北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
如果把汽包和给水看作单容量无自衡对象，水位阶跃响应曲线将如图2.1中H1所示。
由于给水温度要比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，需从原有饱和水中吸取部分热量，使水位下气泡容积减少。当水位下气泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位将因汽包中储水量的增加而上升。当水位下气泡容积不再变化时，水位变化就完全反应了因储水量的增加而直线上升。所以其曲线上升斜率先增加后不变，直线上升如图中H所示。在给水量作阶跃变化后，汽包水位不是马上增加，而是呈现一段起始惯性段。作传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和纯滞后环节的串联，可表示为：
H(s)?K0e??s （2·1） W(s)mm/s式中，即给水流量变化单位流量时水位的变化速度，; τK0----飞升速度，
t/h----纯滞后时间。
给水温度越低，纯滞后时间越大。通常τ在15～100之间。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，将使τ增加到100～200之间。
（2）汽包水位在蒸汽流量振动下的动态特性，即干扰通道的动态特性。 在蒸汽流量干扰作用下，水位变化的阶跃响应曲线会产生如图2.1变化。
图2.2 蒸汽流量扰动作用下的水位相应曲线
6
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
当蒸汽流量D突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位变化应为图2.1中曲线H1所示呈直线下降。但实际情况并非如此，由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力的下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图2.1中的H2所示，先上升再趋于平缓。而实际水位则为二者叠加。从图中可以看出，当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升。这种现象称之为“虚假水位”。蒸汽流量振动时，水位变化的动态特性可用传递函数表示为：
H(s)H1(s)H2(s)KK2 （2·2） ????f?D(s)D(s)D(s)sT2s?1mms；式中，Kf----飞升速度，即在蒸汽流量变化单位流量里水位的变化速度， th K----响应曲线H2的放大系数；
2 T2-----响应曲线H2的时间常数。
虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般110t/h～300t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，虚假水位可达30～40mm。虚假水位现象属于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须引起注意。
第2.2节 汽包水位的几种常规控制方法
要控制汽包的水位主要通过对给水进行控制，因为在影响汽包水位的因素中，给水最为主要，燃料量的扰动影响较小。在汽包水位控制中，常以汽包水位为被控制变量，以调节给水流量为控制手段。与此同时，汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位在较为稳定的范围内变化。
常用的方法多为三种：单冲量、双冲量及三冲量控制。
2.2.1单冲量控制系统
7
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
单冲量控制系统即汽包水位的单回路液位控制系统：
图2.3 单冲量控制系统
这里冲量一词指的是变量，单冲量即汽包水位。
这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证锅炉的安全运行。
但是，在停留时间较短，负荷变化较大时，此方式会存在一些问题：
（1）当负荷变化产生虚假液位时，将使控制器反向错误动作。例如，蒸汽负荷突然大幅度增加时，虚假水位上升，此时控制器不但不能开大给水阀，增加给水量，反而减小控制阀，减少给水量。等到虚假水位消失时，由于蒸汽量增加，送水量反而减少，将使水位严重下降，波动厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度而发生事故，因此这种系统克服不了虚假水位带来的严重后果。
（2）对负荷变化不灵敏。负荷变化时，需引起汽包水位变化后才起控制作用，由于控制缓慢，导致控制质量下降。
（3）对给水干扰不能及时克服。当给水系统出现扰动时，同样需等水位发生变化时才起控制作用，干扰克服不及时。
为了克服上面的三个问题，除了依据汽包水位以外，也可依据蒸汽流量和给水流量的变化来控制给水阀，将能获得良好的控制效果，这就产生了双冲量和三冲量水位控制系统。
2.2.2双冲量控制系统
8
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
针对单冲量控制系统不以克服假水位的，如果根据蒸汽流量作为校正作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且也能提前发现负荷的变化，从而大大改善了控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成了双冲量控制系统。图2.3是典型的双冲量控制系统的原理图及方块图。
图2.4 双冲量控制系统
上图所示双冲量控制系统实质上是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制的前馈-反馈控制系统。这里的闪馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还须引入动态补偿环节。
双冲量的特点：
（1）引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。
（2）引入了蒸汽量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当
C1、C2选择匹配时，系统的静态特性是无差的。
双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。
双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。
2.2.3三冲量控制系统
9
北京化工大学北方学院毕业设计（论文）
双冲量控制系统对于单冲量控制系统存在的第三个问题----对给水干扰不能及时克服，同样不能解决。目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10~20秒内就会发生危险；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。因此，对水位的控制要求是很高的。
锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来。要经过一定的延迟时间以后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。
针对上述情况，为了把水位控制稳定，大双冲量水位调节基础上引入给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位控制调节系统，汽包水位H是控制变量，是主冲量信号，蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。 （1）前馈--反馈控制方式
原理图及方框图如下，易知此系统包含两个闭合回路：第一个为给水流量W、给水分流器?w、调节器Gc、调节阀Gv组成的内回路。第二个为水位调节对象G1和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器?D、对象G2均在闭合回路之外，它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以该系统的实质是前馈加反馈的调节系统。为了确保当负荷变化时水位无余差，必须保证物料平衡，由此确定分流系数
?w、?D的值。
图2.5 前馈—反馈控制系统
10