自动液位控制系统

详细介绍开关控制、调节控制、双元和三元自动液位控制，并对优缺点进行比较。

开关控制

前面描述的所有液位检测方法都可以用来产生用于液位控制的开关信号。最常见的液位控制方法是简单地在低液位时启动给水泵，并让它运行直到锅炉内达到较高的水位。

• 使用浮球液位控制器时，将使用带有内置滞环或死区的磁性开关。
• 使用电导探头时，需要两个探头（泵开和泵停），提供固定的切换液位。
• 电容探头可用于提供可调节的开关切换液位。 在英国，开关控制在蒸汽产量约 5 000 kg/h 以下的锅炉上几乎普遍使用，因为它是最经济的选项。（在澳大利亚和新西兰，标准规定对于超过 3 MW（通常为 5 000 kg/h）的锅炉，必须安装调节控制）。 然而，可以认为这种开关控制对于锅炉控制并不理想，因为泵运行时”冷”给水的相对高流量会降低锅炉压力。 这导致燃烧器燃烧速率随着泵的开关而持续变化。 以一个典型例子为例，通过计算可以表明，即使给水温度为 80°C，给水泵运行时的燃烧器燃烧速率可能比给水泵停止时高 40%。 这种持续变化会导致：
• 燃烧器控制磨损。
• 锅炉温度循环。
• 效率降低。
• 如图 3.17.2 所示的记录仪所描绘的”锯齿形”蒸汽流量。 如果蒸汽负荷较高，变化的蒸汽流量将倾向于增加蒸汽带水，并使水位越来越不稳定，具有低水位锁定的相关危险，特别是在多台锅炉装置上。 然而，事实仍然是，开关控制在中小型输出的锅炉上（如上所述）使用非常广泛，与蒸汽锅炉在大负荷波动下运行相关的许多问题部分归因于开关液位控制系统。

开关液位控制的总结

优点：

• 简单。
• 经济。
• 适合备用锅炉。 缺点：
• 每台锅炉需要单独的给水泵。
• 给水泵和控制设备磨损更多。
• 蒸汽压力和流量变化。
• 锅炉带水更多。
• 在大负荷波动下日常运行问题的可能性更大。

调节控制

在此类系统中，给水泵持续运行，自动阀门（位于给水泵和锅炉之间）控制给水流量以匹配蒸汽需求。 正确运行时，调节控制可以显著平稳蒸汽流量曲线图，并确保锅炉内部水位更加稳定。 对于调节液位控制，可使用以下方法感知水位：

• 带连续信号输出的浮球。
• 电容探头。
• 差压变送器。

再循环

为保护给水泵在向关闭的调节阀泵水时免受过热，设置再循环或溢流回水管路以确保通过泵的最小流量。 此再循环可通过阀门或孔板控制。再循环的水量不大，通常可从泵制造商处获得指导。作为参考，对于典型锅炉，孔板尺寸通常在 5 mm 到 7 mm 之间。 通过改变锅炉给水泵转速实现调节液位控制 在此类系统中，代表锅炉水位的调节信号（例如来自电容探头）被送入电气频率控制器。该控制器相应地改变输送给锅炉给水泵电机的交流电压频率，从而改变其转速。

• 如果需要大量水，泵高速运行。
• 如果需要较少水，泵速降低。 通过这种方式调节泵速以提供匹配锅炉给水需求的给水流量。 变速驱动技术通常有两种应用方式： 带再循环 - 当需求得到满足且电机速度降至最低时，仍需要将部分给水再循环回给水箱以避免泵过热（见图 3.17.5）。 不带再循环 - 在这种情况下，电机控制器在锅炉负荷极低时停止给水泵，因此不需要再循环。 与泵的停止和启动相关的两个重要因素是：
• 泵在给定时间段内的启动和停止次数不得超过制造商推荐值。
• 启动时，频率控制器应从低速开始逐渐升速，以尽量减少泵的磨损。 变速驱动的主要优势是，随着泵速变化，其功耗也相应变化，当然，降低功耗意味着降低运行成本。 然而，使用变速驱动的节约成本必须与控制设备的较高成本相关联。这通常仅适用于负荷变化大或以主/备方式运行的大型锅炉。

单元液位控制

标准的单元锅炉液位控制系统采用比例控制，在大多数锅炉装置上能提供出色的控制效果。 然而，在单元比例控制中，水位必须下降才能打开给水控制阀。这意味着低蒸发率时水位必须较高，高蒸发率时水位必须较低：即下降水位控制特性。 然而，在某些类型的水管锅炉上，当存在非常突然的负荷变化时，单元控制有其局限性。 考虑锅炉在其额定容量内运行的情况：

• 锅炉”水”实际上含有水和蒸汽泡的混合物，其密度低于纯水。
• 如果蒸汽需求增加，锅炉内压力最初下降，控制系统将增加燃烧器燃烧速率。蒸发速率将增加以满足增加的需求。
• 蒸发速率的增加意味着锅炉水将含有更多的蒸汽泡，密度进一步降低。 如果此时给锅炉施加突然的负荷：
• 锅炉内部压力进一步降低，部分锅炉水将闪蒸为蒸汽。锅炉水的闪蒸，加上燃烧器开至最大时增加的热量输入，意味着锅炉”水”将含有更多的蒸汽泡，其密度将进一步降低。
• 随着压力下降，蒸汽的比容增加，蒸汽从锅炉中被引出的更高速度可以产生蒸汽泡/水混合物的”膨胀”，导致水位表面上升。
• 液位控制器将检测到这种表面上升的水位，并开始关闭给水控制阀，而实际上需要更多的水。现在的状况是，蒸汽需求很高，但没有水被加入锅炉以维持液位。
• 到达一个点，水中的”膨胀”将崩溃，可能降至低水位警报以下，锅炉可能突然”锁定”，使设备离线。 双元液位控制 双元控制反转了下降水位控制特性，以确保在高蒸发率时水位上升。这力求确保锅炉中的水量在所有负荷下保持恒定，并且在蒸汽需求突然增加的时段，给水控制阀打开。 该系统通过使用安装在蒸汽排放管路上的蒸汽流量计的信号来在高蒸汽负荷时提高液位控制器设定值。 信号的两个元素是：
• 第一元素 - 来自锅炉内水位的液位信号。
• 第二元素 - 来自锅炉蒸汽引出管路上蒸汽流量计的流量信号。

双元液位控制的总结 任何经历频繁、突然负荷变化的锅炉装置使用双元给水控制系统可能效果更好。 在工艺负荷变化剧烈的情况下（啤酒厂是常见的应用），应考虑双元控制，在锅炉上出现超过 25% 的突然负荷变化时似乎是有必要的。

三元液位控制 三元控制如图 3.17.8 所示，涉及前述的两个信号元素，加上第三个元素，即进入锅炉的实际测量给水流量。三元控制更常见于多台锅炉由公共加压环形母管供水的锅炉房中。 在这种情况下，给水环形母管中的压力可能因每台锅炉引出的水量不同而变化。 由于环形母管中的压力变化，对于任何特定的阀门开度，给水控制阀通过的水量也会变化。第三元素的输入修改了给水控制阀的信号，以考虑这种压力变化。

调节液位控制的总结

优点：

• 在锅炉热容量范围内蒸汽压力和流量稳定。
• 燃烧器运行效率更高。
• 锅炉壳体热应力更小。
• 锅炉带水更少。
• 可使用集中给水泵站。
• 给水泵和燃烧器磨损更少。 缺点
• 成本更高。
• 给水泵必须持续运行。
• 不太适合”备用”运行。
• 可能消耗更多电力。