锅炉三冲量控制

学习主要内容

· 锅炉三冲量控制

1. 锅炉设备的概念与原理

1.1 什么是锅炉

1.2 锅炉的工作过程

1.3 汽水共腾与水击

1.4 热力除氧

1.5 锅炉的汽包

学习主要内容

1.6 锅炉的高水位与低水位

1.7汽包的虚假水位

2. 锅炉设备的控制

2.1 锅炉的汽包水位控制

2.2 锅炉的三冲量控制

2.3 常见故障和处理措施

2.4 生产注意事项

锅炉设备的概念与原理

1.1 什么是锅炉

锅炉是火电过程的一个重要传热设备，根据生产符合提供一定温度或者压力的蒸汽，保证汽轮机发电机组的运行；也是一种生产蒸汽或热水的热力设备，将燃料的化学能转化为热能。

废热锅炉是用水把工艺系统中产生的热量（废热、余热）经过换热器回收产生蒸汽的设备。

锅炉设备的概念与原理

如下图是废热锅炉的工作原理图

锅炉设备的概念与原理

1.2 锅炉的工作过程

锅炉的工作包括热量的产生、热量向水传热和蒸汽产生的过程，这三个过程在锅炉中同时进行。

（1）热量的产生

· 在我们的变换单元，余热锅炉的热源是变换气所含的热能。

锅炉设备的概念与原理

1.2 锅炉的工作过程

（2）热量向水的传热过程

高温气体通过废锅的换热管，加热锅炉内的水，使水变成饱和蒸汽。

锅炉设备的概念与原理

（3）蒸汽的产生过程

蒸汽的产生过程，主要包括水循环和汽水分离过程。锅炉给水经给水泵加压，送至过换热器预热，然后进入汽包。锅炉工作时，汽包中的水是处于饱和状态下的汽水混合物，位于高温区的换热管束由于受热较强，相应地汽水混合物的比重较小，而汽包内的汽水混合物的比重较大，因此汽包内的汽水混合物则往下流入换热器壳程，换热器内的汽水混合物则从换热器壳程的顶部往上流入汽包，这就形成了余热锅炉的自然循环，汽水混合物在汽包内大量分离以产生蒸汽，蒸汽经过热器后进入蒸汽管网。

锅炉设备的概念与原理

1.3 汽水共腾与水击

汽水共腾发生的原因有二：锅炉的水质太差、负荷增加和压力降低过快。

（1）锅炉的水质太差。

当锅炉水质过差时，其中的悬浮物、含盐量、碱度超标。在汽水分离时，锅炉水表面层附近含盐浓度过高，锅水粘度很大，气泡上升阻力增大。在负荷增加、汽化加剧时，大量气泡被粘阻在锅水表面层附近来不及分离出去，形成大量泡沫，使锅水表面上下翻腾。

锅炉设备的概念与原理

1.3 汽水共腾与水击

（2）负荷增加和压力降低过快。

当水位高、负荷增加过快、压力降低过速时，会使水面汽化加剧，造成水面波动及蒸汽带水。

锅炉设备的概念与原理

1.3 汽水共腾与水击

（3）水击

蒸汽进入到充满液体的管道中或在管道中因温度降低出现液体冷凝，由于蒸汽冷凝体积缩小所生成的空间迅速由附近液体占据，造成管道中压力瞬间急剧变化，此过程中液体向中心区域撞击由此释放出来的冲击波撞击管道壁的产生震动现象。

锅炉设备的概念与原理

1.4 热力除氧

根据亨利定律，在一定温度和压力下，气体在液体里的溶解度和溶液上方该气体的平衡分压成正比。在锅炉中，通过雾化及淋水等方法使水与蒸汽直接接触并加热到工作压力下的饱和温度(或使水自身部分汽化)，除去水中溶解氧气(包括其他气体)。

锅炉设备的概念与原理

1.5 锅炉的汽包的作用

（1）是加热、蒸发、过热三个过程的连接枢纽，同时作为一个平衡器，保证锅炉水循环所需要的压力；

（2）存有一定容量的水与汽，具有相当的蓄热量，当锅炉工况变化时，能起缓冲稳定汽压的作用；

（4）汽包中的水循环，也保证了与高温工艺介质相接触的金属受热面得以冷却而不会烧坏

（3）装有汽水分离装置，保证饱和蒸汽的品质；

锅炉设备的概念与原理

1.6 锅炉的高水位与低水位

（1）锅炉的高水位

当现场液位计看不到液位，玻璃管内颜色发暗或者DCS出现高水位报警时，说明此时汽包液位超过规定水位的上限,汽包内蒸发空间缩小,使蒸汽大量带水,造成下游过热蒸汽温度下降、过热器内积垢、腐蚀管路和蒸汽质量下降。严重时会发生蒸汽管道水击事故。

锅炉设备的概念与原理

1.6 锅炉的高水位与低水位

（2）锅炉的低水位

当现场水位计显示低水位，DCS出现低液位报警时，说明汽包液位低于规定水位的下限时,为缺水。锅炉如果缺水严重将造成造成锅炉干烧，烧坏锅炉管束和其他设备。

由于锅炉的高水位与低水位都将导致严重后果，因此必须准确控制好锅炉的水位在标准范围。

锅炉设备的概念与原理

1.7汽包的虚假水位

(1) 虚假高水位

所谓的虚假水位意为不真实水位。产生的原因是：汽包的压力突降，导致锅水饱和温度也下降，并降到该压力下的饱和温度，同时在饱和蒸汽降温过程放出大量热量来自行蒸发，引起锅炉水汽泡增加，体积膨胀，使水位上升，形成虚假高水位。

锅炉设备的概念与原理

1.7汽包的虚假水位

（2）虚假低水位

汽包压力突升，则相应的饱和温度提高，一部分热量被用于锅水加热，使蒸发量减少，锅水中汽泡量减少，体积收缩，促使水位降低，同样形成虚假低水位。

锅炉设备的概念与原理

思考：

学完上面的内容，让我们思考一下，正常生产过程中，哪些因素会影响到我们的锅炉安全运行。

锅炉设备的控制

· 锅炉设备的控制

在锅炉的正常生产中，要使锅炉安全、经济地运行，必须尽量避免汽水共腾、水击的现象，同时当出现高液位或低液位时及时进行调节，在汽包出现虚假液位，及时发现并调整。

解决上述问题的关键，在于如何控稳、控好锅炉的汽包液位。

锅炉设备的控制

2. 锅炉设备的控制

锅炉汽包液位是表征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。液位过高，使蒸汽产生带液现象，不仅降低蒸汽的产量和质量，而且，还会使过热气结垢，或使汽轮机的叶片损坏；当液位过低时，轻则影响水蒸气平衡，重则烧干锅炉，严重时导致锅炉爆炸，直接危及员工的人身安全，造成重大设备等事故 。

自动控制系统

2.1.1锅炉的汽包水位单回路控制

自动控制系统由四部分组成：被控对象、检测元件（包括变送器）、调节器和调节阀等。

锅炉设备的控制

2.1.1 锅炉的汽包水位单回路控制

经验表明，单纯的通过汽包的水位的单回路控制，有三大问题不能解决：

（1）不能克服虚假水位带来的后果；

（2）对蒸汽负荷的变化控制不灵敏；

（3）对给水量的扰动控制延时；

锅炉设备的控制

2.1.2 锅炉的汽包水位-蒸汽流量串级控制

为了解决汽包液位单回路控制的问题，引入了汽包液位—蒸汽流量的串级控制。虽然克服了克服虚假水位的现象，解决了对蒸汽负荷的变化控制的灵敏问题，但是不能克服给水干扰的问题。

为了解决以上的三个问题，必须使用到三冲量控制系统。

2.1.2 双冲量液位控制系统

锅炉设备的控制

2.2 锅炉的三冲量控制

2.2.1 什么是三冲量

冲量的概念及具体含义：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。在锅炉控制系统这中，三冲量是指汽包液位、蒸汽流量、和给水流量三个测量信号，其中，汽包液位是主要冲量。

锅炉设备的控制

2.2.2 引入三冲量的主要原因

汽包液位、蒸汽流量、和给水流量三个测量信号，经过一定运算后，共同控制一个给水阀；汽包信号是被控变量，是反映锅炉工作状态的主要指标，也是保证锅炉安全运行必要指标；引入蒸汽流量信号，是为了及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并有效地防止“假液位”现象引起控制系统的误动作；

锅炉设备的控制

2.2.2 引入三冲量的主要原因

引入给水流量信号的目的是将给水流量信号作为“副变量”，利用串级控制系统中副回路克服干扰快速性来及时地克服给水压力变化对汽包液位的影响 。

锅炉设备的控制

2.2.3 三冲量控制原理

如下图是三冲量控制原理图。

锅炉设备的控制

将上面三冲量控制原理图简化成控制方块图如下：

锅炉设备的控制

2.2.3 三冲量控制原理

原理：冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级控制系统。汽包液位LI是主变量、给水流量FI是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。

锅炉设备的控制

2.2.3 三冲量控制原理

蒸汽流量FI的波动是引起汽包液位的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入流量控制器FC，使给水流量FI作相应的变化，所以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。

锅炉设备的控制

2.2.3 三冲量控制原理

根据串级控制系统选择主、副控制器的正、反作用的原则，水位控制器LC反作用选反作用，流量控制器FC为正作用，调节器为气关阀。

锅炉设备的控制

思考：

为什么锅炉汽包液位控制要用到三冲量控制，它的原理与作用是什么？

锅炉设备的控制

2.3 常见故障和处理措施

常见故障是出现“假液位” 现象时，容易烧干锅炉。此时，仪表维护人员应该检查、测量汽包液位LI的真实性，做相应的处理。

调节阀线性不好，出现DCS控制室调节阀的输出信号和现场阀位的开度对不上，仪表维护人员应联系好工艺，办好检修票的同时，在现场进行多次校验，至到合格为止。

锅炉设备的控制

2.3 常见故障和处理措施

蒸汽流量FI突然波动，给水量控制器FC来不及进行作相应的变化，及时的按干扰量进行控制，应该检查给水量控制器FC的PID参数是否设的合适。

此外，应该经常检查LC、FC调节器的正、反作用是否设的合适，有无更改过等，如有，根据工艺和安全要求，进行合理修改；在进行停车检修后，现场调节阀的作用方式是气关或气关，设定是否更改过，是否满足工艺安全生产的要求等。

锅炉设备的控制

2.4 生产注意事项

· 在实际维护当中，由于蒸汽流量FI的波动，对汽包液位LI的影响，调节不及时，常常出现“假液位” 现象，造成操作人员误判断，容易烧干锅炉，严重时导致锅炉爆炸等事故。

· 根据工艺操作法，严格按照工艺流程进行精心操作，串级回路一定要投自动，不允许按照个人习惯进行手动操作。

锅炉设备的控制

思考：

在实际生产中，锅炉的常见故障有哪些？遇到时又是怎么处理？生产中需要注意事项有哪些？