水位三冲量调节控制策略及串级调节参数整定

锅炉汽包水位三冲量调节系统是火电厂锅炉核心控制之一。汽包水位三冲量调节系统的给水调节阀动作频繁，锅炉水位对给水调节阀执行机构的动作比较敏感，稍有不慎就可能出现严重的危险情况，汽包水位三冲量调节系统关系到整个机组的安全运行：1.若汽包水位过高，会造成蒸汽带水；2.若汽包水位过低，会造成锅炉“干锅”，可能严重烧坏锅炉设备。汽包水位三冲量调节系统的重要性由此可见一斑，所以汽包水位的相关保护要完善可靠、汽包水位自动调节系统运行要平稳。 目前，汽包水位三冲量自动调节控制策略已经相当成熟，但在实际锅炉运行中会各种原因导致水位自动调节系统投入困难，甚至自动不能投入。这种现象让人对串级三冲量调节系统的调节能力和控制策略产生疑问。为此，对级三冲量调节系统进行定性分析，并对一些异常情况的处理办法进行探讨。 1、水位三冲量调节控制策略 汽包水位三冲量调节系统使用的三个冲量分别是汽包水位、给水流量和蒸汽流量。 汽包水位作为主调（PID调节器）的输入信号，去抑制水位本身的偏差。

副调（外给定调节器）使用了一个反馈信号（给水流量）和一个前馈信号（蒸汽流量），以消除扰动和虚假水位。

各种介绍汽包水位三冲量调节系统的书籍中，都有对传递函数的计算，这些计算对系统设计很重要。如果用经验调节法对于系统维护，则完全可以抛开理论计算。在此只对其物理意义进行定性思考和作一番揣测。1.1 反馈信号反馈信号指给水流量信号，也叫内扰。水位三冲量调节系统中被调量发生变化的时候，PID经过运算，去控制执行机构进行合理的动作，执行机构改变给水调节阀的开度，阀门控制介质变化，达到控制给水流量的目的。可是给水调节阀执行机构特性、水位三冲量调节系统的运行状况存在很多差异，这些差异主要有：①执行机构线性：执行机构改变开度后，流量随之改变的大小。②执行机构死区：PID 输出每变化多少，执行机构才能动作一次。③执行机构空行程：执行机构在改变动作方向的时候，改变多少开度，给水流量才发生变化（减去死区的值）。④执行机构回差：执行机构进行开、关两个方向的动作的时候，流量变化不相等，这个流量变化绝对值的差叫回差。⑤执行机构及阀门的特性曲线改变：阀门线性改变，阀门每变化1%，流量变化量与以往不同。⑥水位三冲量调节系统软故障：偶尔发生的系统故障使得给水流量变化不均匀，或者时有停顿。⑦系统介质参数发生变化：指因给水压力、蒸汽压力变化导致给水流量变化。 上述差异会对系统的调节造成干扰，甚至上述的情况在运行过程中也在变化。介质参数随时发生变化，其它参数可能缓慢发生变化，大家必须关注这些变化因素。在一个中等容量的机组中，一般汽包水位对给水流量的变化非常敏感，流量变化10t/h左右，就会造成水位逐渐上升。通常执行机构动作1%的开度，就足以造成10t/h的流量变化。 水位三冲量调节系统主调的输出给副调一个给水量的指令。如果给水流量信号与这个指令不一致，副调的作用使执行机构改变给水调节阀开度，去让流量信号与主调的输出去一致；如果主调输出没有波动，而流量信号有波动，说明执行机构、阀门甚至给水压力等因素发生变化，这些变化的因素叫做内扰。此时若不管这些变化，将最终会影响到汽包水位，等汽包水位变化后主调再进行调节，就会因延误而过调；副调的作用就是快速消除扰动，如果调节合理则有可能让汽包水位不受干扰或者少受干扰。给水流量信号的设立，一个很重要的作用就是消除内扰。1.2 前馈信号 前馈信号是指蒸汽流量信号。也叫外扰。 当机组负荷需求波动会引起燃烧和蒸汽流量的波动。在蒸汽流量波动的时候就应该及时对系统进行调节，若等到汽包水位开始波动的时候再调节给水流量，汽包水位可能因波动速度较快而纠正较慢出现较大波动。为了克服外扰，所以加入蒸汽流量这个信号。假设机组负荷需要增大，蒸汽流量随之增大，此时不等汽包水位降低，在副调里预先增大给水流量，最终使得汽包水位保持平稳。 引入蒸汽流量信号是为了为了克服外扰和“虚假水位”。所谓“虚假水位”是指当机组负荷突然增加，锅炉输出蒸汽量突然增大，此时锅炉因蒸发量增加，给水量未来得及变化，此时汽包水位应该降低；但锅炉出汽量突然增大导致蒸汽压力突然降低，使汽包里汽水混合物中的汽泡急剧增加，汽泡鼓动着汽包水位虚增，造成了汽包水位增高的现象。锅炉出现虚假水位时汽包水位增高，主调使得执行机构关小，加剧了水位降低的情况。但是因为前馈信号的存在，蒸汽流量一旦增大，副调的PID命令执行机构开大，抵消了虚假水位造成的影响。因此副调的反馈信号和前馈信号作用非常大，也非常有必要。 1.3 三冲量控制策略图

2、水位三冲量调节常规参数整定规律 有人对串级调节系统的参数整定比较生疏。因为串级系统参数较多，比较不容易分析。下面我们分步骤对参数整定方法作个探讨。

2.1 设置副调流量系数 包括给水流量系数和蒸汽流量系数。这两个系数没有固定值。如果副调的比例作用很弱，这两个系数甚至可以取消不用。之所以要设置流量系数，是要提醒读者注意：在调试过程中，切不可先令副调比例作用过强！否则有可能造成系统震荡，最终导致安全事故。一般我们预设这个系数为0.3左右，蒸汽流量系数和给水流量系数应该大致相等。2.2 设置副调的比例带非常大，积分时间为无穷大 比例作用的大小因系统而异。原则上应该先把副调作用放很小，以防止系统或者副调震荡。2.3 设置主调的积分时间为零，比例作用比较弱 之所以没有给出比例作用的具体数值，是因为根据不同的系统、不同的DCS系统、不同的程序或PID调节器，这个值差异很大。一般来说，副调的比例带可以先设为150-600，主调比例带设为100-200。2.4 逐渐降低主调比例带 根据观察结果，逐渐增强比例作用，直到系统接近平稳。 或者继续增强比例作用，直到系统接近于等幅震荡，然后把此时的比例带除以0.6，基本上接近于可用了。但是对于汽包水位系统，最好不要调到等幅震荡，这样会使系统处于危险的境地。2.5 逐渐增强主调积分作用 积分作用逐渐增强，能在较短时间（10分钟左右）内消静差即可。 积分作用不能放得很强，切记！主调积分作用太强不仅没有好处，还会带来危害。因为在被调量开始强势回调的时候，需要调节器的输出也要快速回调，这样才能使得被调量不会大幅度超调，而这时候如果积分作用很强，积分作用会使得调节器的输出不仅不回调，而且还可能按照原来的趋势继续调节，一直等到被调量和设定值接近相等的时候，才开始回调，此时为时已晚，必然造成大幅度的超调。要记住：主调积分的目的是为了消除静差的。只要系统没有静差，积分作用就不必要增强。2.6 不使用微分作用 微分作用可以超前调节，但水位三冲量调节系统不使用微分。因为水位、流量信号大多存在着微小的波动，微分作用会将这些波动放大，造成干扰。2.7 主调比例带与副调比例带相乘。减弱主调作用，逐渐增强副调作用 主调比例带与副调比例带相乘的积，固定一个数，大约增强副调多大幅度，就减弱主调多大幅度，乘积基本保持不变。 在修改主、副调参数的时候应该先减弱一个，再增强另一个，以免系统引起震荡。2.8 副调比例作用增强到足够抑制给水流量的扰动为止2.9 在负荷大幅度改变时，观察副调的曲线，防止震荡的发生 这个阶段容易被忽视，但是非常重要！负荷大幅度波动时候，流量最容易引起震荡，此时减弱副调的比例作用，直到不发生震荡为止，然后为了安全，再次稍微减弱副调作用。在调节副调的同时，还需要注意改变主调的比例作用。2.10 注意修改主调的积分作用 在反复整定主调、副调比例参数之后，要记得积分作用也需要修改。如果副调的比例作用减弱，那么积分作用也要相应减弱，因为调节器的输出是比例和积分相权衡的结果。 至此水位三冲量调节系统基本调试结束。为了防止副调震荡，还可以对副调的反馈系数和前馈系数进行修改，基本同减弱副调比例带的作用相当。切记在修改系数时一定要把该系统切换为手动运行方式，否则可能对调节器造成较大干扰，甚至危害锅炉安全运行。

三冲量汽包水位控制原理及应用教程

锅炉汽包水位是锅炉生产过程的主要工艺指标，同时也是保证锅炉安全运行的主要条件之一。汽包水位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且还会使过热器结垢，或使汽轮机叶片损坏；当汽包水位过低时，轻则影响水汽平衡，重则烧干锅炉，严重时会导致锅炉爆炸事故的发生。所以锅炉水位是一个极为重要的被控变量。在具体工艺生产过程中，常常由于蒸汽负荷的波动和给水流量的变化打破汽包内的平衡状态，对汽包水位造成干扰，最终导致假液位。所谓“冲量”实际就是变量，多冲量控制中的冲量，是指引入系统的测量信号。在锅炉控制中，主要冲量是水位。辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量，它们是为了提高控制品质而引入的。

1、三冲量控制的引入目前锅炉汽包水位调节常采用单冲量、双冲量及三冲量等三种调节方案，现分别对它们的基本原理和特性加以讨论。①单冲量水位调节系统 单冲量水位调节系统的原理如图1所示。由图1可知，这种类型的水位调节系统，是一个典型的单回路调节系统，被调参数是汽包水位，调节参数是锅炉的给水量。它适用于停留时间较长(亦即蒸发量与汽包的单位面积相比很小)，负荷变化小的小型锅炉(一般为10t/h以下)。但对于停留时间较短，负荷变化大的系统就不适应了。

图1 单冲量水位调节原理

图2 单冲量水位调节系统控制策略

图2 单冲量水位调节系统控制策略从图2可以看出：单冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器和调节阀(或变频器)构成。当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于汽包内蒸汽压力瞬间下降，水的沸腾加剧，汽泡量迅速增加，汽泡不仅出现于水的表面，而且出现于水面以下，由于汽泡的体积比水的体积大许多倍，结果形成汽包内液位升高的现象。因为这种升高的液位不代表汽包内储液量的真实情况，所以称为“假液位”。此时PID调节器会错误地认为测量值升高，从而关小给水调节阀，减小给水量。等到这种暂时汽化现象一旦平稳下来，由于蒸汽量的增加，给水量反而减少，会使水位严重下降，甚至降到液位危险区，造成事故。为了克服由于蒸汽负荷量波动造成“假液位”的现象，我们把蒸汽流量的信号引入汽包水位调节系统，这样就构成了双冲量调节系统。②双冲量水位调节系统双冲量水位调节系统的原理如图3所示。双冲量液位调节系统是在单冲量液位调节的基础上，引入了蒸汽流量作为前馈信号来消除“假液位”对调节的不良影响，它是采用互补原理对“假液位”现象进行控制的。当出口蒸汽流量突然增大时，它将使液位上升(假液位)，这时调节系统根据变化量大小，使给水量也增大一个数值。当给水量突然增大时，将使汽包液位下降(假液位)。这样，经过叠加作用，将使汽包液位基本维持不变，从而达到克服假液位的目的。缩短了过渡过程的时间，改善了调节系统的静态特性。这是一个前馈-反馈的调节系统。它能在给水压力比较平稳时，克服只是由于负荷频繁变化的工况下较好地完成液位控制任务。(此调节系统比较适合用于30t/h以下的锅炉)。

图3 双冲量水位调节原理

图4 双冲量水位调节系统控制策略

从图4可以看出：双冲量水位调节系统控制策略由汽包水位测量差压变送器、PID调节器、差压式流量计(孔板或喷嘴+差压变送器+流量积算仪)或涡街流量计、数学运算器(加法器)、调节阀(或变频器)构成。但当给水量频繁扰动时，控制系统却不能及时反映给水侧的扰动，存在一定滞后。若给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差无法保持正常，给水调节对象却没有自平衡能力。此时的双冲量调节系统还是无法满足汽包液位的正常调节。为了克服由于给水压力扰动的现象，我们将给水流量的信号也引入汽包液位调节系统，这样就构成了三冲量调节系统。③三冲量水位调节系统 三冲量水位调节系统是在单冲量调节系统和双冲量调节系统的基础上又引入了给水流量信号。此时的调节系统利用汽包水位、蒸汽流量、给水流量三个参数进行液位调节。蒸汽流量作为前馈信号；汽包水位为主参数，给水流量为副参数构成串级回路。它是一个前馈-串级调节系统。这种调节系统宜用于大型锅炉，因为锅炉容量越大，汽包的相对容水量越小，允许波动的蓄水量就更小。如果给水中断，可能在很短的时间内就会发生危险；这样就对汽包水位控制提出更高的要求。锅炉液位三冲量控制系统的组成形式较多，现分析如下。2、三冲量调节系统的两种控制方案①方案1(如图5所示)

图5 三冲量水位调节控制策略一

图5 三冲量水位调节控制策略一用加减器位于调节器之前的方案，该方案实质上是前馈(蒸汽流量)加反馈控制系统，但被调参数为几个参数的综合量。此控制方案是把PI调节器放在加减器的后面，因而三个参数都能得到PI调节规律的调节，但由于他们的动态特性各不相同，所以调节器的参数不易整定；同时由于调节器的测量是三个参数运算过后的数值，因此就不能保证汽包水位稳定在给定值上，因此这种控制策略不可行，在此仅作为讲解演示用。②方案2(如图6所示)

图6 三冲量水位调节控制策略二

图6 三冲量水位调节控制策略二加减器和调节器构成了加减器位于调节器之后的方案，该方案与方案1相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈－串级控制系统，此控制方案是把PI调节器放在加减器的前面，好处是抓住了主要矛盾。汽包水位先经PI调节器调节，保证了汽包水位趋于给定位置。系统稳定时，蒸汽流量信号和给水流量信号在加减器内相互平衡，能使系统趋于稳定。两种方案都是用蒸汽流量、汽包水位、给水流量三冲量控制给水调节阀。就两种三冲量控制方案相比较而言，图4方案优于图3方案。3、三冲量的前馈-串级反馈控制系统三冲量的前馈-串级反馈控制系统的原理如图7所示。

图7 三冲量水位调节控制策略三

图7 三冲量水位调节控制策略三在三冲量前馈-串级反馈调节系统中，主要冲量是水位，辅助冲量是蒸汽负荷和给水流量。汽包液位为主变量，也是被控变量，它是反映锅炉汽包工作状态的主要工艺指标，也是保证锅炉安全工作的必要指标;，蒸汽流量作为前馈信号引入，是为了克服蒸汽流量的波动对汽包液位的影响，并有效地克服由于假液位现象引起的控制系统误动作；给水流量为副变量，它引入目的是利用串级控制系统中副回路克服干扰的快速性来及时的克服给水压力变化对汽包液位的影响。辅助冲量是为了提高控制品质而引入的。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级调节系统。这种控制策略是一种实用、可靠的优选策略，这种控制策略结合最佳PID参数整定，保障了水位控制效果。

根据串级控制系统选择主、副调节器正反作用的原则，水位调节器LC选反作用，流量调节器选为正作用；

而给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的。如果高压蒸汽供给蒸汽重要负荷时，为保护这些设备应选用气开(F.C)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，应选用气关(F.O)阀为宜。综合起来考虑，一般选带保位装置(F.I)的给水阀，即事故状态下该阀停在原位，在具体应用中选电动阀作为给水阀。当水位由于扰动升高时，因LC反作用，它的输出下降进入运算器后，使FC给定值下降而输出增加，调节阀开度减小，给水量减少，水位也下降，直至回到设定值上达到新的平衡。当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀开大，给水量增加，保持水、蒸汽平衡，使水位不变。副回路克服给水自身的扰动，更进一步地达到自动控制，稳定水位的目的。由于汽包液位是锅炉装置关键仪表，针对目前现有的单台变送器测量无法保证仪表的可靠性，如变送器故障、检测元件的故障、取压管路的堵塞、信号电缆的传输故障等问题。因此我们将水位测量增加为3台。采用汽包水位信号三取中的联锁保护回路，当其中某1台仪表故障时，不会导致三冲量控制系统失灵。从而提高控制的可靠性。保证了锅炉的安全运行。总之，锅炉汽包水位控制方案有诸多种，因每台锅炉的特性及实际工况的不同而异，就此所介绍的是使用常规仪表对锅炉汽包水位进行自动控制的几个较为典型的方案。三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。如今，智能仪表的发展和计算机在工业自控领域的广泛应用，又为汽包水位自动控制系统开拓了更加广阔的天空。

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