锅炉汽包水位是锅炉生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。汽包水位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当汽包水位过低时，轻则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸事故的发生。所以锅炉水位是一个极为重要的被控变量。在具体工艺生产过程中，常常由于蒸汽负荷的波动和给水流量的变化打破汽包内的平衡状态，对汽包水位造成干扰，最终导致假液位。所谓“冲量”实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指引入系统的测量信号。在锅炉控制中，主要冲量是水位。辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。
1、三冲量控制的引入
目前锅炉汽包水位调节常采用单冲量、双冲量及三冲量等三种调节方案，现分别对它们的基本原理和特性加以讨论。
①单冲量水位调节系统
单冲量水位调节系统的原理如图1所示。由图1可知，这种类型的水位调节系统，是一个典型的单回路调节系统，被调参数是汽包水位，调节参数是锅炉的给水量。它适用于停留时间较长(亦即蒸发量与汽包的单位面积相比很小)，负荷变化小的小型锅炉(一般为10t/h以下)。但对于停留时间较短，负荷变化大的系统就不适应了。
图1 单冲量水位调节原理 图2 单冲量水位调节系统控制策略
从图2可以看出：单冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器和调节阀(或变频器)构成。
当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。因为这种升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。此时PID调节器会错误地认为测量值升高，从而关小给水调节阀，减小给水量。等到这种暂时汽化现象一旦平稳下来，由于蒸汽量的增加，给水量反而减少，会使水位严重下降，甚至降到液位危险区，造成事故。
为了克服由于蒸汽负荷量波动造成“假液位”的现象，我们把蒸汽流量的信号引入汽包水位调节系统，这样就构成了双冲量调节系统。
②双冲量水位调节系统
双冲量水位调节系统的原理如图3所示。双冲量液位调节系统是在单冲量液位调节的基础上，引入了蒸汽流量作为前馈信号来消除“假液位”对调节的不良影响，它是采用互补原理对“假液位”现象进行控制的。当出口蒸汽流量突然增大时，它将使液位上升(假液位)，这时调节系统根据变化量大小，使给水量也增大一个数值。当给水量突然增大时，将使汽包液位下降(假液位)。这样，经过叠加作用，将使汽包液位基本维持不变，从而达到克服假液位的目的。缩短了过渡过程的时间，改善了调节系统的静态特性。这是一个前馈-反馈的调节系统。它能在给水压力比较平稳时，克服只是由于负荷频繁变化的工况下较好地完成液位控制任务。(此调节系统比较适合用于30t/h以下的锅炉)。
图3 双冲量水位调节原理 图4 双冲量水位调节系统控制策略
从图4可以看出：双冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器、差压式流量计(孔板或喷嘴+差压变送器+流量积算仪)或涡街流量计、数学运算器(加法器)、调节阀(或变频器)构成。
但当给水量频繁扰动时，控制系统却不能及时反映给水侧的扰动，存在一定滞后。若给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差无法保持正常，给水调节对象却没有自平衡能力。此时的双冲量调节系统还是无法满足汽包液位的正常调节。
为了克服由于给水压力扰动的现象，我们将给水流量的信号也引入汽包液位调节系统，这样就构成了三冲量调节系统。
③三冲量水位调节系统
三冲量水位调节系统是在单冲量调节系统和双冲量调节系统的基础上又引入了给水流量信号。此时的调节系统利用汽包水位、蒸汽流量、给水流量三个参数进行液位调节。蒸汽流量作为前馈信号；汽包水位为主参数，给水流量为副参数构成串级回路。它是一个前馈-串级调节系统。这种调节系统宜用于大型锅炉，因为锅炉容量越大，汽包的相对容水量越小，允许波动的蓄水量就更小。如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险；这样就对汽包水位控制提出更高的要求。锅炉液位三冲量控制系统的组成形式较多，现分析如下。
2、三冲量调节系统的两种控制方案
①方案1(如图5所示)
图5 三冲量水位调节控制策略一
用加减器位于调节器之前的方案，该方案实质上是前馈(蒸汽流量)加反馈控制系统，但被调参数为几个参数的综合量。此控制方案是把PI调节器放在加减器的后面，因而三个参数都能得到PI调节规律的调节，但由于他们的动态特性各不相同，所以调节器的参数不易整定；同时由于调节器的测量是三个参数运算过后的数值，因此就不能保证汽包水位稳定在给定值上，因此这种控制策略不可行，在此仅作为讲解演示用。
②方案2(如图6所示)
图6 三冲量水位调节控制策略二
加减器和调节器构成了加减器位于调节器之后的方案，该方案与方案1相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈－串级控制系统，此控制方案是把PI调节器放在加减器的前面，好处是抓住了主要矛盾。汽包水位先经PI调节器调节，保证了汽包水位趋于给定位置。系统稳定时，蒸汽流量信号和给水流量信号在加减器内相互平衡，能使系统趋于稳定。
两种方案都是用蒸汽流量、汽包水位、给水流量三冲量控制给水调节阀。就两种三冲量控制方案相比较而言，图4方案优于图3方案。
3、三冲量的前馈-串级反馈控制系统
三冲量的前馈-串级反馈控制系统的原理如图7所示。
图7 三冲量水位调节控制策略三
在三冲量前馈-串级反馈调节系统中，主要冲量是水位，辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量。汽包液位为主变量，也是被控变量，它是反映锅炉汽包工作状态的主要工艺指标，也是保证锅炉安全工作的必要指标;蒸汽流量作为前馈信号引入，是为了克服蒸汽流量的波动对汽包液位的影响，并有效地克服由于假液位现象引起的控制系统误动作；给水流量为副变量，它引入目的是利用串级控制系统中副回路克服干扰的快速性来及时的克服给水压力变化对汽包液位的影响。辅助冲量是为了提高控制品质而引入的。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级调节系统。这种控制策略是一种实用、可靠的优选策略，这种控制策略结合最佳PID参数整定，那您的水位控制效果杠杠的，昌晖仪表制造有限公司在《水位三冲量调节控制策略及串级调节参数整定方法》文章中对该控制策略和参数整定方法做了详尽的介绍，要想成为汽包水位控制系统投自动的高手，不读这篇文章您会后悔。
根据串级控制系统选择主、副调节器正反作用的原则，水位调节器LC选反作用，流量调节器选为正作用；而给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的。如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机的重要负荷时，为保护这些设备应选用气开(F.C)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，应选用气关(F.O)阀为宜。综合起来考虑，一般选带保位装置(F.I)的给水阀，即事故状态下该阀停在原位，在具体应用中选电动阀作为给水阀。
当水位由于扰动升高时，因LC反作用，它的输出下降进入运算器后，使FC给定值下降而输出增加，调节阀开度减小，给水量减少，水位也下降，直至回到设定值上达到新的平衡。当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀开大，给水量增加，保持水、蒸汽平衡，使水位不变。副回路克服给水自身的扰动，更进一步地达到自动控制，稳定水位的目的。
由于汽包液位是锅炉装置关键仪表，针对目前现有的单台变送器测量无法保证仪表的可靠性，如变送器故障、检测元件的故障、取压管路的堵塞、信号电缆的传输故障等问题。因此我们将水位测量增加为3台。采用汽包水位信号三取中的联锁保护回路，当其中某1台仪表故障时，不会导致三冲量控制系统失灵。从而提高控制的可靠性。保证了锅炉的安全运行。
总之，锅炉汽包水位控制方案有诸多种，因每台锅炉的特性及实际工况的不同而异，就此所介绍的是使用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动控制的几个较为典型的方案。三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。如今，智能仪表的发展和计算机在工业自控领域的广泛应用，又为汽包水位自动控制系统开拓了更加广阔的天空。
作者：贾志清，罗炜
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