浅析锅炉汽包水位对控制系统设计的影响

摘 要 本文从汽包水位的动态特性入手，对影响汽包水位有给水量，汽轮机耗汽量和燃料量三个主要因素，做了详细的论述，希望对锅炉控制系统设计的影响因素提供思路。

关键词 锅炉 汽包水位 控制系统 设计

中图分类号：U664.111 文献标识码：A

1汽包水位的变化

保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。锅炉运行过程中，汽包水位变化是经常的，引起其变化的基本因素是：物料平衡关系破坏，即给水与蒸发量的不平衡；工质状态变化，如压力变化引起比容变化和水容积中汽泡量的变化，导致汽包水位变化。本文从分析汽包水位的动态特性入手。分析汽包水位变化的影响。锅炉给水调节对象如图1所示。给水调节机构为变频器调节给水量W，汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。

图1：锅炉给水示意图

初看起来，汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样，给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低。但实际情况是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。如果有某种原因使汽泡的总体积变化了，即使水循环系统的总水量没有发生变化，汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。

2影响汽包水位变化的因素

影响汽包水位变化影响主要有给水量，汽轮机耗汽量和燃料量三个主要因素，假设H为汽包水位，W为给水量，D为汽轮机耗汽量、B为燃料量 。

2.1给水扰动的影响

把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2所示的曲线H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H1和 H2之和，如图2所示的曲线H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为：

G1（s）= （2.1）

式2.1中 1表示汽包水位的飞升速度， 表示延迟时间。

图2：给水扰动响应曲线

2.2汽轮机耗汽量扰动的影响

当汽轮机耗汽量D突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图3所示的曲线H1所示，另一方面由于汽轮机耗汽量D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V增大，从而导致汽包水位上升，如图3所示曲线H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H1和 H2之和，如图3所示曲线H所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：

G2（s）=-+ （2.2）

式2.2中 1表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，T0表示“假水位现象”的延迟时间。

图3：汽轮机耗汽量扰动响应曲线

2.3燃料量扰动的影响

燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。

3总结

通过对影响汽包水位变化的因素进行分析，可以发现给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，从而维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件。因此，这使得汽包水位的变化受到多种因素影响，在设计锅炉控制系统的时候，必须考虑包水位变化的影响因素。才能设计出更贴近实际的锅炉控制系统。

参考文献

[1] 海山.锅炉汽包水位的智能控制研究[D].内蒙古大学，2008.