鍋爐汽包水位是鍋爐生產過程的主要工藝指標，同時也是保證鍋爐安全運行的主要條件之一。汽包水位過高，使蒸汽產生帶液現象，不僅降低蒸汽的產量和質量，而且還會使過熱器結垢，或使汽輪機葉片損壞；當汽包水位過低時，輕則影響水汽平衡，重則燒干鍋爐，嚴重時會導致鍋爐爆炸事故的發生。所以鍋爐水位是一個極為重要的被控變量。在具體工藝生產過程中，常常由于蒸汽負荷的波動和給水流量的變化打破汽包內的平衡狀態，對汽包水位造成干擾，最終導致假液位。所謂“沖量”實際就是變量，多沖量控制中的沖量，是指引入系統的測量信號。在鍋爐控制中，主要沖量是水位。輔助沖量是蒸汽負荷和給水流量，它們是為了提高控制品質而引入的。
1、三沖量控制的引入
目前鍋爐汽包水位調節常采用單沖量、雙沖量及三沖量等三種調節方案，現分別對它們的基本原理和特性加以討論。
①單沖量水位調節系統
單沖量水位調節系統的原理如圖1所示。由圖1可知，這種類型的水位調節系統，是一個典型的單回路調節系統，被調參數是汽包水位，調節參數是鍋爐的給水量。它適用于停留時間較長(亦即蒸發量與汽包的單位面積相比很小)，負荷變化小的小型鍋爐(一般為10t/h以下)。但對于停留時間較短，負荷變化大的系統就不適應了。
圖1 單沖量水位調節原理
圖2 單沖量水位調節系統控制策略
從圖2可以看出：單沖量水位調節系統控制策略由汽包水位測量差壓變送器、PID調節器和調節閥(或變頻器)構成。
當蒸汽負荷突然大幅度增加時，由于汽包內蒸汽壓力瞬間下降，水的沸騰加劇，汽泡量迅速增加，汽泡不僅出現于水的表面，而且出現于水面以下，由于汽泡的體積比水的體積大許多倍，結果形成汽包內液位升高的現象。因為這種升高的液位不代表汽包內儲液量的真實情況，所以稱為“假液位”。此時PID調節器會錯誤地認為測量值升高，從而關小給水調節閥，減小給水量。等到這種暫時汽化現象一旦平穩下來，由于蒸汽量的增加，給水量反而減少，會使水位嚴重下降，甚至降到液位危險區，造成事故。
為了克服由于蒸汽負荷量波動造成“假液位”的現象，我們把蒸汽流量的信號引入汽包水位調節系統，這樣就構成了雙沖量調節系統。
②雙沖量水位調節系統
雙沖量水位調節系統的原理如圖3所示。雙沖量液位調節系統是在單沖量液位調節的基礎上，引入了蒸汽流量作為前饋信號來消除“假液位”對調節的不良影響，它是采用互補原理對“假液位”現象進行控制的。當出口蒸汽流量突然增大時，它將使液位上升(假液位)，這時調節系統根據變化量大小，使給水量也增大一個數值。當給水量突然增大時，將使汽包液位下降(假液位)。這樣，經過疊加作用，將使汽包液位基本維持不變，從而達到克服假液位的目的。縮短了過渡過程的時間，改善了調節系統的靜態特性。這是一個前饋-反饋的調節系統。它能在給水壓力比較平穩時，克服只是由于負荷頻繁變化的工況下較好地完成液位控制任務。(此調節系統比較適合用于30t/h以下的鍋爐)。
圖3 雙沖量水位調節原理
圖4 雙沖量水位調節系統控制策略
從圖4可以看出：雙沖量水位調節系統控制策略由汽包水位測量差壓變送器、PID調節器、差壓式流量計(孔板或噴嘴+差壓變送器+流量積算儀)或渦街流量計、數學運算器(加法器)、調節閥(或變頻器)構成。
但當給水量頻繁擾動時，控制系統卻不能及時反映給水側的擾動，存在一定滯后。若給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前后壓差無法保持正常，給水調節對象卻沒有自平衡能力。此時的雙沖量調節系統還是無法滿足汽包液位的正常調節。
為了克服由于給水壓力擾動的現象，我們將給水流量的信號也引入汽包液位調節系統，這樣就構成了三沖量調節系統。
③三沖量水位調節系統
三沖量水位調節系統是在單沖量調節系統和雙沖量調節系統的基礎上又引入了給水流量信號。此時的調節系統利用汽包水位、蒸汽流量、給水流量三個參數進行液位調節。蒸汽流量作為前饋信號；汽包水位為主參數，給水流量為副參數構成串級回路。它是一個前饋-串級調節系統。這種調節系統宜用于大型鍋爐，因為鍋爐容量越大，汽包的相對容水量越小，允許波動的蓄水量就更小。如果給水中斷，可能在很短的時間內就會發生危險；這樣就對汽包水位控制提出更高的要求。鍋爐液位三沖量控制系統的組成形式較多，現分析如下。
2、三沖量調節系統的兩種控制方案
①方案1(如圖5所示)
圖5 三沖量水位調節控制策略一
用加減器位于調節器之前的方案，該方案實質上是前饋(蒸汽流量)加反饋控制系統，但被調參數為幾個參數的綜合量。此控制方案是把PI調節器放在加減器的后面，因而三個參數都能得到PI調節規律的調節，但由于他們的動態特性各不相同，所以調節器的參數不易整定；同時由于調節器的測量是三個參數運算過后的數值，因此就不能保證汽包水位穩定在給定值上，因此這種控制策略不可行，在此僅作為講解演示用。
②方案2(如圖6所示)
圖6 三沖量水位調節控制策略二
加減器和調節器構成了加減器位于調節器之后的方案，該方案與方案1相類似，僅是加法器位置從調節器前移至調節器后。該方案相當于前饋－串級控制系統，此控制方案是把PI調節器放在加減器的前面，好處是抓住了主要矛盾。汽包水位先經PI調節器調節，保證了汽包水位趨于給定位置。系統穩定時，蒸汽流量信號和給水流量信號在加減器內相互平衡，能使系統趨于穩定。
兩種方案都是用蒸汽流量、汽包水位、給水流量三沖量控制給水調節閥。就兩種三沖量控制方案相比較而言，圖4方案優于圖3方案。
3、三沖量的前饋-串級反饋控制系統
三沖量的前饋-串級反饋控制系統的原理如圖7所示。
圖7 三沖量水位調節控制策略三
在三沖量前饋-串級反饋調節系統中，主要沖量是水位，輔助沖量是蒸汽負荷和給水流量。汽包液位為主變量，也是被控變量，它是反映鍋爐汽包工作狀態的主要工藝指標，也是保證鍋爐安全工作的必要指標;蒸汽流量作為前饋信號引入，是為了克服蒸汽流量的波動對汽包液位的影響，并有效地克服由于假液位現象引起的控制系統誤動作；給水流量為副變量，它引入目的是利用串級控制系統中副回路克服干擾的快速性來及時的克服給水壓力變化對汽包液位的影響。輔助沖量是為了提高控制品質而引入的。液位控制器LC與流量控制器FC構成串級調節系統。這種控制策略是一種實用、可靠的優選策略，這種控制策略結合最佳PID參數整定，那您的水位控制效果杠杠的，昌暉儀表制造有限公司在《水位三沖量調節控制策略及串級調節參數整定方法》文章中對該控制策略和參數整定方法做了詳盡的介紹，要想成為汽包水位控制系統投自動的高手，不讀這篇文章您會后悔。
根據串級控制系統選擇主、副調節器正反作用的原則，水位調節器LC選反作用，流量調節器選為正作用；而給水調節閥的氣開氣關的選擇，一般都是從安全角度考慮的。如果高壓蒸汽供給蒸汽透平壓縮機的重要負荷時，為保護這些設備應選用氣開(F.C)閥為宜。如果蒸汽作為工藝生產中的熱源時，為保護鍋爐，應選用氣關(F.O)閥為宜。綜合起來考慮，一般選帶保位裝置(F.I)的給水閥，即事故狀態下該閥停在原位，在具體應用中選電動閥作為給水閥。
當水位由于擾動升高時，因LC反作用，它的輸出下降進入運算器后，使FC給定值下降而輸出增加，調節閥開度減小，給水量減少，水位也下降，直至回到設定值上達到新的平衡。當蒸汽流量增加時，FC給定值增加而輸出減小，調節閥開大，給水量增加，保持水、蒸汽平衡，使水位不變。副回路克服給水自身的擾動，更進一步地達到自動控制，穩定水位的目的。
由于汽包液位是鍋爐裝置關鍵儀表，針對目前現有的單臺變送器測量無法保證儀表的可靠性，如變送器故障、檢測元件的故障、取壓管路的堵塞、信號電纜的傳輸故障等問題。因此我們將水位測量增加為3臺。采用汽包水位信號三取中的聯鎖保護回路，當其中某1臺儀表故障時，不會導致三沖量控制系統失靈。從而提高控制的可靠性。保證了鍋爐的安全運行。
總之，鍋爐汽包水位控制方案有諸多種，因每臺鍋爐的特性及實際工況的不同而異，就此所介紹的是使用常規儀表對鍋爐汽包水位進行自動控制的幾個較為典型的方案。三沖量控制對單、雙沖量控制方案取長補短，極大地提高了水位控制質量。如今，智能儀表的發展和計算機在工業自控領域的廣泛應用，又為汽包水位自動控制系統開拓了更加廣闊的天空。
作者：賈志清，羅煒
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