摘要:根据转炉炼钢厂的生产特点，设计编制了炼钢厂余热锅炉自动补水控制系统，为安全生产创造了必要的先决条件，为生产的正常进行提供及时的指导。
关键词:汽包 水位 单冲量控制 双冲量控制 三冲量控制 动态特性
1 引言
汽包水位是锅炉运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量，维持水位在一定范围内是保证锅炉正常运行的首要条件，这是因为：(1)水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，同时过热蒸汽温度急剧下降，该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，将会影响汽轮机的叶片，影响运行的安全性和经济性。(2)水位过低，说明汽包内的水量,过少，而当负荷较大时，水的汽化速度加快，而汽包内的水位变化速度亦随着加快，如不及时补水调节，就会使汽包内水全部汽化，导致炉管损坏，甚至引起爆炸。因此，汽包内锅炉水位控制要求比较高。根据锅炉容量的大小和对供汽质量的要求，汽包水位控制可采用单冲量、双冲量或三冲量控制方案，其效果各有长短。
锅炉给水控制系统结构图，见图l。
图1 锅炉的汽水系统
如图l所示，汽包水位不仅受汽包(包括循环水管)中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷、蒸汽压力炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量S)和给水流量w。
2 汽包水位的动态特性
2.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性
图2中所示是给水流量w作用下，水位L的阶跃响应曲线。如包的给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如上图L1曲线。
图2 给水流量作用下水位阶跃响应曲线
但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量w增加后，从原有饱和水中吸收部分热量，这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时，水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升，最后当水位下汽泡容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此，实际水位曲线如图中L线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。
2.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性
在蒸汽流量S扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3所示。当蒸汽流量S突然增加时，从锅炉的水位平衡关系来看，蒸汽量S大于给水量w，水位应下降，如图中曲线L1。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中L2所示。而实际显示的水位响应曲线L为L1+L2。
图3 蒸汽流量作用下水位阶跃响应曲线
从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假液位”。应当指出的是：当负荷突然变化时，水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为“虚假液位”。应当指出的是：当负荷突然变化时，水位下汽泡容积变化而引起水位的变化速度是很快的，一般为10～20秒。
“虚假液位”的变化幅度与锅炉的汽包压力和蒸发量有关。对于产汽量l00t/h～230t/h的中高压锅炉，当负荷变化10％时，“虚假液位”可达3040㎜。“虚假液位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，这给控制带来一定困难，在设计控制方案时，必须加以注意。
2.3 汽包水位在炉膛热负荷作用下的动态特性
当燃料量突然增加时，传给锅炉水的热量也增多，上升管的蒸发强度增大，使蒸发面下的汽泡膨胀，液位上升，随之蒸汽流量及汽包压力增加，但是给水流量并没增加，因而这种液位变化也属于“虚假液位”。当热量和水量在炉内重新达到平衡时，液位才慢慢回降。然而这种由于燃料量的突然变化引起的虚假液位比较小，而且热负荷可由蒸汽压力调节系统来保证，因而这种扰动的因素是次要的。
3 几种锅炉汽包水位的控制方案
3.1 单冲量控制系统
单冲量控制系统(冲量一词指的是变量，单冲量即汽包液位)是采用汽包液位直接控制给水调节阀(如图4所示)，它是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统。该系统结构简单，投资少，容易实现，用于小型低压锅炉。因为这种锅炉的蒸汽负荷比较稳定，汽包的相对容积大，用户对蒸汽的要求往往不十分严格，该控制系统若再配上一些报警联锁装置，也可以满足生产要求。
图4 单冲量控制系统方框图
在停留时间较短，负荷变化较大时，就不能采用单冲量液位控制系统。这是因为：(1)负荷变化时产生的“虚假液位”将使调节器反向错位动作，负荷增大时反而关小给水调节阀，当闪急汽化平息下来时，会使水位严重下降，产生剧烈波动，调节的动态品质很差。(2)负荷变化时，从负荷变化到水位下降再到调节阀动作，滞后时间太长，如果水位过程时间常数很小，偏差必然很显著。(3)给水系统扰动时，例如给水泵压力变化，进水量立即变化，而到水位产生偏差时才使调节阀动作，同样不够及时。
3.2 双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化，那么引入蒸汽流量来校正，不仅可以补偿“虚假液位”所引起的误动作，而且使给水调节阀的动作及时(如图5所示)，这就构成了双冲量控制系统。从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈(蒸汽流量)加单回路反馈控制系统构成的复合控制系统。当蒸汽流量加大时，给水流量亦要相应增加，此时选用气开阀，加法器的输出应增加，即应该取正号。
图5 双冲量控制系统方框图
双冲量控制系统有两个缺点：(1)调节阀的工作特性不一定完全是线性，这样要做到静态补偿就比较困难；(2)对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此将引人给水流量信号，构成三冲量控制系统。
3.3 三冲量控制系统
3.3.1 三冲量控制方案I—前馈(蒸汽流量)加反馈(液位，给水流量)控制系统
该系统可看作三冲量的综合信号作为被控变量的单回路控制系统，投运和整定与单回路控制系统一样，但是如果系统参数设置不能确保物料平衡，则负荷变化时，水位将有余差。
3.3.2 三冲量控制方案Ⅱ—蒸汽流量前馈给水流量串级控制系统
3.3.3 三冲量控制方案Ⅲ—蒸汽流量前馈液位与给水流量串级控制组成的控制系统
三冲量控制方案I：方案I宜作为一般锅炉液位的控制方案，其特点是使用的设备少，整定方法比较简单，调节机构动作比较平稳。
三冲量控制方案Ⅱ：与方案I比较，其加法器从调节器前移至调节器后，即使出现物料不平衡的现象，只要液位有偏差，调节器的积分作用就能消除偏差。
三冲量控制方案Ⅲ：采用这种控制方案，在负荷变化时给水流量会及时做出相应变化，调节时间也比较短，对于克服“虚假液位”的动态偏差有进一步的好处。适用于大容量高压锅炉，而且要求水位控制严格的场合。
4 几种控制方案的比较
单冲量液位控制是汽包液位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假液位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以液位波动较大。
双冲量液位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”对调节品质的不良影响，当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假液位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与液位的波动，缩短调节的时间。而且引人的蒸汽流量的前馈信号，能改善调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量液位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。
当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制电锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把液位控制平稳，在双冲量液位调节的基础上引入了给水流量信号，由液位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量液位控制系统，在这个系统里，汽包液位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号。
三冲量液位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉。
为保证炼钢生产的需要，在生产中采用了单冲量与双冲量调节自动给水系统。经过无数次的调改调节参数实验，系统中配上一些报警联锁装置最终能保证生产需要。当转炉没有吹氧时，采用单冲量调节(调节水位)，通过程序控制不断调节调节阀开度，使汽包内水位达到汽包的中间水位(320㎜)，这时调节阀关闭。当转炉开始吹氧时，采用双冲量调节(调节水位、给水流量)，程序中控制最终调节给水流量为45T/H，不断调节调节阀开度给汽包补水，使汽包内水能保证生产的需要。在生产过程中产生的蒸汽与动力厂蒸汽并网。
为保证生产要求，画面、程序中设置一些连锁报警：
汽包水位正常水位线320mm，见图6，当汽包水位>540mm，汽包最高水位报警；当汽包水位<100㎜，汽包最低水位报警。
图6 汽包水位
当汽包内压力过高时，汽包两个放散阀满足不同要求时，(当汽包压力≥2.3MPa，l#放散阀打开；当汽包压力≤2.1MPa，l#放散阀关闭；当汽包压力≥2.2MPa，2#放散阀打开；当汽包压力≤2.0MPa，2#放散阀关闭。)汽包放散阀打开，使汽包压力降低。
汽包水位还与给水泵有连锁，当汽包水位<270mm一次，给水泵的频率为45HZ高速补水，当汽包水位>340㎜一次，给水泵的频率为25HZ低速补水，当汽包水位<320mm一次，给水泵的频率为45HZ高速补水。
100吨转炉近两年来的生产，锅炉自动补水系统一直正常使用，经住了考验，没有出现大的问题，保证了安全生产。
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