透平轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在汽包液位控制中的應(yīng)用

張述飛

（中海石油建滔化工有限公司，海南東方572600）

穩(wěn)定汽包液位是化工生產(chǎn)過程中主要的工藝指標(biāo)之一，也是保證設(shè)備安全運(yùn)行的必要條件。傳統(tǒng)的汽包液位控制一般采用單沖量／雙沖量／三沖量的控制方式，在開車階段或鍋爐負(fù)荷較低的情況下采用單沖量控制，適當(dāng)負(fù)荷下切換到三沖量控制［1］。該控制方案普遍把給水閥作為調(diào)節(jié)回路的執(zhí)行器，通過穩(wěn)定給水流量來控制汽包液位，往往會(huì)造成調(diào)節(jié)閥前后差壓較大，從而消耗在調(diào)節(jié)閥上的能量較大，不利于裝置的節(jié)能。在中海石油化學(xué)股份有限公司800kt／a甲醇裝置中通過采用透平轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)給水量，進(jìn)而控制液位，減少了調(diào)節(jié)閥上的能量損失，取得了較好的控制效果。

1 傳統(tǒng)汽包液位控制方案

1.1 系統(tǒng)概況

該甲醇裝置中高壓汽包液位由4臺(tái)差壓變送器測(cè)量，1臺(tái)FF總線變送器信號(hào)（LT2003）引入DCS用于調(diào)節(jié)，3臺(tái)HART協(xié)議變送器信號(hào)（LT2004／2005／2006）引入ESD用于聯(lián)鎖保護(hù)。汽包出口飽和蒸汽流量和汽包壓力采用FF總線變送器測(cè)量；給水流量采用FF總線渦街流量計(jì)。2臺(tái)給水調(diào)節(jié)閥中大閥FV2001A為等百分比流量特性，最大流量206t／h；小閥FV2001B為直線流量特性，最大流量103t／h。并聯(lián)裝配3臺(tái)高壓給水泵，2臺(tái)性能參數(shù)完全一致的Elloet蒸汽透平J541A／B，1臺(tái)電泵J541C。正常情況下2臺(tái)透平運(yùn)行，電泵處于備用狀態(tài)。

1.2 傳統(tǒng)的高壓汽包液位控制方式

裝置投產(chǎn)后高壓汽包液位一直采用傳統(tǒng)的單沖量／三沖量控制方式，操作過程中根據(jù)汽包不同的負(fù)荷進(jìn)行選擇。單沖量就是單純的液位調(diào)節(jié)，往往在初始上水或負(fù)荷較小的情況下使用；三沖量液位控制系統(tǒng)是將汽包液位作為主被控變量，給水流量作為副被控變量的串級(jí)控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號(hào)的前饋－串級(jí)反饋控制系統(tǒng)［2］。

傳統(tǒng)的三沖量液位控制系統(tǒng)將給水流量、蒸汽流量等擾動(dòng)引入到串級(jí)控制系統(tǒng)的副環(huán)，因此能夠迅速被副環(huán)克服［3］。控制回路的最終原件執(zhí)行器由調(diào)節(jié)閥FV2001A／B來充當(dāng)。2臺(tái)調(diào)節(jié)閥的實(shí)際動(dòng)作通過DCS CALCU功能塊實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1所列。

表1 調(diào)節(jié)閥開度與控制器的輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系

實(shí)際運(yùn)行過程中，在負(fù)荷正常的情況下，鍋爐上水流量200t／h左右，F(xiàn)V2001B開度始終處于90%，F(xiàn)V2001A開度則在10%左右進(jìn)行液位調(diào)節(jié)。2臺(tái)透平轉(zhuǎn)速在3 500r／min固定不變，由于透平處于較高轉(zhuǎn)速，汽包給水壓力也高，F(xiàn)V2001A／B前后差壓較大。同時(shí)由于FV2001A流通能力相對(duì)較大，微小的閥位變化就會(huì)引起液位和汽包給水壓力的較大變化，影響了汽包液位的穩(wěn)定性。圖1為高壓汽包液位6h的趨勢(shì)，液位最大有3%的偏差。

2 轉(zhuǎn)速控制方案的構(gòu)成和原理

2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制汽包液位的思路

雖然單沖量／三沖量汽包液位控制可以滿足液位調(diào)節(jié)的需要，但由于透平（J541A／B）轉(zhuǎn)速采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速固定不變，通過改變調(diào)節(jié)閥開度來控制高壓汽包給水量。在實(shí)際運(yùn)行過程中FV2001A處于較小的開度，給水調(diào)節(jié)閥前后差壓較大，節(jié)流過程中造成的能量損失大，不利于裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)易對(duì)閥芯閥座產(chǎn)生沖蝕破壞，縮短調(diào)節(jié)閥使用壽命。但是如果將2臺(tái)調(diào)節(jié)閥開度處于較大的位置，甚至全開，通過透平轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)給水流量的控制，即可減少透平的蒸汽用量，實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能降耗的目的。

圖1 傳統(tǒng)控制方式下高壓汽包液位曲線

具體方案：在液位控制系統(tǒng)中引入一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC2001，將液位調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、給水流量信號(hào)送加法器LY2003B，加法器輸出信號(hào)送至轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。該方案中主調(diào)節(jié)器是液位控制器LIC2003C，副調(diào)節(jié)器是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC2001，將SIC2001輸出的4～20mA信號(hào)送至ITCC控制調(diào)速閥調(diào)節(jié)透平轉(zhuǎn)速。FIC2001保持在手動(dòng)狀態(tài)，輸出鎖定在較大值，以便實(shí)現(xiàn)透平轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)汽包液位的目的。該方案實(shí)際上是在典型的串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上演變而成，主調(diào)節(jié)器保證水位無靜態(tài)偏差，其輸出信號(hào)、給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)都作用到副調(diào)節(jié)器，當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)透平轉(zhuǎn)速保證給水流量和蒸汽流量的平衡［4］。其控制原理如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制液位原理

2.2 調(diào)節(jié)器與功能塊的作用

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方案在原有單沖量／三沖量方案基礎(chǔ)上，增加一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器SIC2001，原有的控制方案繼續(xù)保留，便于汽包低負(fù)荷或設(shè)備故障情況下使用。具體的控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后液位控制系統(tǒng)

各調(diào)節(jié)器與功能塊的作用如下：

a）LIC2003A：用于單沖量液位控制的調(diào)節(jié)器，反作用；

b）LIC2003C：用于三沖量液位控制的調(diào)節(jié)器，反作用；

c）FIC2001：給水流量調(diào)節(jié)器，反作用；

d）SIC2001：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，反作用，根據(jù)透平性能參數(shù)控制轉(zhuǎn)速在3 050～3 749r／min；

e）LY2002：高壓汽包液位壓力補(bǔ)償計(jì)算，算法為

式中：LI2003.PV——高壓汽包液位測(cè)量值；PI2005.PV——高壓汽包壓力。

f）FY2002：高壓汽包出口蒸汽補(bǔ)償計(jì)算，由于FI2002所測(cè)為飽和蒸汽流量，只需進(jìn)行壓力補(bǔ)償：

式中：FI2002.PV——汽包出口飽和高壓蒸汽測(cè)量值；PI2005.PV——高壓汽包壓力；ρ——高壓飽和蒸汽參考密度，取67.3kg／m3。

g）求和塊：求和功能，液位控制器輸出信號(hào)、蒸汽流量信號(hào)、給水流量信號(hào)的代數(shù)和。

h）模式選擇：用于不同模式間的切換，即單沖量／三沖量／轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。操作指令由工藝操作員按需要發(fā)出。

3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在汽包液位控制的投用

3.1 正常工況

在開、停車或者系統(tǒng)不穩(wěn)定時(shí)采用單沖量或三沖量控制。單沖量調(diào)節(jié)器和三沖量調(diào)節(jié)器在不被選中時(shí)給定值和測(cè)量值相等，且不被選中調(diào)節(jié)器的輸出始終跟蹤被選中調(diào)節(jié)器的輸出。這樣當(dāng)切換控制方式時(shí)不必進(jìn)行平衡操作，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。單沖量／三沖量汽包液位控制系統(tǒng)的投用還是采用傳統(tǒng)的控制方式。當(dāng)鍋爐負(fù)荷達(dá)到適當(dāng)且運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)可切換到轉(zhuǎn)速控制，LIC2003C置自動(dòng)，SIC2001置串級(jí)，LIC2003A，F(xiàn)IC2001置手動(dòng)。為防止2臺(tái)給水透平同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)互相干擾，其中1臺(tái)用手動(dòng)控制轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速固定，另1臺(tái)透平轉(zhuǎn)速自動(dòng)根據(jù)給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。高壓汽包正常運(yùn)行時(shí)負(fù)荷一般在85%左右，上水量大約200t／h。根據(jù)給水透平性能參數(shù)將1臺(tái)透平轉(zhuǎn)速固定在3 200r／min，上水量105t／h，約占補(bǔ)水量的一半，另1臺(tái)轉(zhuǎn)速在3 050～3 749r／min對(duì)流量進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速控制投用后根據(jù)運(yùn)行情況通過FIC2001手動(dòng)將給水閥FV2001A／B開大，如果液位波動(dòng)較大，調(diào)整需較長(zhǎng)時(shí)間，直至FIC2001輸出為100%。隨著給水閥的開大，調(diào)速透平轉(zhuǎn)速逐漸下降，蒸汽用量減少。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案中透平與傳統(tǒng)三沖量控制中調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性有很大的差別，當(dāng)液位存在偏差時(shí)，F(xiàn)IC2001動(dòng)作可以快些，便于迅速克服擾動(dòng)。但如果SIC2001輸出動(dòng)作過快，造成透平實(shí)際轉(zhuǎn)速跟不上設(shè)定值，極易造成系統(tǒng)失調(diào)。對(duì)于SIC2001參數(shù)的整定和投用，在實(shí)際操作中積分時(shí)間可長(zhǎng)一些，為防止系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器被調(diào)量產(chǎn)生共振現(xiàn)象，上一級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的周期至少為下一級(jí)系統(tǒng)周期的2～3倍［5］。

實(shí)際投用后，通過透平轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)給水量穩(wěn)定液位，液位控制效果如圖4所示，液位調(diào)節(jié)偏差控制在1%以內(nèi)，控制效果良好。

圖4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制液位趨勢(shì)

3.2 故障工況

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在實(shí)際運(yùn)行中還需考慮故障情況，最大限度地保證裝置穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)其中1臺(tái)透平跳車時(shí)，電泵會(huì)自啟動(dòng)，汽包給水流量迅速增大。此時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方案無法快速克服給水流量的擾動(dòng)，極易造成高壓汽包液位的大幅波動(dòng)，因而需快速地由轉(zhuǎn)速控制切換到三沖量控制，以保證給水量維持在跳車前的水平，穩(wěn)定汽包液位。

4 轉(zhuǎn)速控制投用效果

轉(zhuǎn)速控制方案實(shí)施后，控制回路的穩(wěn)定性和可靠性比傳統(tǒng)三沖量方案有明顯的提高。高壓汽包液位控制精度由原來的3%左右提高到了1%左右。由于給水閥FV2001A／B處于90%以上的開度，閥前后差壓很小，能量損失大大減小。正常負(fù)荷情況下，2臺(tái)透平轉(zhuǎn)速由原來的3 500r／min降到了3 200r／min左右，減少了蒸汽用量，2臺(tái)透平大約節(jié)省蒸汽2.5t／h。同時(shí)透平保持在中速運(yùn)行狀態(tài)，減少了設(shè)備損耗，降低了故障率。

5 結(jié)束語

在傳統(tǒng)三沖量液位控制的基礎(chǔ)上，以透平轉(zhuǎn)速控制給水量，優(yōu)化了裝置的控制方式，提高了控制水平。實(shí)際應(yīng)用證明，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制汽包液位可取得良好效果，特別是在企業(yè)大力提倡節(jié)能減排的今天更加意義重大。

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