中火力发电厂亚临界控制循环汽包炉单元机组是国内各电网的主要机组类型，而汽包水位自动是汽包炉机组中重要的子回路自动之一，随着电网自动发电（AGC）品质的指标提高及单元机组自动化水平的提高，机组对水位自动的品质要求也在提高，特别是在恶劣工况下的适应能力，在配合给水泵快甩负荷（RB）、机组大速率参与AGC调度和电网一次调频功能等方面，给水自动的鲁棒性显的尤为重要。而且在给水自动鲁棒性品质提高后，给水泵转速摆动频率降低，在单位时间内，能耗平均累积损失减小，起到了节能效应。
与自然循环汽包锅炉相比，控制循环锅炉的水动力既具有自然循环特性，又具有强制流动特性。循环泵提供的压力比循环回路中的重力压差提供的流动压力高，因而，控制循环锅炉蒸发回路的水动力特性呈现强制流动特性。受热分配不均、热偏差等因素影响引起水动力不稳定，进而影响汽包水位不稳定。汽包内采用产汽负荷较高、旋转强度较大的涡轮式汽水分离器，使汽包结构紧凑，因此汽包尺寸反较自然循环汽包炉减小，水位变化更敏感。同等级锅炉下，控制循环汽包锅炉的水位较自然循环汽包炉更难控制。
控制循环汽包炉单元机组在大型化过程中，汽轮机是呈比例增大，而锅炉的变化表现在受热面是成比例增大，汽包体积的增加与受热面增加不成比例，因此作为水位控制的三冲量：汽包水位、主汽流量和给水流量对锅炉热量的响应变化差异是逐渐增大的，控制难度是很大的。本文以600MW亚临界控制循环汽包炉机组为研究对象，研究某单级三冲量给水自动方案在实际应用中出现的一些问题及解决思路。
一、对象特性分析
对汽包锅炉来说，影响汽包水位变化的主要因素有：蒸发量D，给水量G，燃料量M等。就汽包本身来说，储水量是水位正常趋势变化的主要扰动因素，也是zui终被控对象，而水面下的气泡体积却是整个过程的zui大扰动内因之一。综合这两方面的影响，对汽包水位变化过程的典型工况作如下分析。
在机组稳态时，主汽流量D扰动时会引起水位升高。当锅炉蒸发量突然增大△D，给水量和燃料量尚未变化时，汽包水位不仅没有下降反而很快升高，这就是通常所说的“虚假水位”现象。待汽水混合物中气泡容积与蒸发量相适应达到稳定后，汽包水位才受物质平衡条件的控制而发生下降，如图1所示。
为满足蒸发吸热的需要，中压至高压等级的自然循环锅炉采用沸腾式省煤器。图2中曲线1表示采用沸腾式省煤器时给水流量对水位的扰动特性，曲线2表示采用非沸腾式省煤器给水流量对水位的扰动特性，τl为省煤器的过渡时间。当采用沸腾式省煤器时，汽包水位变化的迟延和惯性大大增加，这是因为由于新增给水量的焓值较低，而锅内循环水量的焓值较高；当给水量增大时，省煤器的沸腾度减少，气泡容积也随之减小。进入省煤器中的给水首先必须*因气泡容积减少所让出的空间，因此，汽包水位先发生下降，直到时间过了τ1后才能使流入汽包的水量增加、水位上升。
但对于目前亚临界机组，由于蒸发受热面的合理布置，已不需要省煤器沸腾式运行方式，同时，如前所述由于汽包结构的改变和强制循环泵的采用，汽包与水冷壁之间循环水流量增大，锅炉的储水量增大，汽包体积减小，因此水位变化更迅速，从实际应用看，这一快速变化只反映在蒸汽流量对水位的扰动上，相反给水流量对水位的扰动是飞升速度增快，纯迟延时间τ1反较自然循环汽包炉增加，同时由于水冷壁与汽包之间的水流循环加快，使得新增水量与循环水的混合很快，对省煤器沸腾度的减小，使得自然循环锅炉上给水流量对水位扰动造成的虚假水位现象在控制循环锅炉上很难显现。蒸汽流量对水位的扰动特性与给水流量对水位的扰动特性差异性增大，稳态时汽水平衡，暂态时汽水变化差异大。这就是大型机组水位控制品质普偏下降的内在因素。
对于非沸腾式省煤器T1≈τl，而对于沸腾式省煤器，该式不能简化。对于亚临界控制循环汽包炉机组而言，由于锅炉水容积增大，给水流量的增量造成的虚假水位现象比较弱，从实际观察看实际水位
二、水位控制回路的比较
2.1串级三冲量方案
串级三冲量在处理虚假水位问题上有先天的优势，由于有主副调节器区分，主汽流量与给水流量造成的滞后差异由主调节器弥补，而副调节器只对主汽流量与给水流量的内扰快速处理，快慢区分分明；同时当加负荷时，主汽流量增加，虚假水位上升，则在副调节器入口，主汽流量是增量，水位增量由于有主调节器的比例作用，主调节器的输出是迅速负向减少，二者相互抵消一部分，其作用是正确的，但缺点是量不能准确控制。
当水位发生内扰时，比如高加的退出，给水管路上阻力减小，给水流量增加高加退出造成给水温度瞬间下降，省煤器内气泡体积迅速减小，汽包水位下降。在串级回路中，主调节器输出是正向增加，而副调节器入口流量也是正向增加，但流量信号是负值，正好起抵消作用，暂时维持给水泵（或上水调节阀）不变，当这一混合过程过后，受炉内燃料和锅内水工质能量平衡影响，早期的给水过调迅速弥补水工质的缺少量，甚至产生补水过量造成水位快速升高，而串级回路对此现象的抑制较为明显。
如果采用传统单级三冲量方案，取消主汽流量和给水流量输回路中的实际微分环节，则水位偏差的变化与主汽流量或给水量扰动量的变化在时间上是不匹配的，虽然在变化量上大致相，但实际效果并不理想，对于小机组而言，省煤器且为非沸腾省煤器，这种差异不明显，但对于亚临界控制循环汽包锅炉夹讲，这种差异很大，这就是为什么采用改进的三冲量方案。
串级三冲量方案的优缺点：不利于单三方式切换；有利于APS方案的配合，特别是多泵方式下的流量平衡、压力平衡算法转换；参数整定简单；给水流量稳定性好，对于参数较高的亚临界机组而言，其汽包饱和压力高，锅炉省煤器容积大，出口参数也高，所以其沸腾度大，稳定给水流量对汽包水位的品质影响是很大的。
2.2单级三冲量方案
目前大型单元机组单级三冲量给水方案主要以单级三冲量方案为主，如图3所示。
在该方案中主蒸汽流量与给水流量采用实际微分的形式输入水位偏差入口，与串级三冲量方案相比较，该方案结构简单，单冲量和三冲量之间切换很容易，因为均是微分运算结果。图3中，如果把给水流量的反馈输入点后移到控制器后，则给水流量的反馈通道等效传函为：
如果参数调整TG=TI，则副回路等效传函为KGKP，它与阀门开度系数构成一个纯比例控制单回路；如果TG与TI工相差太远，则构成一个超前滞后环节，实际过程中它等同于（1+TS）环节，这样的反馈对系统的稳定性是有害的。而对于主汽流量也存在同样的等效变化，不同的是主汽流量如果整定成（1+TS）环节，反而对克服虚假水位有益。
上述方案在实际应用有采用主汽流量与给水流量先减后微分的模式，该方法是借鉴西门子T-XP系统中由于控制器没有前馈通道，利用入口微分环节做成等效前馈的模式。但这样的做法必须基于主汽流量与给水流量暂态效应差异不大的机组，而在控制循环汽包炉机组上，恰恰是弱点。
图4给出了一个对于改进的单级三冲量系统，当发生主汽流量扰动产生的虚假水位后，水位偏差负向增大，主汽流量正向增大，且在初始时刻有一个类似虚假水位变化的过程，抵消此时的现象，使得给水泵指令暂时不变，减小扰动，这一过程体现了一个思想：虚假水位也是“水位”；这一方案与常规串级方案比较，优点是Kd和Td均是可控的；而当发生高加退出现象时，水位偏差迅速正向增大，实际流量增加，但由于有惯性环节存在，流量暂时不变，则给水泵较大幅值提高转速，增加流量，从而抑制水位进一步下降；这一思想重点控制水位，在一定范围内牺牲给水流量的稳定。它克服的是给水流量在阻力变化中的扰动，对于给水温度的扰动或者说水位变化与流量没有关系的情况下，它是有害的。因此在实际使用中，可适当减小TG。或者在给水流量惯性环节通道中并接增加省煤器前的给水温度负向微分。
对于汽包压力变化产生的省煤器内的气泡体积变化，由于汽包压力比较稳定，受机前压力影响大，且与主汽流量变化密切相关，因此，在过去的方案中考虑汽包压力变化的环节可以忽略。
单级三冲量系统的优缺点：有利于单三方式切换；不利于配合厂级顺控（APS）方案，在流量平衡、压力平衡等状态下，回路设计复杂；参数整定简单；内回路对给水流量的扰动响应很快，但对给水流量的信号波动放大也快，给水流量的稳定性差，但水位的稳定性好。由于给水流量信号被放大，因此，给水流量摆动较大，特在回路中加入了限幅环节。对消除虚假水位效果良好，但参数一旦整定不好，容易产生振荡。
三、控制方案中泵的控制
3.1泵的切换回路
水位自动控制的双执行机构方案设计一直是实践应用中比较棘手的问题，通常情况下，该回路要满足手／自动的无扰切换、双汽泵自动运行的调偏运算、汽泵掉闸的倍增运算三种功能。图5是针对该目的设计的一种算法逻辑。该方案从全手动、单台自动、全部自动三种状态之间随意无扰切换。
同时，在一台汽泵自动的情况下，第二台汽泵启动以及手动调整带来的扰动还可以快速通过另一台汽泵自动消除。两台汽泵自动的情况下，可以通过BIAS偏置功能块手动调偏，其结果是两台汽泵一增一减。各承担一半。BIAS回路在任一台汽泵退出自动后，就不起作用，只跟踪（FB1-FB2）/2。
任一台汽泵掉闸，均可通过OUT-FB2回路或OUT-FB1回路快速增加受控泵指令；而不用等水位或流量等被控变量发生改变后，再通过调节器作出反应。
采用此方案的问题。调节器的控制范围变成了0～200％的范围，隐含着两台泵的并联特性等于每台泵的两倍，但给水泵的并联特性受管路阻力特性影响，如果单台泵的管路阻力特性越平坦，则并联后的流量特性效率就越高，否则并联后的流量小于双倍的单泵出力，因此，调节器在单台汽泵运行和双泵运行时要做变比例处理。单台汽泵运行在负荷上*，为了防止超调过100％，需要对调节器做上限闭增运算，防止积分饱和。
3.2泵的控制方案比较
三个各自独立的调节器方案。该方案通常用在一台电泵配两台50％汽泵的机组中，对于两汽泵一电泵的600MW标准配置来讲，水位调节器采用三个独立的控制器，便于区别对待流量特性不同的三台泵，特别是汽泵和电泵之间。该方案的优缺点：针对每个泵的特性PID参数各自设定；控制方案的流量平衡和压力平衡回路复杂；双泵运行状态下，其中一台跳泵时，另一台受控泵不能快速响应；跟踪回路设计简易，由于各自跟踪反馈，所以能够做到*无扰切换；存在自动并泵难的问题；适合配合串级方案，当主调节器采用水位调节器后，副调的物理意义即为流量调节器，便于实现泵之间的流量平衡。
单调节器方案，控制器输出结果经过平均后分配给三台泵。方案优缺点：平衡回路易实现；发生RB时，受控泵能够快速响应；由于泵之间有差异，特性不能各自整定；跟踪回路设计复杂，需要设计辅助消差回路，否则难以实现无扰切换，特别是投运第二台、第三台泵时；存在自动并泵难题。
两调节器方案。电泵、汽泵分别采用一个PI
控制器，电泵和汽泵之间采用互相闭锁自动的算法，正常情况下只允许汽泵（或电泵）在自动受控状态，特别是事故状态下，电泵因为出力小，迅速开到zui大位，承担基本的稳定量，让汽泵来调节水位。方案优缺点：考虑泵的特性，电泵和汽泵的控制器参数可以分别调整；发生RB时能够迅速增加受控泵的转速，电泵走开环回路，迅速加到zui大；平衡回路易实现；跟踪回路易实现，且能够做到无扰。
四、结语
亚临界控制循环汽包炉的汽包水位控制困难本质上是锅炉热力特性所致0，但在控制方案上根据对象特性灵活选择控制方案，对控制方案的鲁棒性是能够有所改善的。本文通过对几种方案的研究，陈述了串级三冲量方案在应对该炉型的汽包水位对象的优点，虽然设计时较复杂，参数整定也较难，但在应用时其效果要比单级三冲量较佳。
在泵的控制方案中，建议因地制宜，灵活选择上述方案，以达到效果*为原则。
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