本文通過對鍋爐汽包水位控制原理的分析，闡述了影響控制鍋爐汽包水位平穩控制的因素，并著重汽包水位串級三沖量控制系統進行了探討，結合蘭州石化公司動力廠鍋爐運行的形勢，對鍋爐汽包水位的控制提出了建議。

蘭州石化公司動力廠目前有3臺單汽包自然循環燃氣鍋爐。鍋爐運行時負責向廠區供應煉油裝置所需的中壓及低壓蒸汽。該廠鍋爐并不等同于其他的電站鍋爐。首先燃料供應方面，該廠鍋爐使用煉廠平氣和天然氣進行摻燒，燃料組分并不穩定，隨時可能發生燃料供應壓力和組分的變化。其次，在蒸汽供應方面，由于煉油裝置的生產用汽情況隨時可能發生變化，再加上蘭州石化公司動力廠中壓蒸汽管網產氣源較多，蒸汽壓力和流量均在時時刻刻發生變化。這就使得鍋爐在控制穩定性方面較一般的電站鍋爐來說，干擾因素較多。

1、汽包鍋爐給水控制對象的動態特性
①給水流量W擾動下水位的動態特性
給水流量擾動包括兩種情況：一種是由給水調節閥開度變化造成的給水流量擾動，另一種是由給水調節閥前后壓差變化引起的給水流量一擾動，前者是調節形成的基本擾動，而后者則是給水流量的自發擾動。
②蒸汽流量擾動下的水位動態特性
當蒸汽量階躍增加(假定用汽量突然增大，鍋爐熱負荷同時增加)時、如不考慮水下氣泡容積的變化、水直立呈直線下降。如僅考慮氣泡容積的變化，由干蒸發量增大，氣泡容積迅速增加、水位迅速增加。可見，當負荷増加時，雖然鍋爐的給水量小于蒸發量，但水位不僅不下降、反而迅速上升；反之、當負荷減小時、水缸反而先下降，這種就是我們通常說的“虛假水位”，主要是由于負荷變化時，水面下氣泡容積的變化導致的。而當氣泡容積與負荷相適應達到穩定狀態后，水位的變化就只由物質平衡的關系決定。
③燃料擾動下水位的動態特性
當燃料發生變化時，如燃料率階躍增加，爐膛熱負荷增強，鍋爐蒸發強度增大，汽壓升高。水面下的氣泡容積增大同樣會導致“虛假水位”現象的發生。汽包水位同樣會出現一個先上升而后下降的曲線。

2、給水控制系統類型的分析
鑒于上述給水系統控制對象動態特性的分析，給水控制系統應符合以下基本要求：
首先，由于汽包水位在給水流量擾動下的水位階躍響應曲線為無自平衡能力，并且有較大的延遲，因此必須采用帶比例作用的控制器保證控制的穩定。
其次，汽包水位在蒸汽流量擾動下，水位階躍響應曲線表現有“虛假水位”，為了克服此現象對控制的不利影響，引入蒸汽流量的補償信號。
第三，給水壓力的波動會導致給水流量的波動，應將給水流量作為反饋信號，及時消除干擾。

滿足上述三點要求的給水自動控制系統，目前常用的是以下三種：
①單沖量給水系統
②單級三沖量給水控制系統
③串級三沖量給水控制系統

3、蘭州石化公司動力廠鍋爐汽包水位控制的建議
蘭州石化公司動力廠鍋爐裝置現有兩臺75t/h中壓蒸汽動力鍋爐，一臺130t/h中壓蒸汽動力鍋爐。鍋爐的編號由南向北依次為1#、3#、2#鍋爐。1#鍋爐為UG-75/3.82-Q4型燃氣鍋爐，始建于2001年10月，投產于2003年4月。2#鍋爐為XG-130/3.82-Q型燃氣鍋爐，始建于2014年3月，投產于2014年12月。3#鍋爐為UG-75/3.82-Q5型燃氣鍋爐，2011年10月建成投產。三臺鍋爐控制系統均采用DCS控制系統。昌暉儀表制造有限公司在本文以蘭州石化公司動力廠1#鍋爐為例詳細說明汽包水位三沖量控制系統。

鍋爐給水系統：由第二套500t/h(經過除油除鐵換熱器)、第三套670t/h除鹽水裝置供給的一級除鹽水通過鍋爐除鹽水專線進入除氧器后，經除氧器進行熱力除氧后由給水泵入口母線至鍋爐給水泵加壓后進入給水泵出口母線，之后分為三路：第一路經鍋爐主給水線至省煤器入口聯箱、省煤器、省煤器出口聯箱后進入汽包；第二路經鍋爐減溫水線去鍋爐面式減溫器，用以調整鍋爐過熱蒸汽溫度，減溫器回水與第一路水在省煤器入口聯箱前混合后經省煤器、省煤器出口聯箱向汽包供水；第三路去噴水式減溫減壓器作為減溫水使用。

蘭州石化公司動力廠1#鍋爐汽包液位采用串級三沖量控制系統。點擊汽包水位三沖量控制按鈕，進入三沖量控制主界面。水位信號1#鍋爐共有三個汽包水測量信號，分別為L1101、L1102、L1103，采用三取中值的判斷方式。外給定調節器(副調節器)則是控制1#鍋爐的汽包給水流量。根據給水流量FI1101顯示控制給水流量調節閥FV1101-1。三沖量投入時，蒸汽流量FI1104作為前饋參與控制汽包液位。而在開爐或者低負荷運行狀態下，采用單回路控制投入按鈕，或采用旁路給水調節控制。

鍋爐汽包水位控制的建議
①低負荷時采用給水旁路來控制汽包水位。
鍋爐負荷低時，給水流量較小，只有通過旁路調節閥才能有效地控制汽包水位。此時不能投用串級三沖量控制，汽包水位的控制采用單沖量控制方式通過PI2控制器控制調節閥開度。
②在給水泵上使用變頻給水泵或者汽輪泵，用調速給水泵代替調節閥來進行控制水位，提高給水泵的工作效率。鍋爐裝置主要用電量在引送風機、給水泵運行。該方法對于降低用電量，挖潛增效有較大的意義。
③根據不同的生產調整工況，對汽包水位自動控制的PI控制器的比例帶和積分時間進行整定，通過觀察參數響應曲線，可以有效地根據一段時間的生產運行情況，提升汽包水位自動控制的控制平穩率。
④目前蘭州石化公司動力廠三臺鍋爐在夏季生產運行時，經常出現低負荷運行的情況。其中1#鍋爐、3#鍋爐甚至出現過夏季生產負荷在50t/h以下運行的情況。在低負荷運行時，汽包水位的自動控制可能存在偏差。建議負荷在45t/h以下運行，解除三沖量汽包液位控制，采用單回路控制，并手動控制減溫水用量，鍋爐汽包液位會更加平穩。
鍋爐低負荷運行時，鍋爐的水循環系統運行工況都較在正常負荷運行水平較差，長時間運行對于水冷壁管可能出現水循環不良導致受熱不均勻的情況的出現。因此，建議鍋爐還是在設計規定的負荷下運行，保證鍋爐的壽命。
作者：李順博、趙啟杰