第二章 锅炉汽包水位控制系统
锅炉汽包水位控制系统是确保锅炉安全稳定运行的重要环节。汽包水位过低，由于锅炉的蒸汽量大，汽包容积相对较小，水的汽化速度很快，如果控制不及时，不能给汽包及时补水，汽包内的水很快就会蒸发光而导致干锅，严重时会引起锅炉爆炸。对于大型锅炉，这种危险尤为突出。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离，使蒸汽带液，这会使过热器结垢导致损坏，同时也会使过热蒸汽温度急剧下降，损坏汽轮机的叶片，影响汽轮机的安全进行，因此汽包的水位必须加以严格的控制。
2.1 锅炉汽包水位的动态特性[4]
汽包水位是汽包中的贮水量和水面下的汽泡容积所决定的，因此凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽包容积变化的各种因素都是给水控制对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸汽流量D、汽包压力Pb、燃烧工况等。给水控制对象的动态特性是指上述水位变化的各种扰动与汽包水位的动态关系。
㈠ 给水流量扰动下水位的动态特性
给水流量扰动下的水位阶跃反应曲线如图2.1所示。在给水流量突然增加的瞬间,锅炉的蒸发量还未改变,给水流量大于蒸发量,但水位一开始并不立即增加,这是因为温度较低的给水进入省煤器及水循环系统的流量增加了,从原有的饱和汽水混合物中吸取了一部分热量,使水面下的汽泡容积有所减少。当水面下汽泡容积不再变化时,水位才开始逐渐上升。如果不考虑水面下汽泡容积的变化,则当给水流量扰动时,水位的反应曲线如图2.1中的直线1所示;实际的水位反应曲线应如图2.1中曲线2 所示。所以给水流量的扰动,水位反应存在一定的迟延时间。
WtH H1Ht
图2.1 给水流量扰动下水位的阶跃反应曲线
㈡ 蒸汽流量扰动下水位的动态特性
蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.2所示。当蒸汽流量突然增加(假定供热量及时跟上)时,锅炉的蒸发量大于给水流量,汽包的贮水量应等速下降,又因为汽包是无自平衡对象,所以水位变化曲线应如图中曲线H1所示,实际上当蒸发量突然增加时,在汽水循环系统中蒸发强度也将成比例地增大,使汽水混合物中汽泡的容积增大,又因炉膛内的发热量并不能及时增加,从而使汽包压力不断下降,降低了饱和温度,促使蒸发速度加快,汽泡膨胀,加大了汽水混合物的总体积,使水位变化过程如图中曲线H2所示。水位实际变化过程的曲线是H1和H2 两曲线叠加,即图中的曲线H，由此可知,负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式:负荷增加时,蒸发量大于给水量,但水位不是下降反而上升;负荷突然减小时,水位却先下降,然后逐渐上升,即“虚假水位”现象。
D tH H2tHH1
图2.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线
㈢ 炉膛热负荷扰动下水位的动态特性
炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线如图2.3所示。当燃料量M增加时,炉膛热负荷随着增加,水循环系统内的汽水混合物的汽泡比例增加,蒸发强度增强。如果负荷设备的进汽阀不加调节,则汽包饱和压力升高,蒸汽流出量增加,蒸发量大于给水量,水位应该下降。随着汽包压力的升高,汽水混合物中汽泡的比例将减小,又使得汽水总容积下降;其次,在汽压升高时,汽的比容变小,水的比容变大,总的效果是汽水混合物的比容变化不大。所以在燃料量扰动下,汽包水位也会出现“虚假水位”现象,但由于热惯性的原因,这种虚假水位没有蒸汽流量扰动下的那样严重。
M M0t0H tH0t
图2.3 炉膛热负荷扰动下水位的阶跃反应曲线
2.2锅炉汽包水位控制系统的基本方法
如果使用简单的锅炉汽包液位的单冲量控制系统，如图2.4所示,一旦负荷急剧变化,虚假液位的出现,调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，影响了生产甚至造成危险。
蒸汽汽包LT（液位变送器）LC正作用调节器给水省煤器气关阀
图2.4 锅炉汽包液位的单冲量调节系统
为此,图2.5采取了锅炉汽包液位的双冲量控制,它在单冲量的基础上,再加一个蒸汽冲量,以克服“虚假液位”。其中调节阀为气关阀,液位调节器采用正作用,调节器输出信号在加法器内与蒸汽流量信号相减。双冲量实际上是前馈与反馈调节相结合的调节系统。当负荷突然变化时,蒸汽的流量信号通过加法器,使它的作用与水位信号的作用相反；虚假液位出现时,液位信号a 要关小给水阀,而蒸汽信号b是开大给水阀,这就能克服“虚假液位”的影响。但是如果给水压力本身有波动时,双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
蒸汽孔板汽包LT（液位变送器）LC正作用调节器加法器给水省煤器气关阀
图2.5 锅炉汽包液位的双冲量调节系统
由于单冲量和双冲量都很难达到理想稳定的控制所以这就要用如图2.6所示的锅炉汽包液位的三冲量调节系统。即再加一个给水流量的冲量c,使它与液位信号的作用方向一致,这种调节系统由于引进了液位、给水流量及蒸汽流量三个参数,叫做三冲量调节系统。