F级燃机汽包水位检测波动及处理分析

摘 要 介绍了汽包水位在锅炉运行中的重要作用，汽包水位变化的动态特性，水位的控制方案及选择，着重介绍了三冲量给水控制系统的原理和调节过程以及应用效果。

关键词 燃气轮机；汽包水位；三冲量调节

前言

锅炉汽包水位是锅炉正常运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与锅炉的负荷、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，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。

1 给水系统简介

高中压给水泵均为一用一备，高中压给水泵出来的水经过给水调门，进入高压或中压汽包，高压蒸汽从高压过热器进入高压缸。中压蒸汽经过再热器进入中压缸。低压给水来自凝结水，汽水混合物从低压蒸发器上集箱通过上升管进入低压汽包，饱和蒸汽通过低压过热器进入低压缸[1]。

2 锅炉汽包水位特性

汽包及蒸汽管中贮藏着蒸汽和水，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。当水位过高时，会影响汽包内汽水分离的效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破裂、叶片断裂等事故。因此，汽包水位过高或过低的后果都极为严重，所以必须严格加以控制。

3 汽包水位控制策略和方式

常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制和三冲量控制方式。

单冲量水位调节系统是以汽包水位为唯一调节信号的单参数单回路调节方法，调节器只根据水位变化去改变给水调节阀的开启度。一些小容量锅炉水位受到扰动后的反应速度较慢，虚假水位现象不太严重，再配上一些报警装置就可以安全操作，采用单冲量调节方法可以满足生产要求。

串级三冲量控制系统中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信號使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了“虚假水位”引起的反向作用，减少了水位和给水流量的波动幅度。由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。

综上所述，由于单冲量控制系统不能克服“虚假水位”带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。

4 DCS系统内汽包水位计算方式

图1为DCS所用水位测量功能块，需要水位信号和压力补偿信号。

右图所用的水位测量原理经过此功能块进行补偿计算得出最终水位。参考水柱为环境温度或者与汽包内部相同的饱和温度。百分比的水位计算公式如下：

Lvl = （dRefCol – dDrmStm – LvlIn * dTransWtr） / （dDrmWtr – dDrmStm）

其中：Lvl = 计算所得百分比水位。（范围表示为0到1）

dRefCol 参考水柱的密度

dDrmWtr 汽包内水温

dDrmStm 汽包内蒸汽的密度

dTransWtr 变送器校验水密度

LvlIn = 差压变送器测量百分比水位

5 水位补偿公式推导

液位变送器所示的差压简单的来说就是参考水柱的重量减去汽包中水和蒸汽的重量：

TransDiffPress = D * dRefCol – Lvl * D * dDrmWtr – （1 – Lvl） * D * dDrmStm

其中：

D = 水位测量高低压侧取样口的距离

Lvl = 水位百分比 0 – 1.0.

dRefCol 参考水柱密度

dDrmWtr 汽包内水的密度

dDrmStm 汽包内蒸汽的密度

推导得出水位Lvl为：

TransDiffPress = D * （dRefCol – dDrmStm – Lvl * dDrmWtr + Lvl * dDrmStm）

TransDiffPress = D * （dRefCol – dDrmStm） – D * Lvl * （dDrmWtr – dDrmStm）

Lvl = （D * （dRefCol – dDrmStm） – TransDiffPress） / D* （dDrmWtr – dDrmStm）

TransDiffPress = LvlIn * D *dTransWtr

D = 1.0

Lvl = （dRefCol – dDrmStm – LvlIn * dTransWtr） / （dDrmWtr – dDrmStm）

其中所需密度均通过压力补偿和经验公式计算得出。

6 结束语

汽包水位作为燃机机组的重要参数，关系到机组负荷调节和安全运行，必须对其进行安全有效和精准的测量与调节，消除系统误差和扰动。采用三冲量调节方式可以有效避免虚假水位的干扰，保证机组的安全运行。

参考文献

[1] 赵勇.S109FA燃气轮机余热锅炉汽包水位及汽温控制策略[J].华电技术，2010，32（7）：42-44.

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