1、汽包液位控制的重要性
在锅炉稳定运行过程中，汽包液位(以下简称液位)的控制是最重要的环节之一。液位过高会影响汽水分离的效果，产生蒸汽带液现象;液位过低会破坏水循环，严重时会烧坏锅炉。当蒸汽负荷突然增大时，锅炉会出现暂时的压力下降，水的沸腾加剧，导致液位上升，这就产生了虚假液位。这时本应把给水量加大，但如果采用简单的单冲量调节系统，就会根据这个假液位而错误地把锅炉给水调节阀关小，减少给水量，等到汽水达到新的动态平衡时，液位就下降了许多，远离给定值，甚至使锅炉发生危险。如果蒸汽负荷骤降，它的变化过程和结果与上述相反，从而使汽包液位发生较大的波动。由此可以看出，影响液位的主要因素是锅炉的汽水平衡。为了克服负荷变化引起的液位大幅度波动，消除假液位的影响，提前消除蒸汽流量对液位的干扰，除了主调节回路的液位变量以外，还引入了作前馈信号的蒸汽流量和作串级副回路测量信号的给水流量两个辅助变量。而主调节回路(以下简称主回路)、副调节回路(以下简称副回路)及前馈控制构成了锅炉汽包的串级三冲量控制系统，其中三冲量分别指汽包液位、蒸汽流量和给水流量这三个变量。
2、串级三冲量控制系统原理
串级三冲量控制系统结构见图1。串级三冲量控制系统由主回路和副回路及前馈控制组成。副回路由流量测量元件(图1中用孔板表示)、给水流量变送元件、分流器、副调节器、执行器、给水调节阀构成，主回路由液位测量变送元件、主调节器、加法器和副回路的相关部分构成，前馈控制由流量测量元件(图1中用喷嘴表示)、差压变送器构成。
图1 串级三冲量控制系统结构
从图1可以看出，主、副调节器串联使用，共同排除干扰，稳态时保持液位为给定值。由给水流量反馈形成的副回路，其任务是及时反映调节效果和迅速消除给水流量的自发性扰动。由液位信号反馈形成主回路，当液位偏离其给定值时，主调节器通过副回路调节给水流量，使稳态时液位回到给定值。由蒸汽流量构成前馈控制通道，其蒸汽流量信号与主调节器的输出信号之和作为副调节器的给定值，当蒸汽流量扰动时，副回路迅速改变给水流量，以防止因虚假液位产生的误动作。
串级三冲量液位控制系统中，液位偏差完全由主调节器来校正，使静态液位值等于液位给定值，因此，不要求蒸汽流量信号等于给水流量信号。图1中蒸汽流量信号为蒸汽流量变送元件电流信号与蒸汽流量分流系数(即蒸汽流量相应分流器设定的数据)的乘积，给水流量信号为给水流量变送元件电流信号与给水流量分流系数(即给水流量相应分流器设定的数据)的乘积，其中蒸汽流量分流系数的选择是根据锅炉“虚假液位”的严重程度来确定的，用以改善蒸汽负荷扰动时控制过程的质量，一般情况下蒸汽流量分流系数大于1。
3、串级三冲量控制系统汽包液位控制
在汽包液位控制中，当给水系统稳定后采用串级三冲量液位控制，控制系统如图2所示。汽包液位作为主信号，通过液位变送器LT测得;蒸汽流量作为前馈信号，通过流量测量元件喷嘴与流量变送器(差压)FT1测得；给水流量作为反馈信号，当给水流量变化时，通过流量测量元件孔板与流量变送器(差压)FT1测得;给水流量作为反馈信号，当给水流量变化时，通过流量测量元件孔板与流量变送器(差压)FT2及时反映孔板前后差压变化。根据串级控制系统主、副调节器选择正、反作用的原则，主调节器LC作用方式为反作用，副调节器FC作用方式为正作用，给水调节阀选用气动调节阀，气动执行机构选择气关式。为保证汽包液位无静态误差，主调节器LC采用PI控制算法;为保证副回路的快速性，副调节器FC采用PI或P控制算法。
图2 串级三冲量控制系统
当液位由于扰动而升高时，液位测量值增加，液位给定值不变，主调节器LC的输入为液位测量值与给定值的差值，即主调节器LC的输入增加，由于主调节器作用方式为反作用，因此主调节器输出下降。由于加法器的输出由主调节器的输出与流量变送器FT1的输出来确定，在蒸汽流量比较稳定的情况下，加法器的输出减小，由于加法器的输出值作为给水流量的给定值，即给水流量的给定值减小，而副调节器FC的输入为给水流量的测量值与给定值之差，在给水流量测量值比较稳定的情况下，副调节器的输入增加。由于副调节器作用方式为正作用，因此副调节器输出增加。由于给水调节阀的气动执行机构为气关式，在副调节器输出增加的情况下，给水调节阀的开度减小，给水流量减小，液位也随之下降，使液位保持在给定值上。
当蒸汽流量增加时，主调节器LC的输出比较稳定的情况下，加法器的输出增加;加法器的输出值作为给水流量的给定值，即给水流量给定值增加，给水流量的测量值与给定值之差作为副调节器FC的输入，在给水流量测量值比较稳定的情况下，副调节器FC输入减小，副调节器作用方式为正作用，因此副调节器FC输出减小，给水调节阀的气动执行机构为气关式，调节阀的开度增加，给水流量增加，液位上升，并保持在液位给定值上。
在给水流量增加的情况下，即给水流量测量值增加，给水流量给定值比较稳定的情况下，副调节器FC输入增加，由于副调节器作用方式为正作用，即副调节器FC输出增加，由于给水调节阀的气动执行机构为气关式，给水调节阀的开度随之减小，给水流量减小，从而保持了水汽平衡。
在蒸汽负荷减小的情况下，用于测量蒸汽流量的喷嘴的流量值减小，相应的流量变送器FT1输出值减小，此时加法器的输出主要由主调节器LC的输出来确定;而当蒸汽负荷突然增加时，液位上升，出现了虚假液位，即液位测量值增加，液位给定值不变，主调节器LC输入增加，由于主调节器LC作用方式为反作用，这时主调节器LC输出值减小，用于测量蒸汽流量的喷嘴的差压值增加，相应的流量变送器FT1输出值增加，由于蒸汽负荷作为前馈量，保证了加法器的输出值增加，即给水流量给定值增加，在给水测量值保持稳定的情况下，给水测量值与给水给定值之差减小，即副调节器FC输入减小，因副调节器FC作用方式为正作用，那么副调节器FC输出下降，给水调节阀的气动执行机构为气关式，因此给水调节阀开度增加，给水流量增加，液位上升，保持液位在给定值上。
汽包液位作为主变量，对于任何扰动引起的液位变化都会使主调节器LC输出信号发生变化;给水流量是副变量，副变量的引入使副调节器FC在液位还未发生变化时就可根据蒸汽流量的前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用；蒸汽流量作为前馈信号引入，用于防止由于虚假液位而使副调节器发出错误的动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量，保证给水流量和蒸汽流量平衡，因此副调节器FC起到了粗调作用。同时信号之间有静态配合问题，而系统的静态特性由主调节器决定，故蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等，主调节器的任务是校正液位，使稳态时液位等于给定值，主调节器起到了细调作用。
由此分析可知，串级三冲量控制系统相对于单冲量控制系统对于虚假液位的调节是非常有效的。
4、串级三冲量控制系统的特点
①串级系统主、副调节器的任务不同
副调节器的任务是当蒸汽流量扰动时迅速改变给水流量，使液位较少变化；当给水流量自发扰动时，及时予以消除，以保证给水流量和蒸汽流量平衡，副调节器起到粗调作用。主调节器的任务是校正液位，使稳态时液位等于给定值，主调节器起到细调作用。
②串级三冲量给水控制系统维持液位无静态误差特性是靠主调节器来实现
因此，蒸汽流量分流系数可根据蒸汽负荷扰动下虚假液位的严重程度来适当选择，使在蒸汽负荷变化时，蒸汽流量信号的前馈控制作用能更好地抑制虚假液位和实际液位的变化。
③串级调节系统的安全性较好
由于主调节器采用PI控制算法，在调节器比例环节中，输出值与输入值之间的比值即为放大系数，在放大系数较高的情况下，可以捕捉到小误差信号，提高控制精度，因此主调节器有着较大的放大系数，只需很小的液位偏差便能使主调节器输出变化较大，以补偿副调节器入口不平衡，使调节系统维持稳定工作。
由于串级三冲量液位控制系统具有调节灵敏、调节质量好、汽包液位波动很小、安全性较好等特点，目前，在大、中型锅炉中采用串级三冲量液位控制，可以有效地把汽包液位控制在一定范围内，还可以提高蒸汽品质，保证锅炉的安全运行。
文章作者：北京石油化工工程有限公司西安分公司 郭海侠