汽包水位是锅炉运行的主要指标，维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，原因如下。

（1）水位过高时，会影响汽包内汽水分离，导致饱和水蒸气带水增多，从而使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。如果该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，会使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。

（2）水位过低时，由于汽包内的水量较少，而负荷很大，水的汽化速度加快，因而汽包内的水量变化速度很快，若不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。

因此，必须对锅炉汽包水位进行严格控制。

1.锅炉汽包水位的动态特性

锅炉汽包水位控制系统结构如图11-2所示。影响汽包水位变化的因素主要有给水流量、蒸汽流量、燃料量、汽包压力等，其中最主要的是蒸汽流量和给水流量。

锅炉的给水通过水泵进入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水，然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和蒸汽，水和给水一起再次进入下降管参加循环，蒸汽则由汽包顶部的管道引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。

1）汽包水位在给水流量扰动下的动态特性

给水流量作用下锅炉汽包水位的阶跃响应曲线如图11-3所示。如果把汽包和给水看作单容无自衡过程，则水位的阶跃响应曲线如图中的H1线所示。

图11-2　锅炉汽包水位控制系统结构

图11-3　给水流量扰动下锅炉汽包水位的阶跃响应曲线

但是，由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，所以当给水流量W增加后，进入汽包的给水会从饱和水中吸收一部分热量，这使得汽包内水汽温度下降，导致汽包内水位下降。当汽包容积的变化过程逐渐平衡时，水位由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。最后当汽包容积不再发生变化时，水位就随着储水量的增加而直线上升。因此，实际水位曲线如图中H线所示，即当给水流量作阶跃变化后，汽包水位一开始并不立即增加，而是要呈现出一段起始惯性段。用传递函数描述时，近似为一积分环节和纯滞后环节的串联，可表示为

式中：k0为响应速度，即给水流量变化单位流量时水位的变化速度；τ为纯滞后时间。

给水温度越低，滞后时间τ越大，一般τ在15～100 s之间。如果采用省煤器，由于省煤器本身的延迟，会使τ增加为100～200 s。

2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性

在蒸汽流量D扰动作用下，汽包水位的阶跃响应曲线如图11-4所示。

图11-4　蒸汽流量扰动下锅炉汽包水位的阶跃响应曲线

当蒸汽流量D突然增加ΔD时，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽流量D大于给水量W，水位应下降，如图中H1线所示。但实际情况并非这样，由于蒸汽流量的增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内的水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，由于汽包容积增加而使水位变化的曲线如图中H2线所示。而实际显示的水位响应曲线H应为H1和H2的叠加，即H＝H1＋H2。从而看出，当蒸汽用量增加时，在开始阶段水位不会下降反而先上升，然后再下降，这种由于压力下降而非给水流量增加导致汽包水位上升的现象称为“虚假水位”。应当指出，当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10～20 s。

蒸汽流量D作阶跃变化时，水位变化的动态特性可用传递函数描述为

式中：k f为响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时水位的变化速度；k2为响应曲线H2的增益；T2为响应曲线H2的时间常数。

“虚假水位”变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量有关。一般蒸发量为100～230 t/h的中高压锅炉，当负荷变化10%时，“虚假水位”可达30～40 mm。“虚假水位”现象属于反向特性，这给控制带来一定困难，在设计控制方案时，必须加以考虑。

2.锅炉汽包水位控制方案(www.daowen.com)

1）单冲量水位控制系统

单冲量水位控制系统是以汽包水位为被控变量，以给水流量为控制变量的单回路控制系统。这里的冲量指的是变量，单冲量即汽包水位。图11-5为一单冲量水位控制系统。这种控制系统结构简单，参数整定方便，是典型的单回路定值控制系统。

对于小型锅炉，由于水在汽包内停留时间长，当蒸汽负荷变化时，“虚假水位”现象不明显，再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也可以满足工艺要求，并保证安全操作。

对于中、大型锅炉，由于“虚假水位”现象明显，控制器不但不能开大控制阀增加给水流量，以维持锅炉的物料平衡，反而是关小控制阀的开度，减少给水流量。等到“虚假水位”消失时，由于蒸汽流量增加，给水流量反而减少，将使汽包水位严重下降，造成汽包水位在动态过程中超调量较大、波动剧烈、稳定性差，严重时甚至会使汽包水位下降到危险下限而发生事故。因此，中、大型锅炉不宜采用此控制方案。

2）双冲量水位控制系统

在汽包水位控制系统中，最主要的扰动是蒸汽流量的变化，如果利用蒸汽流量的变化信号对给水流量进行补偿控制，不仅可以消除或减小“虚假水位”现象对汽包水位的影响，而且使给水控制阀的调节及时，这就构成了双冲量水位控制系统，如图11-6所示。

图11-5　单冲量水位控制系统

图11-6　双冲量水位控制系统

从本质上看，双冲量水位控制系统实际上是蒸汽流量稳态前馈加单回路反馈的前馈-反馈控制系统。当蒸汽流量变化时，控制阀及时按照蒸汽流量的变化情况对给水流量进行补偿，而其他扰动对水位的影响则由反馈控制回路克服。

当蒸汽流量变化时，通过前馈补偿直接调节给水控制阀，使汽包进出水量不受“虚假水位”现象的影响而及时达到平衡，以免汽包水位剧烈波动。加法器的输出I为

式中：I C为水位控制器的输出；I F为蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；C1、C2为加法器系数；I0为初始偏置值。

双冲量水位控制系统引入前馈，补偿了“虚假水位”对控制的不良影响，前馈控制改善了系统的稳态特性，提高了控制品质。但是，对给水系统（给水量或给水压力）的扰动，双冲量水位控制系统不能直接补偿。此外，由于控制阀的工作特性不一定完全是线性的，做到稳态补偿也比较困难。对此，将给水流量信号引入，构成三冲量水位控制系统。

3）三冲量水位控制系统

现代工业锅炉都向着大容量多参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容量就相对越小，允许波动的储水量就越少。如果给水流量和蒸汽流量不适应，可能在几分钟内就出现缺水和满水事故，这样对汽包水位的控制要求就更高了。

为了更加准确有效地控制锅炉汽包水位，现代大型锅炉广泛采用了三冲量水位控制系统。在三冲量水位控制系统中，汽包水位为被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。汽包水位作为主信号，用以消除内外侧扰动对水位的影响，保证锅炉水位在允许范围内；蒸汽流量作为前馈信号，用以克服负荷变化所引起的“虚假水位”所造成的控制阀的误动作，改善负荷扰动下的控制品质；给水流量作为反馈信号，用以消除给水侧的扰动，稳定给水流量。

三冲量水位控制系统又可分为单级三冲量水位控制系统和串级三冲量水位控制系统。

由于单级三冲量水位控制系统是只有一控制器的三冲量水位控制系统，且采用稳态前馈，要求蒸汽流量信号和给水流量信号的测量值在稳态时必须相等，否则汽包水位将存在稳态偏差，所以在现实中已很少采用。

图11-7　前馈-串级三冲量水位控制系统

由于锅炉水位被控对象的特点，决定了采用单回路反馈控制系统不能满足生产对控制品质的要求，同时由于单级三冲量水位控制系统存在的一些问题，所以发电厂锅炉汽包的水位控制普遍采用了前馈-串级三冲量水位控制系统，如图11-7所示。

图11-8为前馈-串级三冲量水位控制系统的方框图。整个控制系统是串级-前馈控制系统，主控制器是液位控制器，副控制器是流量控制器。前馈补偿用微分环节时是动态前馈。

图11-8　前馈-串级三冲量水位控制系统的方框图