寇　恒

(天津城市职业学院，天津　300250)

基于PLC的蒸汽锅炉汽包水位自动控制系统的研究

寇恒

(天津城市职业学院，天津300250)

摘要：蒸汽锅炉的控制主要是对锅炉汽包水位进行控制，对于蒸汽锅炉汽包水位的控制主要有：单回路控制方式、双冲量控制方式、三冲量控制方式三种。本位主要基于PLC对蒸汽锅炉的控制，对锅炉的汽包水位控制的基本原理进行分析。并分析这三种控制方式的优缺点进行得出最后结论。

关键词：蒸汽锅炉汽包水位；PLC控制；控制方法对比

一、蒸汽锅炉汽包水位系统概述

图1汽水系统结构图

图1描述了蒸汽锅炉的蒸汽-液体系统的基本结构，从图中可以看出，在水汽交换过程中，蒸汽与水以混合物的形式存在的位置是锅炉汽包和蒸汽管。锅炉自动控制系统中一个非常重要的环节就是控制汽包水位，本论文要分析基于PLC的蒸汽锅炉的锅炉汽包水位控制系统的研究。汽包水位控制系统就是要保持液位恒定不变，就要保持它的输入的给水量和输出的蒸汽量相等才行。

锅炉汽包的液位控制的好坏直接关系到锅炉运行的状况，因此保持汽包内的液位在设定的范围，即蒸发量和输入量要相等是十分重要的，这是安全生产进行的首要条件。这是因为：

一旦水位低于标定值，没有连续加水，汽包很容易因为水量太少，汽化速度快，最后因为没有足够的水而导致锅炉损坏，造成巨大的经济损失。

如果水位高于标定值，即水位偏高，此时给汽水分离带来一定的影响，会使分离的蒸汽中混入液体水，蒸汽质量大大降低，不但降低蒸汽温度，而且进入过热器后，附着在管壁上结垢，长期会导致关闭破裂。蒸汽温度不达标，有带水现象，还对汽轮机叶片造成损害，造成严重的经济后果。因此锅炉汽包水位一定要严格控制在标定值之内。

二、蒸汽锅炉汽包水位调节对象的特性

根据锅炉系统的运行特征可知，在多项影响因素中，给水量W、蒸汽输出量D、汽包压力、燃料变化等几个存在较大作用。除了这四个主要因素，对汽包液位有影响的还有储水量的大小、锅炉负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等。

对锅炉而言，燃料变化情况对于汽包水位的具有不同作用，因此在研究汽包水位的变化特征时应考虑这个影响的特点，我们用输出滞后和容量滞后两个研究变量进行计算和分析。在实际运行过程中，汽包内的压力是蒸汽负荷的研究范围之一，而这种压力并不会影响到锅筒内的水位变化。我们以锅筒中的水液分离分离界面为分界线，汽包内的蒸汽面积就是液面之上的部分，下面的体积为水汽混合物，根据上述水位调节因素的作用可以推导出公式1，用来描述锅炉的汽包水位的变化特征。

(1)

式中各项参数的涵义为：

h——汽包的水位高度；

T1，T2——时间常数，s；

D——锅炉内的蒸汽流量，kg/s；

W——锅炉的给水流量，kg/s；

TW——给水流量项的时间常数，s；

TD——蒸汽流量项的时间常数，s；

KW——给水流量项的放大倍数；

KD——蒸汽流量项的放大倍数。

根据公式1，我们认为，给水量和蒸汽输出量是主要的决定了锅炉的汽包液位水平的变化条件，因此要有效的调节汽包液位进行相应变化，关键就在于对这两个要素的调整。

(一)给水流量在汽包液位变化过程中的作用特征

图2描述的就是给水流量变化的条件下，引发的汽包液位发生动态变化的发展趋势。在图中我们可以看出，阶跃调整的给水量导致汽包液位的变化特征曲线中有明显的惯性延迟现象，而不是对应直接增加的特征。对锅炉而言，由于与汽包原有的饱和水有温差的水在进入汽包必然会产生热量吸收的过程，降低了汽包水的温度，进而导致其容积减少，从而降低了汽包液位的高度，当水量平稳时，给水量的增加使得液位随之升高，由于汽包容积是不变的，因此给水量是决定汽包液位的主要原因。

图2　给水流量作用下水位变化阶跃响应曲线

根据公式1，设定锅炉的蒸汽负荷为常量，推导出公式2，这就是给水流量与汽包水位之间的关系模型：

(2)

对上式进行拉普拉斯变换，可得：

T1T2s2H(s)+T1sH(s)=TWsUW(s)+KWUW(s)

(3)

这样，就可以得出单独由给水量作用于汽包液位的传递函数式(4)：

(4)

对于本文研究的锅炉的中压类型，由于其给水流量项的时间常数较小，因此可对公式4继续加以简化：

(5)

式(5)描述的是汽包液位的动态变化趋势，从公式中可以看出其变化特征包括了一个一阶惯性参数和另外一个积分系数。这两个参数分别代表了锅炉的串联工作完成，分数控制体系和积分章节，这实际上就是对汽包液位的控制算法的数学描述。即：

(6)

τ—纯滞后时间。τ随着给水温度的降低而变大。通常，τ在15～100s之间。若使用省煤器的情况下，省煤器也会产生延迟，τ会变大。在非沸腾式省煤器的锅炉类型中，τ=30-100s，对于沸腾式省煤器的锅炉来说，τ的取值范围为100-200s。

事实上，由于一个纯之后环节和一阶惯性环节近似，所以两种近似方法在本质上没有什么不同。

(二)蒸汽流量的变动给汽包液位带来的动态变化特性

如果假设颜料变化值恒定，当锅炉的蒸汽流量发生改变时，必然会改变气保业务，这体现了质量平衡的基本原理，也就是说，蒸汽流量的变化对汽包液位的动态变化的特征主要就是通道干扰作用，也就是给水量的变化小鱼蒸汽流量导致的水位变化特征。而事实上，如果蒸汽使用量突然增加时，汽包内的蒸发量必定加大，随之汽包内的压力下降，导致闪蒸现象，即蒸汽急速产生，沸腾强烈，汽包增加快，汽包内的液位也变高，记为H2。实时显示的水位变化则是两个变化量的叠加H=H1+H2，也就是在蒸发量变大时，由于锅炉的给水量供应不变，在开始瞬间，液位发生不减反增的现象，而后再发生下降现象，此现象就是“虚假水位”。图3描述的是汽包液位咋蒸汽流量降低的过程中的变化特征，从图中可以看出，突然减少的蒸汽流量并不能使水位发生现行降低，而是一个先降后升的动态变化过程。

图3　蒸汽流t扰动下水位变化阶跃响应曲线

在这种情况下，汽包水位的动态微分方程可以表示为：

(7)

对上式进行拉普拉斯变换，可得：

T1T2s2H(s)+T1sH(s)=-[TDsUD(s)+KDUD(s)]

(8)

于是，我们得到汽包水位在蒸汽流量扰动下的传递函数：

(9)

为便于理解，我们对上式进行化简，得到：

(10)

或：

(11)

式中，K0=(KDT2-TD)/T1——响应曲线H2的放大系数；

T0=T1/KD；

Kf=1/T0——上升速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度；

T2——响应曲线；

H2——的时间常数。

应当强调的是：汽包液位因为蒸汽负荷变动时，而发生的变动用时间是很短的，意思就是在蒸汽用量变化的开始，H2远大于H1，一般情况下，10～20s。

“虚假水位”的变动与汽包压力和锅炉负荷紧密相关，而且是反向特性，这也就意味着锅炉负荷越高的情况下，虚假水位导致的汽包液位变化问题会更加严重，例如对于中高压锅炉来说，锅炉负荷增加10个百分点的时候，相应的虚假水位的变化幅度可达到30-40mm，这在水位控制中已经属于非常严重的波动过程了，因此控制虚假水位的影响是一个非常重要的调节因素。

对于汽包水位控制体系来说，由于存在这种干扰程度较高的虚假水位的问题，导致给水量和蒸汽负荷这两个影响因素的作用要远高于燃料和压力的扰动作用，因此控制因子变量的限制要求的重点研究对象就是给水量和蒸汽负荷两大关键数据的动态变化特征。在设计汽包水位控制系统时，如果我们把给水量控制在一个平稳的变化区间，必然产生阶梯型变化的蒸汽负荷数据，由于蒸汽流量的变动范围较大使得锅筒内压力随之改变，导致汽包内的水汽混合问题加重，这是虚假水位产生的前提，在实际工作中就会出现水位控制结果相反的不良后果。而蒸汽锅炉的物理特性也是必须考虑的控制因素之一，这个问题主要是指对流管束这一系统组成部分，由于其对汽水变化影响作用较高，因此必须在控制过程中考虑到这个问题的存在，他主要体现在控制系统的延时问题。我们设计水位控制系统的非线性的扰动滞后特征，主要就是为了降低虚假水位和系统延时这两个实际控制中存在的干扰因素的作用。

三、蒸汽锅炉汽包水位控制方式

(一)单回路控制方式

图4单回路控制系统框图

锅炉在工作状态时，负荷的变化往往对汽包的汽压带来很大影响，很容易产生“虚假水位”的现象。而对汽包液位的控制在随着锅炉的发展而进步。通常有如下几种方式：

单回路控制方式：如果对汽包液位使用单回路方式控制(单回路也叫但冲量控制方式)，也就是仅仅把液位作为唯一的控制变量，控制系统方式结构图如图4所示。调节器接收到变送器送来的汽包液位值H，和给定值H0进行比对，调节器根据对比的偏差，让执行器动作，来调节汽包液位，达到维持汽包液位平衡的目的。这种控制方式的优点很显然，就是结构不复杂，如果在负荷变动不大、“虚假水位”情况不严重的状况下使用起来，再配合PID调节器就能满足一般的控制要求。但是，事实并不是这么简单，很多时候锅炉的状况变化时很突然的。一旦出现负荷变动大的情况，汽包内“虚假水位”的现象严重，在最初的调节时，会出现“反向”调节，扩大水位差，延迟调节时间，使调节时间变的太长。

(二)双冲量控制方式

锅炉汽包液位的控制，重点在于对如果对汽包液位的控制，而让液位发生变化的是锅炉负荷。根据这种情况，我们绘制了双重两方式完成自动控制的系统的控制流程图，图中前馈信号是蒸汽流出量，而控制体系的核心控制信号的决定权则是由液位来进行比对的。如果蒸汽量突然发生变化，此时有一个和蒸汽量变化方向相同的给水信号输出，对“虚假水位”产生的假水位进行调节，较好的提高了控制质量。双冲量控制方法的缺点就是，如果给水量发生突变时，调节有些延时，必须等到汽包水位发生变化时，才能进行调节，滞后明显较长，对水位的控制还是达不到精确。

图5双冲量控制系统框图

(三)三冲量控制方式

图6三冲量控制系统框图

双冲量控制方式虽然较单回路方式有所改进，但是还是不能做到完全补偿。首先调节阀动作时不是线性变化的，不能做到精确的补偿；其次，给水的扰动不能及时消除。结合以上特点，可以将给水流量作为控制参数之一，形成三冲量控制方式，控制系统框图如图6所示。

从图6可以知道，蒸汽流量和给水量分别为主、副控制参数。蒸汽流量是前馈补偿的主要扰动，给水流量是辅助冲量，整个形成串级的前馈复合控制系统。一个是给水流量测量调节系统，另一个是水位变化调节系统，其中给水调节为辅助回路。蒸汽负荷出现变动之后，蒸汽流量随之而产生变化，虚假水位不产生的原因就在于对给水控制器的反应信号与蒸汽流量同向。水阀的开关控制就是为了平衡给水流量，保证给水信号的反馈的及时性，消除扰动问题。由于给水流量信号也是一种反馈信号，控制器能较早的接受到结果，使控制器动作加快，极大的稳定了水位，对“虚假水位”的消除效果较好。因此三冲量控制方法较为合理科学。其优点有两点如下：

1.对比单回路和双冲量控制方式，其控制效果最好，对系统要求的快速性、稳定性、准确性完成率较高。

2.对“虚假水位”现象的消除效果最好。

结语

汽包水位控制是基于PLC控制蒸汽锅炉的核心部分，本问内容主要是对锅炉的汽包水位控制的基本原理进行分析。分析考虑了蒸汽锅炉汽包水位调节对象的特性，对比了三种蒸汽锅炉汽包水位的控制方法，最后得出三冲量控制方法最合适。通过分析还需要建立PID模糊控制模型，进一步求证和计算，尤其是不同的汽包水位的蒸汽流量的变化规律，并根据这个趋势特征提出了基于模糊管理理论的模糊控制规则，构成锅炉汽包水位系统的模糊控制器。

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Research on Steam Boiler’s Drum Water Level Automation Control System Based on PLC

KOU Heng

(TianjinCityVocationalCollege,Tianjin, 300250)

Abstract:Controlling of the steam boiler is mainly to control the boiler drum level, the main control for drum water level of steam boiler includes: single-loop control mode, dual impulse control mode, three-impulse control mode. This paper analyzes basic principle of the boiler water level control based on the PLC control of boiler drum water level. And the advantages and disadvantages of these three modes are analyzed to reach a final conclusion.

Key words:steam boiler’ drum water level; PLC control; comparison of control methods

收稿日期：2016-03-03

作者简介：寇恒(1982-)，男，天津市人，天津城市职业学院机电与信息工程系教师，讲师，专业及研究方向：电气自动化。

中图分类号：TP399

文献标识码：A

文章编号：1673-582X(2016)05-0054-06