发电机组汽包PLC 水位调节系统的设计与应用

一、引言

在火力发电机组中，锅炉汽包水位需维持在汽包中心线 ± 50mm 范围内：水位过高导致蒸汽带水，影响汽轮机安全；过低则可能造成水冷壁管干烧爆管。传统调节方式中，继电器控制接线复杂、故障率高；单回路 PID面对 “ 虚假水位” （负荷骤增时水位短暂上升后下降）时调节精度差，无法满足变负荷需求。

PLC 以可靠性高、抗干扰强、编程灵活的优势，可结合多变量控制逻辑解决传统缺陷，实现水位精准稳定控制，对保障机组安全高效运行具有重要意义。

二、汽包水位调节系统的工作原理与干扰因素

2.1 工作原理

汽包水位由给水流量与蒸汽流量动态平衡决定：给水流量大于蒸汽流量时水位上升，反之则下降。系统需实时采集水位、给水流量、蒸汽流量参数，通过执行机构调整给水流量，维持水位稳定。

2.2 主要干扰因素

虚假水位干扰：负荷骤增时，蒸汽流量突升致汽包压力下降，水容积膨胀，水位短暂上升（虚假高水位），随后因给水不足下降；负荷骤减则出现虚假低水位，调节不当易引发水位震荡。

给水压力波动：给水泵切换、管道阻力变化等导致给水压力波动，直接影响给水流量，打破水位平衡。

燃料量波动：燃料量变化改变锅炉热负荷，影响蒸汽产量，且燃烧放热至产汽存在滞后，增加调节难度。

三、汽包 PLC 水位调节系统设计

3.1 系统总体架构

系统采用 “ 信号采集 - 控制运算 - 执行调节 - 人机交互” 分层架构，含四大单元（架构如图 1 所示，建议配图：系统架构示意图）：

信号采集单元：选用液位变送器（测水位）、流量变送器（测给水 / 蒸汽流量）、压力变送器（测给水 / 蒸汽压力），输出标准模拟信号，确保参数采集准确。

PLC 控制单元：核心设备，配备模拟量输入 / 输出模块，接收传感器信号，经算法运算后输出控制指令至执行单元。

执行单元：含调节阀门与给水泵辅助设备。水位偏差小时调阀门开度；偏差大或负荷波动剧烈时，结合辅助设备调整水泵参数，提升响应速度。

人机交互单元：采用工业触摸屏，实现参数显示、设定、报警提示及历史数据查询，界面简洁直观。

3.2 控制算法设计

采用 “ 串级 PID + 前馈补偿” 复合算法，提升抗干扰能力：

串级 PID 控制：主回路以水位为被控量，输出作为副回路设定值；副回路以给水流量为被控量，直接控制执行单元。副回路快速消除给水压力波动等局部干扰，减少主回路滞后。

前馈补偿控制：以蒸汽流量为前馈信号，负荷变化时提前计算给水调整量，叠加至 PID 输出，抑制虚假水位。如负荷骤增时，提前增大给水流量，避免水位大幅波动。

协同逻辑：PLC 采集水位与蒸汽流量，主 PID 运算得给水基础设定值；前馈补偿量叠加后作为副 PID 设定值，副 PID 控制执行单元，维持水位稳定。

3.3 软件编程实现

基于 PLC 编程软件设计，含四大模块：

信号处理模块：对信号滤波、量程转换，传感器故障时触发报警并切手动模式。

控制算法模块：模块化封装串级 PID 与前馈算法，配置 PID 参数，确保算法协同运行。

报警与保护模块：水位超第一阈值触发声光报警，超第二阈值自动切断部分燃料；设手动 / 自动切换，故障时保障水位稳定。

通信模块：通过工业协议实现 PLC 与触摸屏通信，确保数据同步。

四、系统调试与应用效果

4.1 现场调试

分三阶段调试：

静态调试：检查接线，校准传感器，测试手动控制，确认执行单元动作正常。

动态调试：自动模式下，在低、中、高负荷调整算法参数，模拟负荷骤变，确保水位波动控制在合理区间。

稳定性测试：连续运行 72 小时，负荷波动时水位稳定在设定值 ± 20mm 内。

4.2 应用效果

与传统方式相比，优势显著：

调节精度提升：水位波动从 ± 50mm 缩至 ±20mm ，蒸汽带水率降15% ，减少汽轮机积盐风险。

抗干扰增强：负荷骤变时，虚假水位持续时间从 15s 缩至 5s，恢复速度提升 60‰ 。

经济性改善：阀门寿命延长 30% ，发电煤耗降 2g/kWh

维护便利：触摸屏实时监控，历史数据存 3 个月，年均维护从 8 次减至 2 次。

五、系统优化方向

算法优化：引入自适应 PID，根据工况自动调参，提升复杂工况适应性。

功能扩展：增加与电厂 SCADA 系统通信，实现远程监控与集中管理。

故障预测：结合大数据分析，提前预警传感器、阀门故障，减少非计划停机。

六、结论

本文设计的 PLC 水位调节系统，通过合理架构、复合算法及编程，有效解决传统调节缺陷，实现水位精准控制。应用表明，系统调节精度高、抗干扰强、运行可靠，提升锅炉安全经济性，降低维护成本，为中小型机组提供可行方案。未来结合自适应控制、大数据技术，可进一步提升系统智能化水平，助力电力行业高效发展。

参考文献

[1] 王建国。火力发电厂锅炉汽包水位控制策略研究 [J]. 电力自动化设备，2020, 40 (5): 189-193.

] 西门子（中国）有限公司. PLC 系统应用手册 [Z]. 2019.

[3] 张宏建，黄志尧。过程控制工程 [M]. 北京：化学工业出版社，2018:124-132.