本文通过对锅炉汽包水位控制原理的分析，阐述了影响控制锅炉汽包水位平稳控制的因素，并着重汽包水位串级三冲量控制系统进行了探讨，结合兰州石化公司动力厂锅炉运行的形势，对锅炉汽包水位的控制提出了建议。
兰州石化公司动力厂目前有3台单汽包自然循环燃气锅炉。锅炉运行时负责向厂区供应炼油装置所需的中压及低压蒸汽。该厂锅炉并不等同于其他的电站锅炉。首先燃料供应方面，该厂锅炉使用炼厂平气和天然气进行掺烧，燃料组分并不稳定，随时可能发生燃料供应压力和组分的变化。其次，在蒸汽供应方面，由于炼油装置的生产用汽情况随时可能发生变化，再加上兰州石化公司动力厂中压蒸汽管网产气源较多，蒸汽压力和流量均在时时刻刻发生变化。这就使得锅炉在控制稳定性方面较一般的电站锅炉来说，干扰因素较多。
1、汽包锅炉给水控制对象的动态特性
①给水流量W扰动下水位的动态特性
给水流量扰动包括两种情况：一种是由给水调节阀开度变化造成的给水流量扰动，另一种是由给水调节阀前后压差变化引起的给水流量一扰动，前者是调节形成的基本扰动，而后者则是给水流量的自发扰动。
②蒸汽流量扰动下的水位动态特性
当蒸汽量阶跃增加(假定用汽量突然增大，锅炉热负荷同时增加)时、如不考虑水下气泡容积的变化、水直立呈直线下降。如仅考虑气泡容积的变化，由干蒸发量增大，气泡容积迅速增加、水位迅速增加。可见，当负荷増加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但水位不仅不下降、反而迅速上升；反之、当负荷减小时、水缸反而先下降，这种就是我们通常说的“虚假水位”，主要是由于负荷变化时，水面下气泡容积的变化导致的。而当气泡容积与负荷相适应达到稳定状态后，水位的变化就只由物质平衡的关系决定。
③燃料扰动下水位的动态特性
当燃料发生变化时，如燃料率阶跃增加，炉膛热负荷增强，锅炉蒸发强度增大，汽压升高。水面下的气泡容积增大同样会导致“虚假水位”现象的发生。汽包水位同样会出现一个先上升而后下降的曲线。
2、给水控制系统类型的分析
鉴于上述给水系统控制对象动态特性的分析，给水控制系统应符合以下基本要求：
首先，由于汽包水位在给水流量扰动下的水位阶跃响应曲线为无自平衡能力，并且有较大的延迟，因此必须采用带比例作用的控制器保证控制的稳定。
其次，汽包水位在蒸汽流量扰动下，水位阶跃响应曲线表现有“虚假水位”，为了克服此现象对控制的不利影响，引入蒸汽流量的补偿信号。
第三，给水压力的波动会导致给水流量的波动，应将给水流量作为反馈信号，及时消除干扰。
满足上述三点要求的给水自动控制系统，目前常用的是以下三种：
①单冲量给水系统
②单级三冲量给水控制系统
③串级三冲量给水控制系统
3、兰州石化公司动力厂锅炉汽包水位控制的建议
兰州石化公司动力厂锅炉装置现有两台75t/h中压蒸汽动力锅炉，一台130t/h中压蒸汽动力锅炉。锅炉的编号由南向北依次为1#、3#、2#锅炉。1#锅炉为UG-75/3.82-Q4型燃气锅炉，始建于2001年10月，投产于2003年4月。2#锅炉为XG-130/3.82-Q型燃气锅炉，始建于2014年3月，投产于2014年12月。3#锅炉为UG-75/3.82-Q5型燃气锅炉，2011年10月建成投产。三台锅炉控制系统均采用DCS控制系统。昌晖仪表制造有限公司在本文以兰州石化公司动力厂1#锅炉为例详细说明汽包水位三冲量控制系统。
锅炉给水系统：由第二套500t/h(经过除油除铁换热器)、第三套670t/h除盐水装置供给的一级除盐水通过锅炉除盐水专线进入除氧器后，经除氧器进行热力除氧后由给水泵入口母线至锅炉给水泵加压后进入给水泵出口母线，之后分为三路：第一路经锅炉主给水线至省煤器入口联箱、省煤器、省煤器出口联箱后进入汽包；第二路经锅炉减温水线去锅炉面式减温器，用以调整锅炉过热蒸汽温度，减温器回水与第一路水在省煤器入口联箱前混合后经省煤器、省煤器出口联箱向汽包供水；第三路去喷水式减温减压器作为减温水使用。
兰州石化公司动力厂1#锅炉汽包液位采用串级三冲量控制系统。点击汽包水位三冲量控制按钮，进入三冲量控制主界面。水位信号1#锅炉共有三个汽包水测量信号，分别为L1101、L1102、L1103，采用三取中值的判断方式。外给定调节器(副调节器)则是控制1#锅炉的汽包给水流量。根据给水流量FI1101显示控制给水流量调节阀FV1101-1。三冲量投入时，蒸汽流量FI1104作为前馈参与控制汽包液位。而在开炉或者低负荷运行状态下，采用单回路控制投入按钮，或采用旁路给水调节控制。
锅炉汽包水位控制的建议
①低负荷时采用给水旁路来控制汽包水位。
锅炉负荷低时，给水流量较小，只有通过旁路调节阀才能有效地控制汽包水位。此时不能投用串级三冲量控制，汽包水位的控制采用单冲量控制方式通过PI2控制器控制调节阀开度。
②在给水泵上使用变频给水泵或者汽轮泵，用调速给水泵代替调节阀来进行控制水位，提高给水泵的工作效率。锅炉装置主要用电量在引送风机、给水泵运行。该方法对于降低用电量，挖潜增效有较大的意义。
③根据不同的生产调整工况，对汽包水位自动控制的PI控制器的比例带和积分时间进行整定，通过观察参数响应曲线，可以有效地根据一段时间的生产运行情况，提升汽包水位自动控制的控制平稳率。
④目前兰州石化公司动力厂三台锅炉在夏季生产运行时，经常出现低负荷运行的情况。其中1#锅炉、3#锅炉甚至出现过夏季生产负荷在50t/h以下运行的情况。在低负荷运行时，汽包水位的自动控制可能存在偏差。建议负荷在45t/h以下运行，解除三冲量汽包液位控制，采用单回路控制，并手动控制减温水用量，锅炉汽包液位会更加平稳。
锅炉低负荷运行时，锅炉的水循环系统运行工况都较在正常负荷运行水平较差，长时间运行对于水冷壁管可能出现水循环不良导致受热不均匀的情况的出现。因此，建议锅炉还是在设计规定的负荷下运行，保证锅炉的寿命。
作者：李顺博、赵启杰
