锅炉汽包水位控制系统的设计.docx

锅炉汽包水位控制系统的设计
目 录
1 引言 1
1.1 论文选题背景、目的和意义 1
1.1.1 电厂热工自动化控制的发展 2
1.1.2 自动控制理论的发展 2
1.2 控制系统规模、组成结构和硬件的发展 3
1.2.1 初级阶段 3
1.2.2 常规仪表阶段 3
1.2.3 大型自动化阶段 3
1.3 国外一些主要的DCS系统 4
2 汽包锅炉工艺 4
2.1 汽包锅炉简介 4
2.2 汽包水位控制系统 5
2.3 汽包水位的动、静态特性 5
2.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 6
2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 7
2.3.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性 8
2.3.4 水位对象静态特性分析 9
3 目前主要存在单冲量水位控制系统、双冲量控制系统、三冲量系统 9
3.1 单冲量水位控制方案 9
3.2 双冲量控制方案 10
3.3 三冲量控制系统 13
3.3.1 三冲量控制方案之一 13
3.3.2 三冲量控制方案二 15
3.3.3 三冲量控制方案三 16
3.4 几种控制方案的比较 18
3.5 最优方案解析 19
3.6 三冲量控制系统的工程整定 21
3.6.1 输入信号之间的静态配合 21
3.6.2 控制系统动态整定 23
4 工程中需要注意的问题 25
4.1 关于汽包水位测量的问题 25
4.2 给水阀的选择问题 25
4.2.1 关于给水调节阀的气开气关的选择。 25
4.2.2 关于给水调节阀型号的选择。 25
4.3 给水流量 蒸汽流量 26
5 结束语 26
参 考 文 献 26
致 谢 27

文 摘 本文在具体分析了一些影响汽包水位对象控制主要因数的基础上，讨论了目前通常采用的控制方法,深入分析了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理出发，推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型，通过对几种控制方案的分析、研究与比较，选三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究三冲量系统的特点。随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并略述了工程中需要注意的问题。在此基础上，我们可以了解到汽包水位控制系统的新发展。

关键词 锅炉汽包；水位控制；三冲量控制系统；PID；参数整定；最佳方案

1 引言
1.1 论文选题背景、目的和意义
随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。
本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制，具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。
本课题的目的及意义：锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持在设计值±75~±100mm范围内。
1.1.1 电厂热工自动化控制的发展
自动控制理论及工程应用的发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的飞速发展，自动控制系统应用范围也越来越广泛。电厂热工系统更不例外主要表现在系统越来越大，高参数大容积，除了对控制硬件提出了高可靠性要求之外，对控制理论也不断提出新要求，希望能不断解决新出现的控制难题，自动控制的发展主要包括两个方面：（1）控制理论的发展；（2）控制系统规模及组成结构和硬件的发展。
1.1.2 自动控制理论的发展
l “经典控制理论”阶段
上世纪50年代前发展的控制理论被称为“古典控制理论”。它主要研究的自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。经典控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。
l “现代控制理论”阶段
60年代以后发展起来的现代控制理论主要研究MIMO系统。系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。它采用状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。采用状态方程的好处可以研究系统的内部特性，可以分析系统的本质。主要内容包括：（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；（3）非线性系统控制；（4）系统最优控制及自适应控制
l “大系统理论和先进控制理论”阶段
前两个阶段的控制理论的发展与应用，主要讨论存在数学模型的自动控制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典控制理论的方法等无法解决。但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。先进控制主要包括自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。人工智能学科的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的研究领域。70年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。智能控制具有如下特点：以专家和熟练操作工人的知识为基础进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理与决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。先进控制离不开前两个阶段的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。
1.2 控制系统规模、组成结构和硬件的发展
1.2.1 初级阶段
本世纪50年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用比较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。各控制系统之间没有或很少有联系，所应用的理论是经典控制理论。
1.2.2 常规仪表阶段
50年代末及以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，并且机组容量增大，对效率及安全的要求越来越突出，因此热工控制的要求和精度变得越来越高。要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。此时所用的仪表有电动及组装仪表。理论发展主要是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。
1.2.3 大型自动化阶段
70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）阶段，整个机组的生产过程的控制只是其中的一个子系统。采用集中分散型计算机控制系统，DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。水位控制的模式主要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制。甚至应用建模技术，可以对过程实时建摸，更加提高了控制效果。
1.3 国外一些主要的DCS系统
国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。目前，世界上约有40多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。比较有名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的横河——北辰、日立、东芝；德国的Siemens等多跨国公司。这些成熟的DCS系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的DCS系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。
2 汽包锅炉工艺
2.1 汽包锅炉简介
在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统安全运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在一定范围内；（4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。
汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在所有时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数决定的，而且没有很严格的规定，当锅炉压力工作在9.8MPa~18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa时，一般可以采用强制循环。
调节过程特点：汽包水位成为给水控制的唯一标志，因此汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。
2.2 汽包水位控制系统
众所周知，工业过程控制系统的安全性、稳定性、准确性和经济性是企业考虑的重中之重，是衡量系统是否可靠的重要指标。随着工业自动化整体水平的提高，方案的选择范围增多，但据不同的要求和不同的侧重点，最优方案始终是我们的首选。下面以汽包水位控制系统的设计为例，对几种方案略解。
汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个非常重要的被控量。维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为：①水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气温度急剧下降，该过热蒸汽作为气轮机动力的话，将会损坏气轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。②水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。
2.3 汽包水位的动、静态特性

1—给水母管
2—给水调节阀
3—省煤器
4—汽包
5—下降管
6—上升管
7—过热器
8—蒸汽母管
图1 锅炉给水系统
锅炉汽水系统结构如图1所示，汽包水位不仅受汽包（包括循环水管）中储水量的影响，亦受水位下气泡容积的影响。而水位下气泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因数很多，其中主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D）、给水流量W和燃料扰动。下面着重讨论在给水流量作用下的汽包水位的动态特性。
2.3.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性

图2 给水流量扰动下水位阶段响应曲线
图2所示是给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包和给水看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中H1线。
但是由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以给水流量增加后，从原有饱和水中吸取部分热量。这使得水位下汽包容积有所减少，使水位下降，单考虑这个因数，水位的变化如图中曲线H2，相当于一个惯性环节，实际上水位H的响应为H1与H2的和。当水位下汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当水位下汽包容积不再变化时，水位变化就完全反映了由于储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图2中H线。即当给水量作阶跃变化后，汽包水位一开始不立即增加，而是呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它近似于一个积分环节和时滞环节的串联。可表示为：

式中——响应速度，即给水流量变化单位流量时，水位的变化速度，（mm/s）/(t/h)
τ——时滞，秒
给水温度低，时滞τ亦越大。对于非沸腾式省煤器的锅炉，τ=30~100s, 对于沸腾式省煤器的锅炉, τ=100~200s
有些文献上响应速度用相对量来表示，即当扰动量为100%时，水位（用相对量来表示，以允许变化的范围为100%）的变化速度。并以的倒数（称为响应时间）来表示。响应时间的定义是：当扰动量为100%时，水位变化100%所经过的时间单位为S。
2.3.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性
蒸汽流量扰动主要来自气轮机的负荷变化，这是一个经常发生的扰动，属于调节系统的外扰。在蒸汽流量D扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图3所示：

图3 汽包水位在蒸汽流量扰动作用下的阶跃响应曲线
当蒸汽流量D突然增加时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量D大于给水量W，水位应下降，如图中直线H1所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽用量的增加，瞬间必然导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中汽包迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图3中H2所示。而实际显示的水位响应曲线H为H1+H2。从图上可以看出，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始时，水位不仅不下降，反而迅速上升，然后在下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）这种现象称之为“虚假水位”。
应该指出：当负荷变化时，水位下汽包容积变化而引起水位的变化速度是很快的，图中H2的时间常数只有10~20S。蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性可用函数表示为：
=+ =+
式中，——响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度，（mm/s）/(t/h);
――响应曲线的放大系数；
　　　——响应曲线的时间常数；
“虚假水位”变化的幅度与锅炉的工作压力和蒸发量有关。例如，一般１００～２００t/h的中高压锅炉，当负荷变化１０％时，“虚假水位”可达３０～４０mm。“虚假水位”现象属于反向特性，其变化与锅炉的气压和蒸发量的变化的大小有关，而与给水流量无关。
2.3.3 燃料量扰动下汽包水位的动态特性
汽包水位在燃料量Ｂ扰动下的响应曲线如图4所示，当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发强度增大。如果气轮机侧的用汽量不加调节，则随着汽包压力的增高，汽包输出蒸汽量也将增加，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将气量Ｄ缓慢增加，故虚假水位现象要比Ｄ扰动下缓和得多。

图4 汽包水位在燃烧率扰动下的阶跃响应曲线
2.3.4 水位对象静态特性分析
对于一台固定容量的汽包锅炉，当设计完成后，其汽包、蒸发管道容量是固定的。汽包及蒸发管道系统中贮藏着蒸汽、水，贮藏量的多少，是以汽包水位Ｈ表征的，其大小受到汽包的流入量（给水量），流出量（蒸发量）之间平衡关系的影响，同时还受到在给水循环、管道中汽水混合物内汽水容积变化的影响。系统输入输出之间的静态关系式为：
　　　　　　　　　　Ｈ＝f (W,D)
其中：Ｈ——汽包水位；
W——给水流量；
D——蒸汽流量；
系统在稳态时，给水量和蒸发量之间保持平衡，汽水容积也保持不变，水位H保持稳定△H=0。
3 目前主要存在单冲量水位控制系统、双冲量控制系统、三冲量系统
3.1 单冲量水位控制方案

图5 单冲量水位控制系统
如图5所示是单冲量变量水位控制系统。单冲量即汽包水位。这种控制结构简单，是单回路定制控制系统，在汽包内水的停留时间较长，负荷又比较稳定的场合下再配上一些锁报警装置就可以安全操作。
然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。这是由于：①负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差。②负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。③给水系统出现扰动时，动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而使调节阀动作，同样不够及时；
为了克服上述这些矛盾，可以不仅依据水位，同时也参考蒸汽流量和给水流量的变化，则可用双冲量或三冲量控制系统来控制给水调节阀，能收到很好的效果。
从反馈控制的思想出发，很自然地会以水位信号Ｈ作为被调量，给水流量作为调节量，构成单回路反馈系统。这是一个基本的控制方案。对于小容量锅炉来说，它的蓄水量较大，水面以下的汽包体积不占很大比重。因此，给水容积延迟和假水位现象不明显，可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压（接近临界压力）锅炉也可采用这种控制对象，因为在超高压汽和水密度相差不大，假水位现象不显著。但是，对于大量的大中型锅炉来说，这种系统不能满足要求。因为汽机耗气量改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重的影响设备的寿命和安全。所以对大中型锅炉不能采用单冲量控制系统，必须寻求其他解决办法。
3.2 双冲量控制方案

（a）原理图
（b）方框图
图6 双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。用双冲量控制系统不但可以引用蒸汽量来效正，而且可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，使给水调节阀的动作及时。其控制系统如图6所示
从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这里前馈仅为静态前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，需引入动态补偿环节。
图6所示连接方式中，加法器的输出Ｉ是：

式中――水位调节器的输出；
　　――蒸汽流量变送器（一般经开放器）的输出；
　　――初始偏置值；
　　――加法器的系数。
C2是取正号还是负号，即进行加法还是减法，要由调节阀的气开或气关形式来确定。一般从安全的角度选用调节阀的气开和气关的。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平机等，那么为保护这些设备以选用气开阀为宜；如果蒸汽作为工艺生产热源时，为保护锅炉设备以采用气关阀，Ｉ应减小即C2应取负号；如果采用气开阀，Ｉ应增加即C2应取正号。
C2的数值应该考虑达到静态补偿。倘使现场试凑，那么应该在只有负荷的情况下调整到水位基本不变，倘使有阀门特性数据，它的放大系数KV是：
＝
式中――阀门输入信号变化量；
——给水流量变化量。
在测量方面，假设为线性，则

式中，—蒸汽流量变送器的输出变化量；
―蒸汽流量变化量；
—蒸汽流量变送器量程，从零开始；
—变送器输出的最大变化范围。
要达到静态补偿，应保持物料平衡，即有：

上式中是一个系数。如果给水流量和蒸汽流量用体积来表示，显然不等于１。即使用重量来表示，由于排污要放出一部分水，进水重量要稍大于蒸汽量，即要求>1。
由于加法器的作用，在负荷变化△时，给水量的变化是：

有些装置中，由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，信号一定相减；而采用另一种接法，即将加法器放在调节器之前。如图7（a）所示：

（a） （b）
图7 双冲量控制系统的其它接法
这样的接法的好处是使用的仪表少，因为一台双通道调节器就可以实现加减和控制的功能。（假如水位调节器采用单比例，则这种接法与图6可以等效转换，差别不大）。
但是，水位调节器采用PI作用，而测量值又是水位与蒸汽流量之差，结果 显然不能保证水位无差。除非流量参数经过微分，而且不引入固定分量，见图7（b）。等效转换后其等式项是：

只有对流量信号不起积分作用，才可保证水位无余差。
3.3 三冲量控制系统
双冲量控制系统还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿不是很准；同时对于给水系统的扰动不能直接补偿。为此，将给水流量信号引入，构成三冲量控制。
3.3.1 三冲量控制方案之一
图8所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽流量）加反馈控制系统。这种三冲量控制方案结构简单，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是如果系统设置不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。

（a）原理图
（b）方框图
图8 三冲量控制方案之一
依据这条原则，可以确定和的比值，具体是这样设置的：
蒸汽流量的变化量与其变送器（线性）的关系是：

给水流量的变化量与其变送器（线性）的关系是：

由物料平衡关系可得：

而
所以，由上两式比较可得：
第二是用来确定前馈作用的强弱，因为上式仅知道和的比值，其大小依据过程特性确定，其大小反映了前馈作用的强弱。越大其前馈作用越强，则扰动出现时，调节阀开度的变化亦越大。
3.3.2 三冲量控制方案二
三冲量控制方案二如图9所示，该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。该方案相当于前馈--串级控制系统，而副回路的调节器比例度为100%，该方案不管系数和如何设置，当负荷变化时，液位可以保持无差。

(a) 原理图

（b） 方框图
图9 三冲量控制方案之二
3.3.3 三冲量控制方案三
图10所示是三冲量控制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量）与串级控制组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位”严重时，需引入蒸汽流量信号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用，以避免由于负荷突然增加或减少时，水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。

(a) 原理图

（b） 方框图
图10 三冲量控制之三
对图10中方框图进行分析。假如副回路跟踪很好，近似为1：1的环节，则前馈补偿模型为：

由前述动态特性可知：

∴

假设，，，事实上不可能得到，因此前馈补偿模型可近似为：

所以蒸汽流量信号引入负微分（无恒定分量）后，可以满足上式，这样动态补偿可以获得较好的效果。
三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如，当耗气量D突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节器错误地指挥调节机构增加给水量。另一方面，D的增大又通过双冲量控制作用指挥调节机构增加给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数的整定。当假水位现象消失后，水位和蒸汽信号都能正确地指挥调节机构动作。只要参数整定合适，当系数恢复平衡以后，给水量必然等于蒸汽流量，水位H也就会维持在设定值。
3.4 几种控制方案的比较
单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动，缩短调节的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量 给水流量是两个辅助冲量信号。三冲量水位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉。
三冲量控制方案一：方案一宜作为一般锅炉水位的控制方案，其特点是使用的设备少，整定方法比较简单，调节机构动作比较平稳。
三冲量控制方案二：与方案一比较，其加法器从调节器前移至调节器后，即使出现物料不平衡的现象，只要水位有偏差，调节器的积分作用就能消除偏差。
三冲量控制方案三：采用这种控制方案，在负荷变化时给水流量会及时做出相应变化，调节时间也比较短，对于克服“虚假水位”的动态偏差有进一步的好处。方案三适用于大容量高压锅炉，而且要求水位控制严格的场合。
3.5 最优方案解析

图11　锅炉汽包水位的三冲量调节系统流程图
从前面的分析、比较，我认为三冲量控制系统是最优控制。下面讨论一种常见的三冲量调节系统:蒸汽流量和给水流量前馈与汽包水位反馈所组成的三冲量系统。
图11中所示的三冲量系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节,而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。
在稳定状态下,水位测量信号等于给定值,水位调节器的输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到的输出电流为:
I0= K1 I1-K2 I2+ K3 I3
式中,I1 为液位调节器的输出电流;I2 为蒸汽流量变送器的电流;I3 为给水流量变送器的电流;K1 、K2 、K3 分别为加法器各通道的衰减系数。
设计K2 I2= K3 I3
此时I0 正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号(为了安全调节阀必须用气关阀) 。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2 相应增加,加法器的输出电流I0 就减少, 从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假水位现象,水位调节器输出电流I1 将增大。由于进入加法器的两个信号相反, 蒸汽流量变送器的输出电流I2 会抵消一部分假水位输出电流I1 , 所以, 假水位所带来的影响将局部或全部被克服。
待假水位过去,水位开始下降,水位调节器输出电流I1 开始减小, 此时, 它与蒸汽流量信号变化的方向相反, 因此加法器的输出电流I0 减小, 意味着要求增加给水量, 以适应新的负荷需要并补充水位的不足。调节过程进行到水面重新稳定在给定值, 给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压力波动而变化时,加法器的输出相应变化,去调节阀门开度,直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量,起到了“超前信号”的作用,使给水阀一开始就向正确的方向移动, 因而大大减小了水位的波动幅度,抵消了虚假水位的影响,并缩短了过渡过程时间。图12为三冲量水位调节方案图, 图13为三冲量水位调节方框图。

图12 　三冲量水位调节方案

图13 　三冲量水位调节方框图
由上面对三冲量系统的一些讨论的同时我们不能忽视其整定的重要性，下面就小论其工程整定问题。
3.6 三冲量控制系统的工程整定
众所周知，要使控制系统具有良好的控制性能，除了必须正确设计以外，还必须正确、仔细的整定。三冲量控制系统的工程整定方法比较特殊，这里主要结合图14所示的系统讨论三冲量控制系统的工程整定问题。
三冲量给水控制系统图如图14所示。

图14 三冲量给水控制系统
3.6.1 输入信号之间的静态配合
对于单冲量系统来说，只要调节器是比例积分动作的，那么，在控制过程结束以后被调量就没有静态偏差。对于三冲量系统则不然，即使采用比例积分调节器，也不一定能保证无差，还必须解决一个输入信号系统的静态配合问题。

现在把图14所示的控制系统以传递函数方框图的形式重画成图15

图15 三冲量控制系统的方框图
图中各符号的意义如下：，，，，，——分别为水位、给水流量和蒸汽流量的一次测量仪表及变送器的传递系数和时间常数，，——分别为水位，给水流量和蒸汽流量的分流系数。——水位设定值到水位设定信号之间的传递函数。——给水调节机构的传递系数。——为调节通道和扰动通道的传递函数。比例积分调节器的传递函数。
由于采用比例积分调节器，当调节过程结束后，调节器的总输入信号为零，即：

也即：
考虑到在给水系统处于稳态时给水量必然等于蒸汽量，即W=D，因此有：

假如在额定蒸汽负荷下，调节系数可以使汽包水位H等于其额定值。
此时上式应变为：

将上两式相减得：

上式就是水位控制系统的静特性，即调节过程结束后水位H与负荷D之间的关系。

图16 三冲量控制系统的静态特性
静特性是直线，如图16所示，直线的斜率决定于和的选择。如果给水信号和蒸汽流信号一样强，即
则在任何负荷下均有它就是图中的直线（1），直线（2）和（3）分别代表大于或小于的情况。
从以上分析可以看出，对于多信号系统，要消除被调量的静态偏差，除了必须采用比例积分调节规律以外，还必须使个输入信号之间保持一定的静态配合关系，才能保证系统具有希望的静态特性，这是多信号系统不同于单信号系统的突出特点之一。
3.6.2 控制系统动态整定
对于三冲量控制系统来说，需要进行整定的参数有5个，即分流系数和调节器比例带及积分时间，上面已经从信号的静态配合上讨论了和的比例关系。下面进一步讨论如何在动态整定中最后确定这些参数。
在图11所示控制系统中，虚线方框所标出的内回路是一个流量自稳定系统。由于流量调节系统的响应很快，可以近似认为且一般也很小，可以忽略不计，于是有：

此时，整个内回路的等效传递函数近似视为：

因此，图11中的内环可用来代表，可以看作是外回路中的等效调节器，它具有纯比例动作，等效比例带为：

从图可见，外回路的开环增益与成正比，故的大小决定了控制过程的进行情况。这里有两个特定参数，可以暂时取然后应用适当的整定方法确定的大小，例如可采用动态特性参数法，在的条件下做基本扰动的响应特性实验，求得迟延时间和上升速度ε然后根据经验整定公式表得：

通常要求给水量控制要平稳一些，因此可适当加大比例带，例如取

这样也就确定了给水流量信号的强弱。
再由式所规定的蒸汽流量信号与给水流量信号之间的关系，确定蒸汽流量信号的强弱，即

现在再来确定调节器的参数。从图十四可以看到，调节器是在内回路中，因此可用单回路整定来确定其参数。
到此为止，已确定了全部整定参数，但是，根据上两式求出的的值，有时可能大于1，这说明一开始假定的偏大，需要同时按比例地缩小这样做不会影响控制系统的性能。
4 工程中需要注意的问题
4.1 关于汽包水位测量的问题
由于汽包水位波动较大，一般选用平衡容器测量汽包水位。平衡容器连通管中的水位始终与汽包水位等高，上端的蒸汽冷凝后会在托盘上形成水柱，若水柱高出托盘自溢口后自溢，并经平衡阀返回汽包，进行热量与水量的交换，以求达到汽包内部水体与平衡容器内部的水体比重一致且恒定。将托盘水面高于正取压端口H0做负迁移，则差压变送器量程所对应的平衡管正压端水柱压力的变化就能真实反映汽包水位的变化。
4.2 给水阀的选择问题
4.2.1 关于给水调节阀的气开气关的选择。
关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的。如果高压蒸汽供给蒸汽透平压缩机的重要负荷，为保护这些设备以选用气开(F．C)阀为宜。如果蒸汽作为工艺生产中的热源时，为保护锅炉，以选用气关(F．O)阀为宜。综合起来考虑，一般选带保位装置(F．IJ的给水阀，即事故状态该阀停在原位。
4.2.2 关于给水调节阀型号的选择。
关于给水调节阀型号的选择。由于流经给水阀的除氧水压力为6．0MPa 温度为104℃ ，极宜产生汽蚀现象。对于轻度汽蚀，一般给水阀的阀芯 阀座选用司钛莱合金堆焊即可。对于重度汽蚀，一般给水阀选用多级高压调节阀，使高压除氧水在流过调节阀多级节流孔后逐渐降压，而每级阀芯上只承担一部分压差，使节流后的压力在阀的部分恢复不到流体的饱和蒸汽压力，可以有效的避免汽蚀现象，也有效的防止了汽蚀引起的噪声振动和对阀芯 阀座的侵蚀。
4.3 给水流量 蒸汽流量
给水流量蒸汽流量的一次元件如果选用节流装置，则差压变送器输出的信号需经开方器后再输入到加法器进行信号叠加。这样可以减少非线性对系统调节品质的影响。若是选用流量变送器则不必加开方器。它们的显示仪表的量程应选择的相同，其范围应比额定蒸汽负荷大一些，以保证锅炉在额定负荷下的给水流量有波动的余地。
5 结束语
锅炉水位控制的方案多种多样，因每台锅炉的