图1   给水扰动的水位反应曲线

3.1.2  汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性

    蒸汽流量的改变也直接影响着汽包液位的改变，当给水量不变，而蒸汽用量突然增加时（设增加量为△D），此时水位要降低。其对应关系用H1表示，但蒸汽用量增加时汽包压力会减小，汽包水容积内部的水会自蒸发成蒸汽，蒸汽比容大，占体积大使整个水容积变大，表示出水位升高，这就是所谓的“虚假水位”现象。这种对应关系用曲线H2表示，综合上述因素可得到蒸汽量变化时水位反应曲线H，见图2。

图2 蒸汽量扰动的水位反应曲线

    综合上述给水量和蒸汽量与水位的关系曲线，可以得出以下结论：

    （1）汽包在给水流量的作用下，具有滞后性，水位不会自平衡；

    （2）汽包水位在蒸汽流量作用下，不仅没有自平衡，而且具有“虚假水位”的现象。

3．2锅炉水位控制系统分析

    在过程自动化控制中，单回路控制通常是一种简单有效的控制措施，但是对于锅炉液位控制系统来说，由于锅炉特有的虚假水位现象，使得单回路控制无法满足锅炉水位的控制要求。因为这种控制系统是以汽包水位作为被调参数构成PID控制回路，PID回路根据汽包实际水位与设定水位的偏差，输出控制信号给调节阀，来增加水量或减少水量，直到实际水位与设定水位一致为止。但是，如果汽包水位的升高是由于蒸汽用量增加而引起的虚假升高，按照上述控制原理，回路也应该输出控制信号，减少给水量，而实际的要求恰恰相反，蒸汽用量的增加必然造成汽包水位的下降，应该增加给水量来维持汽包液位的平衡。所以仅仅依靠单回路控制方法无法满足锅炉水位稳定的控制要求，特别是在负荷较大情况下其缺点更为突出。针对单回路控制的缺点，我们把直接影响锅炉水位的蒸汽流量和给水流量引入回路控制，构成三冲量锅炉液位调节系统，见图3，将蒸汽流量和给水流量作为前馈，当蒸汽量增加时，先给调节器一个增加水量的信号，减少或抵消由于虚假水位引起的阀门误动作信号。当给水量出现扰动时，调节器及时反应，因此，大大减少了水位的波动，缩短了调节的过渡时间，提高了调节质量。

图3  三冲量控制原理图

aw：水流量系数
as：汽流量系数
Fw：给水流量
Fs：蒸汽流量

4  锅炉系统中的信号检测与处理

    信号检测的可靠与准确，是一切控制的基础。在济钢锅炉液位控制系统中，从硬件的配置到软件的处理，我们都力求作到精确可靠。为锅炉液位的稳定控制提供可靠保证。

4．1  锅炉液位的检测与处理

4.1.1  双支检测信号处理 

    为了增加锅炉液位检测的可靠性，现场设两套液位检测装置，两路信号进入PLC后，PLC程序首先判断信号是否有效，如果两支都有效，显示取两者的平均值，如果某路信号无效，此路信号将被自动弃用。信号处理原理见图4。

图4   双支信号检测处理原理图

平均液位L=（L1+L2）/2

（1） 锅炉液位的压力补偿

    在锅炉运行中锅炉饱和水密度和饱和蒸汽密度与锅炉汽包的压力密切相关，这也是造成锅炉虚假水位的根本原因，为了准确的了解锅炉的实际水位，必须对锅炉液位进行压力修正。

锅炉运行中汽包水密度ρ1与汽包蒸汽密度ρ2的关系曲线见图5。

图5 汽包水密度ρ1、汽包蒸汽密度ρ2与汽包压力的关系曲线

    据此关系可计算出不同压力下汽包内水和蒸汽的密度ρ₁、ρ₂。

    将ρ1、ρ2带入关系式：Hw=[ΔP/ g +Hr（ρr-ρ₂）]/（ρ₁-ρ₂）中即可得出补偿后的液位。
      注：ρr：标准水柱内水的密度Kg/m³

    ρ1：汽包水密度

    ρ2：汽包蒸汽密度

    Hw：汽包液位mm

    Hr ：定水位高  mm

    ΔP：变送器两端差压 Pa

4．2蒸汽流量的检测与处理

   蒸汽流量的检测及蒸汽温度的检测都设置了双支检测，其处理方法同液位的处理方法。由于蒸汽的流量受蒸汽温度和压力的影响很大，需要进行温压补偿。软件处理框图见图5

图5蒸汽流量的检测与处理框图

5  锅炉水位异常保护系统

    为了保证锅炉的安全运行和供给满足汽机要求的蒸汽，余热锅炉设置了水位报警和连锁功能：
根据工艺要求，锅炉设置了六个水位报警、连锁点，高高高的值是100mm，高高的值是80mm，高值为60mm,低低低为－100mm,低低为－80mm，低为－60mm。锅炉水位正常运行在0水位上下，当锅炉水位值〈-60mm或锅炉水位值〉60mm，PLC 监控画面出现报警信息，提醒操作工注意；当锅炉水位值〉80mm，锅炉紧急放水电动门自动打开放水；当锅炉水位值〈-100mm或锅炉水位值〉100mm，锅炉自动停炉，此时锅炉烟道三通挡板阀打到旁通侧，烟气从旁通烟道放散。

6．实际应用中的锅炉液位控制回路组态

    在济钢发电项目中，余热锅炉自动控制系统采用美国GE公司的90-70系列PLC，其编程组态采用CIMPLICITY自动化工控软件，该软包含两个部分：过程控制组态软件：Openprocess和人机界面开发软件HMI。Openprocess采用SAMX图组态，通过功能块的选择和搭建，很容易实现用户的控制思想。图6是济钢发电厂锅炉液位控制回路SAMX图组态。

图6    液位控制回路SAMX图

7  结束语

    三冲量锅炉液位控制系统，在济钢发电厂的实际生产中取得了良好的应用效果，液位的波动量一般在正负10mm内，不仅保证了蒸汽轮机安全、稳定生产的需要，而且大大减少了操作工的劳动强度。为济钢创造良好的经济效益和社会效益奠定了坚实的基础。