目前，汽包水位三沖量自動調節控制策略已經相當成熟，但在實際鍋爐運行中會各種原因導致水位自動調節系統投入困難，甚至自動不能投入。這種現象讓人對串級三沖量調節系統的調節能力和控制策略產生疑問。為此昌暉數顯儀表與大家交流運用心得，對級三沖量調節系統進行定性分析，并對一些異常情況的處理辦法進行探討。
1、水位三沖量調節控制策略
汽包水位三沖量調節系統使用的三個沖量分別是汽包水位、給水流量和蒸汽流量。
汽包水位作為主調(PID調節器)的輸入信號，去抑制水位本身的偏差。副調(外給定調節器)使用了一個反饋信號(給水流量)和一個前饋信號(蒸汽流量)，以消除擾動和虛假水位。各種介紹汽包水位三沖量調節系統的書籍中，都有對傳遞函數的計算，這些計算對系統設計很重要。如果用經驗調節法對于系統維護，則完全可以拋開理論計算。昌暉儀表在此只對其物理意義進行定性思考和作一番揣測。
1.1 反饋信號
反饋信號指給水流量信號，也叫內擾。
水位三沖量調節系統中被調量發生變化的時候，PID經過運算，去控制執行機構進行合理的動作，執行機構改變給水調節閥的開度，閥門控制介質變化，達到控制給水流量的目的。可是給水調節閥執行機構特性、水位三沖量調節系統的運行狀況存在很多差異，這些差異主要有：
①執行機構線性：執行機構改變開度后，流量隨之改變的大小。
②執行機構死區：PID 輸出每變化多少，執行機構才能動作一次。
③執行機構空行程：執行機構在改變動作方向的時候，改變多少開度，給水流量才發生變化(減去死區的值)。
④執行機構回差：執行機構進行開、關兩個方向的動作的時候，流量變化不相等，這個流量變化絕對值的差叫回差。
⑤執行機構及閥門的特性曲線改變：閥門線性改變，閥門每變化1%，流量變化量與以往不同。
⑥水位三沖量調節系統軟故障：偶爾發生的系統故障使得給水流量變化不均勻，或者時有停頓。
⑦系統介質參數發生變化：指因給水壓力、蒸汽壓力變化導致給水流量變化。
上述差異會對系統的調節造成干擾，甚至上述的情況在運行過程中也在變化。介質參數隨時發生變化，其它參數可能緩慢發生變化，大家必須關注這些變化因素。在一個中等容量的機組中，一般汽包水位對給水流量的變化非常敏感，流量變化10t/h左右，就會造成水位逐漸上升。通常執行機構動作1%的開度，就足以造成10t/h的流量變化。
水位三沖量調節系統主調的輸出給副調一個給水量的指令。如果給水流量信號與這個指令不一致，副調的作用使執行機構改變給水調節閥開度，去讓流量信號與主調的輸出去一致；如果主調輸出沒有波動，而流量信號有波動，說明執行機構、閥門甚至給水壓力等因素發生變化，這些變化的因素叫做內擾。此時若不管這些變化，將最終會影響到汽包水位，等汽包水位變化后主調再進行調節，就會因延誤而過調；副調的作用就是快速消除擾動，如果調節合理則有可能讓汽包水位不受干擾或者少受干擾。
給水流量信號的設立，一個很重要的作用就是消除內擾。
1.2 前饋信號
前饋信號是指蒸汽流量信號。也叫外擾。
當機組負荷需求波動會引起燃燒和蒸汽流量的波動。在蒸汽流量波動的時候就應該及時對系統進行調節，若等到汽包水位開始波動的時候再調節給水流量，汽包水位可能因波動速度較快而糾正較慢出現較大波動。為了克服外擾，所以加入蒸汽流量這個信號。假設機組負荷需要增大，蒸汽流量隨之增大，此時不等汽包水位降低，在副調里預先增大給水流量，最終使得汽包水位保持平穩。
引入蒸汽流量信號是為了為了克服外擾和“虛假水位”。所謂“虛假水位”是指當機組負荷突然增加，鍋爐輸出蒸汽量突然增大，此時鍋爐因蒸發量增加，給水量未來得及變化，此時汽包水位應該降低；但鍋爐出汽量突然增大導致蒸汽壓力突然降低，使汽包里汽水混合物中的汽泡急劇增加，汽泡鼓動著汽包水位虛增，造成了汽包水位增高的現象。
鍋爐出現虛假水位時汽包水位增高，主調使得執行機構關小，加劇了水位降低的情況。但是因為前饋信號的存在，蒸汽流量一旦增大，副調的PID命令執行機構開大，抵消了虛假水位造成的影響。
因此副調的反饋信號和前饋信號作用非常大，也非常有必要。
1.3 三沖量控制策略圖
2、水位三沖量調節常規參數整定規律
有人對串級調節系統的參數整定比較生疏。因為串級系統參數較多，比較不容易分析。下面我們分步驟對參數整定方法作個探討。
2.1 設置副調流量系數
包括給水流量系數和蒸汽流量系數。這兩個系數沒有固定值。如果副調的比例作用很弱，這兩個系數甚至可以取消不用。之所以要設置流量系數，是要提醒讀者注意：在調試過程中，切不可先令副調比例作用過強！否則有可能造成系統震蕩，最終導致安全事故。
一般我們預設這個系數為0.3左右，蒸汽流量系數和給水流量系數應該大致相等。
2.2 設置副調的比例帶非常大，積分時間為無窮大
比例作用的大小因系統而異。原則上應該先把副調作用放很小，以防止系統或者副調震蕩。
2.3 設置主調的積分時間為零，比例作用比較弱
之所以沒有給出比例作用的具體數值，是因為根據不同的系統、不同的DCS系統、不同的程序或PID調節器，這個值差異很大。一般來說，副調的比例帶可以先設為150-600，主調比例帶設為100-200。
2.4 逐漸降低主調比例帶
根據觀察結果，逐漸增強比例作用，直到系統接近平穩。
或者繼續增強比例作用，直到系統接近于等幅震蕩，然后把此時的比例帶除以0.6，基本上接近于可用了。但是對于汽包水位系統，最好不要調到等幅震蕩，這樣會使系統處于危險的境地。
2.5 逐漸增強主調積分作用
積分作用逐漸增強，能在較短時間(10分鐘左右)內消靜差即可。
積分作用不能放得很強，切記！主調積分作用太強不僅沒有好處，還會帶來危害。因為在被調量開始強勢回調的時候，需要調節器的輸出也要快速回調，這樣才能使得被調量不會大幅度超調，而這時候如果積分作用很強，積分作用會使得調節器的輸出不僅不回調，而且還可能按照原來的趨勢繼續調節，一直等到被調量和設定值接近相等的時候，才開始回調，此時為時已晚，必然造成大幅度的超調。要記住：主調積分的目的是為了消除靜差的。只要系統沒有靜差，積分作用就不必要增強。
2.6 不使用微分作用
微分作用可以超前調節，但水位三沖量調節系統不使用微分。因為水位、流量信號大多存在著微小的波動，微分作用會將這些波動放大，造成干擾。
2.7 主調比例帶與副調比例帶相乘。減弱主調作用，逐漸增強副調作用
主調比例帶與副調比例帶相乘的積，固定一個數，大約增強副調多大幅度，就減弱主調多大幅度，乘積基本保持不變。在修改主、副調參數的時候應該先減弱一個，再增強另一個，以免系統引起震蕩。
2.8 副調比例作用增強到足夠抑制給水流量的擾動為止
2.9 在負荷大幅度改變時，觀察副調的曲線，防止震蕩的發生
這個階段容易被忽視，但是非常重要！負荷大幅度波動時候，流量最容易引起震蕩，此時減弱副調的比例作用，直到不發生震蕩為止，然后為了安全，再次稍微減弱副調作用。
在調節副調的同時，還需要注意改變主調的比例作用。
2.10 注意修改主調的積分作用
在反復整定主調、副調比例參數之后，要記得積分作用也需要修改。如果副調的比例作用減弱，那么積分作用也要相應減弱，因為調節器的輸出是比例和積分相權衡的結果。
至此水位三沖量調節系統基本調試結束。為了防止副調震蕩，還可以對副調的反饋系數和前饋系數進行修改，基本同減弱副調比例帶的作用相當。切記在修改系數時一定要把該系統切換為手動運行方式，否則可能對調節器造成較大干擾，甚至危害鍋爐安全運行。
作者：白志剛
相關閱讀
◆三沖量汽包水位控制原理及應用教程
◆影響鍋爐汽包水位的因素
◆汽包水位差壓變送器測量誤差的消除辦法
