiān)控系統(tǒng)還設(shè)有專門的報(bào)警事件日志，用以記錄報(bào)警事件信息和操作員的變化等。歷史記錄的數(shù)據(jù)根據(jù)操作人員的要求，系統(tǒng)可以顯示為瞬時(shí)值，也可以為某一段時(shí)間內(nèi)的平均值。歷史記錄的數(shù)據(jù)可有多種顯示方式，例如曲線、特定圖形、報(bào)表等顯示方式；此外歷史記錄的數(shù)據(jù)還可以由以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的多種應(yīng)用軟件所應(yīng)用。
計(jì)算運(yùn)行參數(shù)：鍋爐運(yùn)行的某些運(yùn)行參數(shù)不能夠直接測(cè)量，如年運(yùn)行負(fù)荷量、蒸汽耗量、補(bǔ)水量、冷凝水返回量、設(shè)備的累積運(yùn)行時(shí)間等。監(jiān)控系統(tǒng)提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)處理算法，根據(jù)所測(cè)得的運(yùn)行參數(shù)，將這些導(dǎo)出量計(jì)算出來(lái)。
二 、汽包水位被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性
汽包的流入量（即給水量）W由給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，而流出量（即蒸汽用汽量）D由蒸汽流量調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)。與單容水箱不同，汽包水位H不僅反映了流入量和流出量間的平衡關(guān)系，而且還受到液面下汽包體積的影響。因?yàn)樵谒�循環(huán)系統(tǒng)中充滿著帶有大量蒸汽汽泡的水，由于某種原因使蒸汽汽泡的體積發(fā)生變化，即使汽包的流入量和流出量君沒(méi)有發(fā)生變化，水位也會(huì)改變。而汽泡的體積受汽包壓力和爐膛負(fù)荷的影響。因此作為一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象，其擾動(dòng)主要有如下三個(gè)：給水量W，它是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量，即基本擾動(dòng)；蒸汽量；燃料量。
1.給水流量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特征
在給水流量階躍變化時(shí)，如果僅僅考慮流入量和流出量的不平衡關(guān)系，則它相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)。但由于給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，當(dāng)“冷”的給水進(jìn)入汽包后，吸收了原有的飽和水中的一部分熱量，使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降，液面下的汽包體積減小，使水位下降。單考慮這個(gè)因數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。實(shí)際水位它是一個(gè)無(wú)自平衡能力的對(duì)象。
2.蒸汽流量擾動(dòng)下汽包水位的動(dòng)態(tài)特性
在蒸汽流量的階躍擾動(dòng)下，單從汽包流入量和流出量的平衡關(guān)系來(lái)考慮，流出量D的階躍增加將使水位之下下降。但D的增加，使汽包壓力下降，液面下汽包膨脹，汽包體積的增大將使水位升高。實(shí)際水位變化為上述這兩種作用的和。
當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，雖然汽包的進(jìn)水量小于蒸發(fā)量，但在開始的一段時(shí)間內(nèi)，水位不僅不下降，反而迅速上升。這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”。虛假水位是由于汽包出口蒸汽流量突然增加導(dǎo)致汽包蒸汽空間的壓力突然下降，水空間中的汽泡容積很快增加而形成的。當(dāng)水面下汽泡的容積與負(fù)荷相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，水位就主要隨給水量和用汽量的不平衡而下降。虛假水位的變化與鍋爐的汽壓和蒸發(fā)量變化的大小有關(guān)，而與給水流量無(wú)關(guān)。
三、 控制方案的確定
給水控制系統(tǒng)常采用三沖量系統(tǒng)。所謂三沖量，是指主蒸汽流量（汽包出口流量）、汽包水位和給水流量這三個(gè)信號(hào)，其中主蒸汽流量信號(hào)反映了用汽量對(duì)水位的影響。由于大型鍋爐存在嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)給水自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)必須予以考慮。給水控制系統(tǒng)有多種不同的設(shè)計(jì)方案。常用的系統(tǒng)有單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)（前饋—反饋控制系統(tǒng)）和串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)。
四、 系統(tǒng)運(yùn)行狀況
在系統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)備運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，內(nèi)環(huán)給水流量變送器最先將流量狀態(tài)參數(shù)輸送到調(diào)節(jié)器，在與設(shè)定值相比較之后由調(diào)節(jié)器將調(diào)節(jié)命令傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)電磁閥的開度控制給水流量，最先消除給水流量擾動(dòng)帶來(lái)的系統(tǒng)不平衡。接著處理由蒸汽流量變送器傳輸?shù)恼羝�流量擾動(dòng)信號(hào)，在影響汽包水位變化前調(diào)節(jié)電磁閥開度，消除由蒸汽流量擾動(dòng)引起的系統(tǒng)不平衡。最后接收到液位測(cè)量?jī)x表的測(cè)量信號(hào)，與汽包水位允許波動(dòng)范圍值相比較，由調(diào)節(jié)器作出相應(yīng)處理反映，調(diào)節(jié)電磁閥以實(shí)現(xiàn)汽包水位在允許波動(dòng)值范圍內(nèi)。
通過(guò)這三沖量信號(hào)的疊加、綜合輸入，避免了控制措施在時(shí)間上的延遲和出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象時(shí)的反向控制，可以基本實(shí)現(xiàn)汽包水位的自動(dòng)控制。在控制過(guò)程當(dāng)中優(yōu)先級(jí)最高的就是對(duì)給水流量擾動(dòng)的控制，它可以對(duì)給水流量擾動(dòng)信號(hào)快速作出反應(yīng)。
系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，還有指示儀表、自動(dòng)報(bào)警器等設(shè)備為其服務(wù)，實(shí)現(xiàn)最直觀、最敏感控制過(guò)程。在控制系過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)還可以依據(jù)顯示儀表的測(cè)量值，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
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