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1 工藝簡介
在濟鋼燃氣―蒸汽聯合循環發電的工程中，余熱鍋爐采用自然循環臥式鍋爐，每臺機組包括中壓鍋爐和低壓鍋爐各一臺，其工藝過程為：
從燃機做功后排出的煙氣，經進口煙道進入三通煙道，當機組單循環時，煙道三通擋板閥打到旁通側，煙氣經旁通煙囪排空；當需要聯合循環時，煙道三通擋板閥打到鍋爐側，煙氣經過渡煙道進入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷中壓過熱器，中壓蒸發器，中壓省煤器和低壓蒸發器，最后經出口煙道及主煙囪排空。鍋爐供水系統分兩路，一路為低壓給水，低壓給水直接進入低壓鍋筒，由下降管進入低壓蒸發器管屏，蒸發吸熱后上升進入低壓鍋筒進行汽水分離，分離后飽和水回下降管，低壓蒸汽由低壓鍋筒上部引出、經減壓后進入除氧器用于除氧。一路為中壓給水，來自除氧器，中壓給水由中壓省煤器加熱后進入中壓鍋筒，通過中壓鍋筒下部的集中下降管進入中壓蒸發器管屏，水吸熱后部分變成了蒸汽，上升進入鍋筒進行汽水分離。分離后飽和水再進入集中下降管，而飽和蒸汽從鍋筒上部引至中壓過熱器，通過過熱器的進一步加熱，變為完全沒有水滴的蒸汽，經過蒸汽集汽箱的調溫，供給汽輪機發電用。
2 鍋爐水位控制的必要性
在鍋爐系統的檢測與控制中，鍋爐水位的檢測和控制非常重要，要求水位穩定在正常規定值上，不能太高也不能過低。原因有二：
（1）水位高于正常規定值，會減少蒸汽空間，使蒸汽在汽包汽空間的流速增加，所攜帶的水滴也增加，影響蒸汽品質，甚至水可能沖過過熱器。由于鍋爐水中溶解有各種鹽類如：鈉鹽、硅酸鹽，這些鹽隨水滴留在蒸汽中，當蒸汽進入過熱器時，水滴在過熱器中汽化，鹽類積聚在過熱器壁上形成垢，妨礙傳熱，使蒸汽溫度達不到要求，另外，由于過熱器管壁結垢使得其不能被汽流冷卻，造成管壁溫度升高，會燒壞管子。如果帶水蒸汽進入汽輪機，其硅酸鹽又會隨著蒸汽壓力的降低附著在汽輪機的噴嘴和葉片上，影響設備的使用壽命和汽輪機的功率。
（2）如果汽包水位低，蒸發器的流量減小，一方面會導致蒸發器管發生超溫破壞，另一方面也影響蒸發器內的換熱系數。因此，汽包水位的控制非常重要，對其穩定控制是保證鍋爐及蒸汽輪機安全生產的關鍵。\
3 鍋爐液位控制方案確定
3．1汽包水位的動態特性分析
3.1.1 汽包水位在給水流量作用下的動態特性
給水流量對水位的影響是直接的，當蒸汽流量和蒸汽壓力不變時，給水量增加△G，水位應該升高，給水量與水位的對應關系用H1曲線表示。但是，由于給水的水溫低于汽包飽和水的溫度，所以，給水的增加使汽包內水溫降低，水容積內蒸汽會凝結，使水容積減小，水位降低，等到汽包凝結穩定后汽包容積不變，水位也不變，這種對應關系用曲線H2表示，綜合上述因素可得到給水量變化時水位反應曲線H ，見圖1。
圖1 給水擾動的水位反應曲線
3.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的動態特性
蒸汽流量的改變也直接影響著汽包液位的改變，當給水量不變，而蒸汽用量突然增加時（設增加量為△D），此時水位要降低。其對應關系用H1表示，但蒸汽用量增加時汽包壓力會減小，汽包水容積內部的水會自蒸發成蒸汽，蒸汽比容大，占體積大使整個水容積變大，表示出水位升高，這就是所謂的“虛假水位”現象。這種對應關系用曲線H2表示，綜合上述因素可得到蒸汽量變化時水位反應曲線H，見圖2。
圖2 蒸汽量擾動的水位反應曲線
綜合上述給水量和蒸汽量與水位的關系曲線，可以得出以下結論：
（1）汽包在給水流量的作用下，具有滯后性，水位不會自平衡；
（2）汽包水位在蒸汽流量作用下，不僅沒有自平衡，而且具有“虛假水位”的現象。
3．2鍋爐水位控制系統分析
在過程自動化控制中，單回路控制通常是一種簡單有效的控制措施，但是對于鍋爐液位控制系統來說，由于鍋爐特有的虛假水位現象，使得單回路控制無法滿足鍋爐水位的控制要求。因為這種控制系統是以汽包水位作為被調參數構成PID控制回路，PID回路根據汽包實際水位與設定水位的偏差，輸出控制信號給調節閥，來增加水量或減少水量，直到實際水位與設定水位一致為止。但是，如果汽包水位的升高是由于蒸汽用量增加而引起的虛假升高，按照上述控制原理，回路也應該輸出控制信號，減少給水量，而實際的要求恰恰相反，蒸汽用量的增加必然造成汽包水位的下降，應該增加給水量來維持汽包液位的平衡。所以僅僅依靠單回路控制方法無法滿足鍋爐水位穩定的控制要求，特別是在負荷較大情況下其缺點更為突出。針對單回路控制的缺點，我們把直接影響鍋爐水位的蒸汽流量和給水流量引入回路控制，構成三沖量鍋爐液位調節系統，見圖3，將蒸汽流量和給水流量作為前饋，當蒸汽量增加時，先給調節器一個增加水量的信號，減少或抵消由于虛假水位引起的閥門誤動作信號。當給水量出現擾動時，調節器及時反應，因此，大大減少了水位的波動，縮短了調節的過渡時間，提高了調節質量。
圖3 三沖量控制原理圖
aw：水流量系數
as：汽流量系數
Fw：給水流量
Fs：蒸汽流量
4 鍋爐系統中的信號檢測與處理
信號檢測的可靠與準確，是一切控制的基礎。在濟鋼鍋爐液位控制系統中，從硬件的配置到軟件的處理，我們都力求作到精確可靠。為鍋爐液位的穩定控制提供可靠保證。
4．1 鍋爐液位的檢測與處理
4.1.1 雙支檢測信號處理
為了增加鍋爐液位檢測的可靠性，現場設兩套液位檢測裝置，兩路信號進入PLC后，PLC程序首先判斷信號是否有效，如果兩支都有效，顯示取兩者的平均值，如果某路信號無效，此路信號將被自動棄用。信號處理原理見圖4。
圖4 雙支信號檢測處理原理圖
平均液位L=（L1+L2）/2
（1） 鍋爐液位的壓力補償
在鍋爐運行中鍋爐飽和水密度和飽和蒸汽密度與鍋爐汽包的壓力密切相關，這也是造成鍋爐虛假水位的根本原因，為了準確的了解鍋爐的實際水位，必須對鍋爐液位進行壓力修正。
鍋爐運行中汽包水密度ρ1與汽包蒸汽密度ρ2的關系曲線見圖5。
圖5 汽包水密度ρ1、汽包蒸汽密度ρ2與汽包壓力的關系曲線
據此關系可計算出不同壓力下汽包內水和蒸汽的密度ρ1、ρ2。
將ρ1、ρ2帶入關系式：Hw=[ΔP/ g +Hr（ρr-ρ2）]/（ρ1-ρ2）中即可得出補償后的液位。
注：ρr：標準水柱內水的密度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：變送器兩端差壓 Pa
4．2蒸汽流量的檢測與處理
蒸汽流量的檢測及蒸汽溫度的檢測都設置了雙支檢測，其處理方法同液位的處理方法。由于蒸汽的流量受蒸汽溫度和壓力的影響很大，需要進行溫壓補償。軟件處理框圖見圖5
圖5蒸汽流量的檢測與處理框圖
5 鍋爐水位異常保護系統
為了保證鍋爐的安全運行和供給滿足汽機要求的蒸汽，余熱鍋爐設置了水位報警和連鎖功能：
根據工藝要求，鍋爐設置了六個水位報警、連鎖點，高高高的值是100mm，高高的值是80mm，高值為60mm,低低低為－100mm,低低為－80mm，低為－60mm。鍋爐水位正常運行在0水位上下，當鍋爐水位值〈-60mm或鍋爐水位值〉60mm，PLC 監控畫面出現報警信息，提醒操作工注意；當鍋爐水位值〉80mm，鍋爐緊急放水電動門自動打開放水；當鍋爐水位值〈-100mm或鍋爐水位值〉100mm，鍋爐自動停爐，此時鍋爐煙道三通擋板閥打到旁通側，煙氣從旁通煙道放散。
6．實際應用中的鍋爐液位控制回路組態
在濟鋼發電項目中，余熱鍋爐自動控制系統采用美國GE公司的90-70系列PLC，其編程組態采用CIMPLICITY自動化工控軟件，該軟包含兩個部分：過程控制組態軟件：Openprocess和人機界面開發軟件HMI。Openprocess采用SAMX圖組態，通過功能塊的選擇和搭建，很容易實現用戶的控制思想。圖6是濟鋼發電廠鍋爐液位控制回路SAMX圖組態。
圖6 液位控制回路SAMX圖
7 結束語
三沖量鍋爐液位控制系統，在濟鋼發電廠的實際生產中取得了良好的應用效果，液位的波動量一般在正負10mm內，不僅保證了蒸汽輪機安全、穩定生產的需要，而且大大減少了操作工的勞動強度。為濟鋼創造良好的經濟效益和社會效益奠定了堅實的基礎。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號