汽包水位三沖量控制方案的應(yīng)用探討

李自皋，李培瑤

(1． 玉門(mén)油田公司 煉油化工總廠，甘肅 玉門(mén) 735100；2． 福海創(chuàng)石油化工有限公司，福建 漳州 363000)

維持水位在一定的范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件。水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶液現(xiàn)象，使過(guò)熱器管壁結(jié)垢，同時(shí)也會(huì)使過(guò)熱蒸汽溫度急劇下降；水位過(guò)低，汽包的水量較少，當(dāng)負(fù)荷增大時(shí)，水的汽化速度加快，若不及時(shí)調(diào)節(jié)補(bǔ)水，就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，造成干鍋，甚至引起爆炸。

1 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性

汽包水位的動(dòng)態(tài)特性如圖1所示。

1.1 蒸發(fā)量qmD擾動(dòng)作用下的水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)鍋爐給水量qmW不變，蒸發(fā)量突然增加ΔqmD時(shí)，如果只從物質(zhì)不平衡角度來(lái)看，則曲線如圖1中的H1(t)所示；但由于蒸發(fā)量增加時(shí)，汽包容積增加，水位曲線如H2(t)所示；H2(t)和H1(t)綜合后實(shí)際水位階躍反應(yīng)曲線如H(t)所示。從圖1a)可以看出，當(dāng)蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然qmW小于qmD，但開(kāi)始時(shí)，水位不僅不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然減少時(shí)，則水位先下降，然后上升，該現(xiàn)象稱(chēng)之為“虛假水位”，其變化的幅度與鍋爐的工作壓力和qmD有關(guān)。例如，一般100～200 t/h的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷變化10%時(shí)，“虛假水位”可達(dá)30～40 mm?！疤摷偎弧苯o控制帶來(lái)一定困難，在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須加以克服。

1.2 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

在qmW、蒸汽負(fù)荷不變的情況下，當(dāng)燃料量突然增加ΔqmM時(shí)，傳給鍋爐的熱量增加，上升管中的蒸發(fā)強(qiáng)度將增大，使蒸發(fā)面的汽泡膨脹，汽泡將托著水位上升，然而這時(shí)qmW并沒(méi)有增加，因此這種水位的變化亦屬于“虛假水位”。當(dāng)熱量和水位在爐內(nèi)重新達(dá)到平衡時(shí)，水位才慢慢回降。如圖1b)所示。

1.3 給水量變化時(shí)水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)qmD不變，而階躍變化時(shí)，汽包水位如圖1c)所示。從圖1c)可以看出，在qmW擾動(dòng)時(shí)，水位不是立即響應(yīng)，而是具有一定的慣性和純滯后，水溫越低，純滯后時(shí)間越長(zhǎng)。

圖1 汽包水位動(dòng)態(tài)特性示意

2 汽包水位自動(dòng)控制方案

由于給水調(diào)節(jié)對(duì)象沒(méi)有自平衡能力，又存在滯后，因此鍋爐汽包水位常用的有以下三種閉環(huán)控制系統(tǒng)： 以水位為唯一調(diào)節(jié)信號(hào)的稱(chēng)單沖量水位控制系統(tǒng)；以蒸汽流量和水位作為調(diào)節(jié)信號(hào)的雙沖量水位控制系統(tǒng)；以給水流量、蒸汽流量和水位作為調(diào)節(jié)信號(hào)的三沖量水位控制系統(tǒng)。

2.1 單沖量水位控制系統(tǒng)

單沖量水位控制系統(tǒng)原理如圖2所示，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用儀表少、投資少、易實(shí)現(xiàn)，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，適合小型低壓鍋爐，汽包相對(duì)容積大，水在汽包內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng)，蒸汽負(fù)荷比較平穩(wěn)，用戶(hù)對(duì)蒸汽的質(zhì)量要求不是十分嚴(yán)格的場(chǎng)合。

圖2 單沖量水位控制系統(tǒng)示意

2.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)

在汽包水位控制中，如果最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化，那么引入蒸汽流量來(lái)校正，不僅可以補(bǔ)償“虛假水位”所引起的誤動(dòng)作，而且使給水閥的動(dòng)作及時(shí)。即構(gòu)成了雙沖量水位控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 雙沖量水位控制系統(tǒng)原理示意

雙沖量水位控制系統(tǒng)即前饋蒸汽流量加單沖量水位控制系統(tǒng)，前饋僅為靜態(tài)前饋，它雖然可以克服“虛假水位”導(dǎo)致控制閥的誤動(dòng)作和滯后問(wèn)題，但是當(dāng)供水壓力擾動(dòng)比較頻繁時(shí)，該系統(tǒng)的控制質(zhì)量較差。

其中加法器，亦可用控制閥的輸出電流方式表示為

I=C1IC±C2ID±I0

(1)

式中：C1，C2——加法器系數(shù)，C1≤1，一般取1，C2根據(jù)靜態(tài)前饋補(bǔ)償設(shè)置，可以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，也可理論推導(dǎo)得出；I0——偏置值，目的是為調(diào)整I的輸出；IC，ID——汽包水位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和蒸汽流量變送器的輸出信號(hào)。

控制閥、控制器作用形式以及加法運(yùn)算器正負(fù)作用的確定：

1)控制閥的開(kāi)/閉形式。從防止鍋爐燒干的安全角度，控制閥選擇氣關(guān)FO形式；若從保護(hù)蒸汽用戶(hù)的角度，選擇氣開(kāi)FC形式。

2)控制器的正反作用。當(dāng)控制對(duì)象為正作用時(shí)，若控制閥為FO形式，則控制器為正作用形式；若控制閥為FC形式，控制器為反作用形式。

3)C1一般取值為1。

4)C2的正負(fù)取決于控制閥的開(kāi)關(guān)形式，蒸汽量增加則qmW增加為總原則，所以，當(dāng)選擇FO形式控制閥時(shí)，信號(hào)I減少時(shí)，qmW增加，因此C2取“-”；當(dāng)選擇FC形式控制閥時(shí)，信號(hào)I增加時(shí)，qmW增加，因此C2取“+”。

綜上所述可知： 當(dāng)采用FO形式控制閥時(shí)，加法器的運(yùn)算公式為I=C1IC-C2ID+I0；當(dāng)采用FC形式控制閥時(shí)，加法器的運(yùn)算公式為I=C1IC+C2ID-I0。

通過(guò)I0可調(diào)整I，設(shè)置I0的目的是在正常負(fù)荷下，控制器和加法器的輸出都有一個(gè)比較適中的數(shù)值，最好在正常負(fù)荷下，I0和C2ID項(xiàng)接近而相互抵消。

雙沖量水位控制系統(tǒng)解決了“虛假水位”問(wèn)題，但存在著兩個(gè)缺陷： 一是對(duì)給水量的干擾不能及時(shí)克服；二是由于控制閥的工作特性不一定是線性的，因此要做到靜態(tài)補(bǔ)償很困難。

2.3 三沖量水位控制系統(tǒng)

在工程實(shí)踐中，三沖量水位控制系統(tǒng)有圖4所示的4種控制方案。它克服了雙沖量水位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)性弱點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，控制品質(zhì)達(dá)到最佳狀態(tài)。本文重點(diǎn)分析圖4中所示4種方案的原理、性能及優(yōu)缺點(diǎn)。

圖4 三沖量水位控制系統(tǒng)的4種控制方案

2.3.1方案1

該方案由給水流量作為正反饋、蒸汽流量作為負(fù)反饋加水位反饋控制系統(tǒng)組成，投運(yùn)和設(shè)定與單回路一樣，DCS組態(tài)實(shí)現(xiàn)容易，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)簡(jiǎn)單靈活方便。加法器的輸出信號(hào)I可表示為

I=C1IC±C2ID±C3IW

(2)

式中：IW——給水流量變送器的輸出信號(hào)；C1，C2，C3——加法器系數(shù)，C2/C3=αqmDmax/(qmWmax);qmDmax，qmWmax——蒸汽和給水流量最大量程，一般工程設(shè)計(jì)時(shí)，蒸汽和給水流量大多都采用相同的量程，因此可得C2=αC3，系數(shù)α取大于1的值，工程設(shè)計(jì)常取α=1.02，C3可以看作給水流量控制回路增益的一部分，確定了C3的值C2的值就確定了，即可求得C3。

1)IC，ID，IW進(jìn)加法器的正負(fù)作用的確定。假定控制閥從防止鍋爐燒干的安全角度選擇FO形式，確定為負(fù)作用，控制對(duì)象鍋爐汽包確定“正作用”，則水位控制器LC為“正作用”，所以IC為“正”。

2)ID的正負(fù)作用確定。當(dāng)蒸汽qmD增大時(shí)，要求控制閥開(kāi)大，即要求LC輸出減小。由于LC正作用，要使LC輸出減小，則要求減小輸入偏差信號(hào)，因此，ID進(jìn)加法器應(yīng)取“負(fù)”。

3)IW的正負(fù)作用確定。當(dāng)qmW增大時(shí)，要求控制閥要關(guān)小，即要求LC輸出增大。由于LC正作用，要使LC輸出增大，則要求增大輸入偏差信號(hào)，因此，IW進(jìn)加法器應(yīng)取“正”。

IC，ID，IW進(jìn)加法器的正負(fù)作用確定值，I可表示為

I=C1IC-C2ID+C3IW

(3)

當(dāng)給水流量和蒸汽流量變送器的量程相同時(shí)，C1，C2，C3取值為1時(shí)，式(3)簡(jiǎn)化可得三沖量水位控制方案1的工程計(jì)算公式，即：

H=H測(cè)量-(qm蒸汽/qmmax蒸汽)+(qmW測(cè)/qmWmax)

(4)

式中：H——水位的計(jì)算值；H測(cè)——水位的測(cè)量值；qm蒸汽——蒸汽流量測(cè)量值；qmmax蒸汽——蒸汽流量最大值；qmW測(cè)——給水流量測(cè)量值；qmWmax——給水流量最大值。

但是，如果系統(tǒng)設(shè)置不能確保物料平衡，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位將有余差。

2.3.2方案2

該方案與控制方案1的不同點(diǎn)就在于將水位控制器LC從加法器后移到了加法器前，實(shí)際上也是一個(gè)前饋-反饋控制系統(tǒng)，由于該方案水位控制器的測(cè)量信號(hào)直接來(lái)自水位，因此只要水位控制器具有積分作用，就能保證該控制方案水位控制不會(huì)有余差。

方案2加法器的輸出與方案1有所不同，這里蒸汽流量信號(hào)ID為“正”，給水流量信號(hào)IW為“負(fù)”，C1，C2，C3與方案1相同。因此，I表示為

I=C1IC+C2ID-C3IW

(5)

2.3.3方案3

該方案與方案1，2的不同點(diǎn)是增加了給水控制調(diào)節(jié)回路，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上較前2個(gè)方案復(fù)雜，投資高，但該方案對(duì)于克服給水管路的干擾更為及時(shí)、有效。它實(shí)質(zhì)上是蒸汽流量前饋加汽包水位-給水流量串級(jí)的控制系統(tǒng)，給水流量是水位串級(jí)的副回路，通過(guò)副回路及時(shí)有效地控制給水量，可以很好地提高水位控制的質(zhì)量。同時(shí)，由于控制閥在副回路中，因此前饋補(bǔ)償效果已不再受控制閥非線性的影響。

方案3中加法器的輸出是給水流量控制的設(shè)定值，當(dāng)蒸汽流量增大時(shí)，給水流量控制器的設(shè)定值也增加，給水量即隨之增大，因此蒸汽流量信號(hào)ID應(yīng)取“正”，與控制閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式無(wú)關(guān)。IC取“正”，I0取“負(fù)”，因此I表示為

I=C1IC+C2ID-I0

(6)

式中：C2=αqmDmax/qmWmax；I0的作用與上述雙沖量控制方案的用途相同，不再贅述。

方案3在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛，在催化裂化裝置的余熱鍋爐、柴油加氫精制裝置的汽包以及火力發(fā)電站的鍋爐汽包等項(xiàng)目均采用方案3的控制結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 三沖量水位控制系統(tǒng)工程應(yīng)用示意

圖5所示的方案中，采用蒸汽流量前饋加水位-給水流量串級(jí)回路構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，該方案是加法器在水位控制器主回路PID之后的串級(jí)控制的工程應(yīng)用的典型例證。

該控制回路的三沖量分別是： 汽包水位、給水流量、蒸汽流量。當(dāng)LICA201處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，水位信號(hào)低選后送入LIC201，蒸汽流量通過(guò)溫壓補(bǔ)償后送入加法器LY202，LY202將蒸汽流量信號(hào)、汽包水位調(diào)節(jié)信號(hào)和減溫水流量信號(hào)相加作為FIC702的給定值，再根據(jù)偏差來(lái)控制閥位，從而達(dá)到控穩(wěn)汽包水位的目的。

也可手動(dòng)改變FIC702的閥位值以調(diào)整汽包水位。為了防止蒸汽溫度過(guò)高，減溫器DT101注水，導(dǎo)致蒸汽流量增大，實(shí)際上自產(chǎn)蒸汽流量并未增加，因此，在加法器中引入了除氧水去減溫器流量的信號(hào)，以防止該信號(hào)對(duì)三沖量水位控制系統(tǒng)的干擾。

I計(jì)算計(jì)算如式(7)所示：

I計(jì)算=CI0+C2(I1-I2)-I0

(7)

式中：I計(jì)算——加法器流量的計(jì)算結(jié)果；ID——蒸發(fā)量輸出值；I1——蒸汽溫壓補(bǔ)償后流量信號(hào)輸出；I2——減溫器中除氧水流量信號(hào)測(cè)量值；I0——初始流量信號(hào)輸出值。

2.3.4方案4

該方案是方案1和方案3相結(jié)合的一種新型控制方案，與方案1的不同點(diǎn)是增加了給水控制調(diào)節(jié)回路，與方案3的不同點(diǎn)是將水位控制器LC從加法器前移到了加法器后，從結(jié)構(gòu)上看，它是由2個(gè)干擾變量組成的前饋(蒸汽流量、給水量)加串級(jí)(汽包水位-給水流量)控制系統(tǒng)。文獻(xiàn)[1-2]中只闡述了前方案1，2，3的三沖量水位控制方案。

方案4與方案3結(jié)構(gòu)上相似，工程投資相同。但與方案3相比，方案4把蒸汽和給水流量的干擾作為前饋一次性引入LC，對(duì)于減少水位余差，克服蒸汽負(fù)荷變化、給水管路的干擾更為及時(shí)、有效。

方案4的加法器的輸出與方案1的加法器相同，I=C1IC-C2ID+C3IW輸出是主回路水位控制器的過(guò)程檢測(cè)值，蒸汽流量和給水流量的任何變化都會(huì)及時(shí)地提前反映到水位的變化，無(wú)論是對(duì)“虛假水位”，還是蒸汽負(fù)荷變化和給水管路的干擾，方案4都能有效地克服，進(jìn)而提高控制品質(zhì)。

方案4在工程實(shí)踐中也有廣泛應(yīng)用，例如某硫磺回收裝置制硫爐、焚燒爐的汽包水位控制采用方案4的控制結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 三沖量水位控制方案4工程應(yīng)用示意

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了汽包水位在蒸汽蒸發(fā)量、爐膛熱負(fù)荷及給水量擾動(dòng)時(shí)水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性及“虛假水位”產(chǎn)生的原因，討論了克服汽包“虛假水位”的單沖量、雙沖量和三沖量水位控制設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和不足。重點(diǎn)闡述了三沖量水位控制方案的四種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)形式、組成、加法器公式等，澄清了一些模糊認(rèn)識(shí)，有助于同行提高對(duì)三沖量液位控制方案的認(rèn)識(shí)，方便工程技術(shù)人員在系統(tǒng)組態(tài)時(shí)對(duì)三沖量加法器公式的正確應(yīng)用。