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摘要：锅炉水位是蒸汽锅炉运行的重要监控参数之一，给水控制模式的选择不仅影响锅炉的稳定运行，而且影响锅炉的运行效率。如果锅炉水位过高，会影响汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，影响蒸汽品质，满足不了用户工艺需求;如果汽包水位过低，导致锅炉频繁启停，不仅影响正常供汽，也会影响锅炉运行效率;给水的连续性又会影响到锅炉尾部排烟温度的变化，直接对运行状况产生影响。因此，工业蒸汽锅炉给水控制模式的选择至关重要，能否将水位稳定控制在合适的状态直接关系到蒸汽锅炉的安全、高效运行，应引起高度重视。
关键词：工业蒸汽；锅炉；控制模式
1 工业蒸汽锅炉水位控制模式及优缺点
1.1 位式给水控制模式
对于低压且蒸发量较小的蒸汽锅炉，可以采用自动位式给水模式，一般是通过控制水泵的启停来实现自动给水。在锅炉水位平衡容器内布置4根长度依次递增的水位电极，其中水位极高和水位极低电极用于锅炉运行联锁保护和报警提醒，另外两根电极实现给水泵低启高停。此自动给水模式较为简易，运行可靠，是一种非连续的给水模式。但是，针对目前主流配置节能器和冷凝器的蒸汽锅炉，间断给水容易造成排烟温度过高，不利于锅炉节能。
1.2 连续给水控制模式
(1)单冲量连续给水
为了克服上述自动位式给水的缺点，可以采用单冲量连续给水控制模式。所谓“冲量”，实质上就是“变量”，指引入控制系统的水位测量信号。连续给水时，执行器可以选用变频器也可以选用调节阀。选用调节阀是通过改变调节阀的开度进而改变给水管路阻力达到调节给水量的目的;选用变频器是实时改变水泵转速从而改变了给水压力，来调节给水量。
单冲量连续给水，是一种较常见的给水方式，大部分中小容量的卧式锅炉均可采用此给水方式，具有运行稳定、维护便捷的特点。锅炉自动运行时，选用差压变送器检测锅炉汽包实际水位，将水位作为唯一控制变量。PLC程序中的PID模块或选用比调仪根据水位测量值(PV)与给定值(SV)的偏差，运算后输出信号控制变频器或调节阀，通过改变给水量的大小来维持汽包水位在允许的操作范围内。
(2)双冲量连续给水
在单冲量水位控制的基础上，引入蒸汽流量作为前馈信号，构成双冲量水位控制。前馈控制的优点是根据扰动的大小直接调节，克服了单冲量PID必须有偏差才能调节的缺点。当蒸汽流量增加或减少时，调节给水流量同步增加或减少，与蒸汽流量变化方向相同。蒸汽流量作为前馈信号可以部分消除“虚假水位”的影响，但双冲量水位控制的主要缺陷是不能及时排除给水压力变化而产生的扰动，可能导致锅炉给水的不稳定。
(3)三冲量连续给水
对于蒸发量较大的锅炉，如果选用单纯的单冲量控制，一旦用汽量急剧变化，出现“虚假水位”，PID控制模块会认为水位升高而减小控制输出，导致调节阀关小或者变频器降低频率，减少了给水量。尤其是钢厂行业中，蒸汽锅炉产生的蒸汽被用于VD真空系统工艺，对锅炉运行的稳定性要求极高，应避免因为锅炉用汽量的突变导致实际水位的大幅波动而引起锅炉停炉。
2 工业蒸汽锅炉给水模式的选择
2.1 避免虚假水位
工业蒸汽锅炉给水控制的目标是给水量与蒸发量维持在一个动态平衡的状态，且尽量减少“虚假水位”的出现对锅炉稳定运行的影响。蒸汽锅炉由于汽包压力或燃烧工况突变引起炉水密度、饱和温度等状态的改变，使水容积中含汽率发生剧烈变化，引起汽包水体积膨胀或收缩，造成汽包水位暂时升高或下降的现象，称为“虚假水位”。影响汽包水位变化的主要因素有用汽量变化、燃烧工况变化、给水压力、汽包相对容积、设备泄漏、安全阀门动作、锅炉熄火等。
(1)用汽量变化引起的虚假水位
当锅炉用汽量突然增加时，在燃烧和给水调整前，汽压将迅速下降，造成锅水饱和温度下降，汽水混合物比容增大，体积膨胀，使水位上升形成虚假水位，但此时给水量并没有随负荷增加，因此在大量蒸汽逸出水面后，水位将随之降低。因此，当用汽量突然增加时，汽包水位的变化是先上升后下降。反之，当用汽量突然下降时，水位变化是先下降后上升。另外，由设备泄漏、安全阀动作引起的虚假水位，根本原因都是蒸汽输出量变化而引起的汽压变化。
(2)燃烧工况变化引起的虚假水位
当燃烧器燃料量突然增加时，锅炉饱和水汽化加强，汽包内汽水混合物比容增大，体积膨胀，使水位上升，形成虚假水位;此时给水量未明显增大，由于锅炉蒸发量的增加，水位将随之降低。因此，当燃烧加强时，水位变化是先上升后下降;反之，当燃烧减弱时，水位变化是先下降上升。燃烧器熄火时，由于燃烧突然停止，汽包中汽泡产量迅速减少，水位将瞬时下降。
2.2 给水控制模式的选择
对于不同容量和用途的蒸汽锅炉，选用合适且可靠、经济的给水控制模式显得尤其重要，给水控制模式选用不当不仅影响锅炉运行的稳定性，甚至影响到锅炉的运行效率。
(1)对于蒸发量≤4 T/h的带节能器的蒸汽锅炉，蒸汽用途单一，且不是特别重要时，可以选用位式给水;
(2)对于配置节能器和冷凝器的蒸汽锅炉，当实际运行负荷较稳定时，采用单冲量连续给水能够满足降低排烟温度的需求;当锅炉负荷变化较大，给水压力稳定时，双冲量给水控制是合适的选择;当锅炉负荷变化大且给水压力波动较大的场合，宜选用三冲量给水控制模式。
(3)对于蒸汽压力在1.6 MPa以下、不同蒸发量的工业蒸汽锅炉，合理选用以上几种给水模式，是能够保障锅炉稳定运行的。但是，对于工业用途的中小型中温中压锅炉，若仅采用三冲量给水配套调节阀调节水位，仍然会出现水位波动较大、调节阀容易产生故障、蒸汽温度减温水控制不稳的情况。由于选配的给水泵扬程较高，常规是工频运行，比如型号为SLG 40-3.82/450-QT的锅炉，选配的卧式泵扬程达到6 MPa，导致给水时调节阀两侧出现2 MPa以上的压差。仅仅依靠三冲量给水控制，要消除给水压力的扰动较为困难。由于给水压差过大，一方面对给水控制的扰动加大，影响水位控制的稳定性;另一方面，管道压力加大，长时间运行容易使阀门产生泄漏，不仅降低调节阀门的使用寿命，也进一步加剧了水位控制的不稳定性。若单纯采用调节阀，节流损失大，使给水泵功耗增多，达不到节能运行的目的。
为解决调节阀两侧压差过大的问题，在三冲量给水的基础上，引入恒压变频供水，提前消除给水压力的扰动。在调节阀入口设置给水压力测点，根据锅筒蒸汽压力值，通过PLC程序手动设定或者自动设定水泵出口压力，给水泵变频即可实现恒压供水，采用单回路PID控制。实际运行时，一般给水压力需比锅筒蒸汽压力高0.5 MPa左右，比如锅炉运行压力3 MPa，给水压力需控制在3.5 MPa左右。
蒸发量较大的中温中压锅炉，为增加水位控制的可靠性，锅炉水位的测量装置，可采用一用一备的配置，设置两个水位差压变送器。实际运行过程中，若出现水位测量异常，可在不停炉的情况下立即切换至另一液位测量值，极大地提高了给水控制的可靠性。
3 结论
蒸汽锅炉运行时，保证水位的稳定性、可靠性是判定给水控制模式性能优劣的基本标准，也是蒸汽锅炉调试过程中重要环节。上述锅炉给水控制模式的相互比较，以及如何选用合适的给水控制模式的建议可供参考。在具体项目实施中，应根据不同用户的锅炉产品需求，高度重视、认真分析和选用与之匹配的给水控制模式，从而保证锅炉的安全、稳定运行，并达到最佳的运行能效。
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