锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的工厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要，因此，如何控制锅炉的水位就显得极其重要。本文以一种双压无补燃型自然循环余热锅炉为例，浅谈燃机余热锅炉的工艺情况，并简单介绍了三种锅炉汽包水位控制算法。
一、引言
燃气-蒸汽联合循环发电系统是由燃气轮机发电系统和锅炉蒸汽轮机发电系统所组成。燃气轮机发电系统是燃气在燃气涡轮机中经绝热膨胀作功的过程，这种热力循环又称布雷顿循环，它是由压气机将空气加压进入燃烧室，燃料燃烧后燃气在透平中膨胀作功，燃机将高温高压燃气的能量（通常参数约0.5～1MPa 1000～1300℃）转换成机械能；锅炉-蒸汽轮机发电是利用高中压过热蒸汽（通常参数为3.82～16.7MPa，450～550℃）在汽轮机中作功转换成机械能，完成朗肯循环过程；在烟气温度降至500℃左右时排放，人们充分利用这两种热力循环的特点，把它们结合在一起，组成“联合循环”，使其具有较高的吸热平均温度和较低的放热平均温度，为提高电站热效率开辟了一条新途径，这是人类发电事业上继发明蒸汽轮机发电后技术上的又一突破。
二、余热锅炉工艺流程简介
锅炉是利用燃料或其他能源的热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉是由“锅”和“炉”两大部分组成。“锅”就是锅炉的汽水系统，由省煤器、汽包、下降管、水冷壁、过热器等设备组成；“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、空气预热器等组成；而燃机余热锅炉，英文简写为HRSG（Heat Recovery Steam Generator），是燃气-蒸汽联合循环的重要组成部分。其主要工作原理是通过布置大量的换热管来吸收燃机排气的余热，产生蒸汽供汽机发电或作为供热及其它工艺用气。
锅炉烟气流程为：烟气从燃气轮机排出，经进口烟道或转弯烟道进入三通烟道，当机组单循环时，烟气经上部调节门由旁通烟囱排空；当需要联合循环时，烟气从三通烟道经调节门和过渡烟道进入锅炉本体，依次水平横向冲刷两级过热器，中压蒸发器，中压省煤器和低压蒸发器，最后经出口烟道及主烟囱排空。烟气流向和流量由与三通相联的调节门控制，过程可在主控室遥控，也可在调节门就地手动调节。
锅炉汽水流程为：给水由中压省煤器人口集箱进入省煤器管屏加热后流入中压汽包，通过汽包下部的集中下降管进入中压蒸发器管屏。吸热后上升进入汽包进行汽水分离。分离后饱和水再进入集中下降管，而饱和蒸汽从汽包上部引至过热器，经过热管屏吸热后由过热器集箱引出锅炉。在两级过热器之间布置喷水减温装置，从而可有效地保证出口过热蒸汽温度。双压余热锅炉的另一路给水直接进入低压汽包，由下降管引入低压蒸发器管屏，蒸发吸热后上升进入低压汽包进行汽水分离，分离后饱和水回下降管，低压蒸汽由低压汽包上部引出、经减压后进入除氧器用于除氧。
本文主要介绍一种双压无补燃型自然循环余热锅炉。自然循环余热锅炉多为卧式布置，它取消了强制循环泵，既节省能源，又减少装置的维修保养；由垂直布置的错列螺旋鳍片管和上下两集箱组成管屏，各级受热面管屏尺寸基本相似，该结构简单，适应能力强，安装维护方便；锅炉内部换热元件主要采用高频电阻焊螺旋翅片管，这样大大扩展了换热面积，使锅炉体积小、重量轻，烟气压降小，能彻底疏排水。
三、锅炉汽包水位特性
锅炉汽包水位是锅炉正常运行的主要指标，是一个非常重要的被控变量。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。
锅炉汽包水位自动调节是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的首要条件。汽包及蒸汽管中贮藏着蒸汽和水，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽负荷量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。当水位过高时，会影响汽包内汽水分离的效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破裂、叶片断裂等事故。因此，汽包水位过高或过低的后果都极为严重，所以必须严格加以控制。
四、锅炉汽包水位控制
近年来，锅炉的自动控制正朝着多学科结合的计算机技术应用，管理控制一体化方向发展。由于锅炉汽包水位调节对象没有自平衡能力，而且水位调节对象存在滞后，因此不能采用开环调节方法。常用的汽包水位的控制算法有单冲量控制，双冲量控制以及三冲量控制三种。
1. 单冲量水位调节系统是以汽包水位为唯一调节信号的单参数单回路调节方法，调节器只根据水位变化去改变给水调节阀的开启度。一些小容量锅炉水位受到扰动后的反应速度较慢，虚假水位现象不太严重，再配上一些锁报警装置就可以安全操作，采用单冲量调节方法可以满足生产要求。
2. 单冲量调节方法不能克服“虚假水位”对水位控制的不良影响。当蒸汽量大幅度增加时，由于假水位上升，调节器输出信号不但不去开大调节阀增大给水量，反而去关小调节阀，减少给水量，等到假水位消失后，水位将更加迅速下降，不能避免水位较大幅度的波动。此外，当负荷变化时，控制作用缓慢，即使“虚假水位”不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显着。为了克服虚假水位对控制的不良影响，可以引入蒸汽流量作为前馈信号。以蒸汽流量作为补充信号的双参数调节方法，又称为双冲量水位调节系统。当蒸汽负荷变化引起水位大幅度波动时，蒸汽流量信号起着超前的作用，它可在水位尚未出现变化时，提前使调节阀动作，补偿了“虚假水位”所引起的误动作，减少水位波动，从而改善了控制品质。
3. 双冲量控制方法不能迅速克服给水压力变化对水位产生的影响。当给水压力波动时，给水流量将发生变化，此时只有等到水位变化后调节器才能起作用。为此再引入给水流量信号，以蒸汽流量和给水流量作为补充信号的三参数调节方法，组成三冲量水位控制回路。
串级三冲量控制系统中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，从而抵消了“虚假水位”引起的反向作用，减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，做出响应的调整。对于水压干扰等给水侧的扰动，给水流量信号也起着前馈的作用，能使扰动迅速做出反应。由此可以看出在前馈-串级三冲量控制下，调节器动作快，还可以避免调节过头，减少波动和失控。
综上所述，由于单冲量控制系统不能克服“虚假水位”带来的控制问题，双冲量控制系统还有不能做到静态补偿以及不能对给水系统干扰及时克服两个的弱点。因此在实际应用中汽包水位控制系统都采用三冲量控制系统。即蒸汽流量、给水流量、汽包水位三个冲量作为输入变量，给水调节阀作为控制变量，来控制汽包水位。
