2 系统方案的确定
2.1 汽包水位控制方案的比较分析
锅炉汽包水位的控制系统是根据汽包水位的动态特性来设计的。如前所述，引起水位变化的因素主要来自给水量和蒸汽量的阶跃变化，控制器（或调节器）是根据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。汽包水位控制系统根据锅炉的容量、负荷变化的速度及调节精度的要求，通常有位式控制系统、单冲量控制系统、双冲量控制系统、三冲量控制系统等。
2.1.1 汽包水位位式控制系统
位式控制系统如图2-1。系统以锅炉水位为唯一的调节信号，当锅炉水位高于设定的高水位时，控制电路接通并关闭给水泵。当水位低于设定的低水位时，控制电路接通并开启给水泵。这种控制系统使水位在设定的高低水位之间变化，在一定程度上保证了锅炉给水系统的安全。
图2-1 位式控制系统方框图
Fig.2-1 Potential type control system block diagram
由于位式控制系统采用简单的启停水泵的方式来对水位进行控制，因而水位波动较大，控制品质较差，一般应用于小型锅炉，且对控制品质要求不高的场合。然而，由于其控制原理和系统结构简单，整定方便，所以系统成本较低。
2.1.2 比值控制系统
如果从物质平衡的观点出发，只要保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。因此可以采用图2-2所示的比值控制系统。其中流量调节器是PI调节器，并用汽机的耗汽量D作为调节系统的设定值，使给水量W跟踪蒸汽量D。
图2-2 比值控制系统方框图
Fig.2-2 Specific value control system block diagram
采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作，给水量W的大小只决定于耗汽量D，“虚假水位”现象不会引起给水调节机构的误动作。然而，比值控制系统对于汽包水位来说只是开环控制。如果耗汽量和给水量的测量不准或者由于锅炉排污及管道泄漏等情况，蒸汽量与给水量之间并非总是确定的比值，比值控制系统就不能保持汽水平衡。这是因为汽包水位H对于（D-W）来说是一个积分关系，微小的D和W之差可以在长时问的积累中形成很大的水位偏差。所以一般不单独使用比值系统。
2.1.3 单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号。冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H0的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成。系统方框图如图 2-3 所示。
图2-3 单冲量控制系统框图
Fig.2-3 Single variable control systems diagram
这种控制系统结构简单，是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定的情况，“虚假水位”现象不严重，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。然而，在其它的场合，尤其是在水停留时间较短，且负荷变化较大的锅炉中，再采用单冲量控制系统就不合适了。这是由于单冲量系统存在如下不可解决的问题：
（1）当负荷变化产生“虚假水位”时，将使控制器反向误动作。例如，蒸汽负荷突然大幅度增加时，将产生迅速上升的“虚假水位”，此时控制器由于只能判断到水位上升，因此就会关小给水阀，而实际上应该要开大给水阀，以使“虚假水位”下降。反之亦然。这种控制方式将使水位波动较大，控制品质变差，严重时还会使汽包水位严重下降而发生事故。因此，单冲量控制系统不能克服“虚假水位”带来的严重后果。
（2）负荷变化时，控制作用缓慢。也就是说，单冲量系统对负荷的变化不灵敏。从负荷变化到水位变化需要一段时间，再由水位变化到调节阀动作又会有一段时间滞后，如果各个变化的时间常数较大，则必然会造成较大的偏差，导致控制品质下降。
（3）对给水系统的扰动不能及时克服。当给水流量出现扰动时，必须要等到水位发生变化后才能进行控制，因此不能及时克服给水流量变化产生的干扰。
为了解决上述这些问题，可以同时再参考蒸汽流量和给水流量的变化，来控制给水调节阀，这就构成了双冲量或三冲量控制系统。
2.1.4 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。双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。其原理如图2-4所示。
图2-4双冲量控制系统原理图
Fig.2-4 Two variables control system priniple charts
上图中，加法器的输出为：
I=C1IC±C2IF±I0 (2-1)
式中 IC—水位调节器的输出；
IF—蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；
I0—初始偏置值；
C1、C2—加法器系数。
C1一般取1，也可小于1；C2的值应考虑到静态前馈补偿，可现场凑试。C2取正号还是负号要由调节阀的气开或气关形式来确定。调节阀气开与气关的选用，一般从安全生产角度考虑。I0的设置目的是在正常负荷下，使调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。最好在正常负荷下I0值与C2IF 项恰好抵消。
系统方框图如图2-5所示。
图2-5 双冲量控制系统方框图
Fig.2-5 Two variables control system block diagram
引入蒸汽流量来校正不仅可以补偿“虚假水位”所引起的误动作，而且能使给水调节阀的动作及时，从而提高控制质量。但这里的前馈仅为静态前馈，若要考虑两条通道在动态上的差异，则还需要引入动态补偿环节。系统在负荷变化频繁的工况下能较好地完成水位控制任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量控制就能达到控制要求。
双冲量水位自动控制系统存在的问题是：
（1）对于给水系统的扰动不能直接补偿。当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不能保持；
（2）调节阀的工作特性不是完全线性的，因此，要做到静态补偿就比较困难。