串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)在汽包液位控制中的應(yīng)用

韋慶志 戚惠杰

[摘? ? 要]文章主要介紹了焦?fàn)t余熱利用系統(tǒng)中影響汽包液位的因素、串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)的原理以及基于PLC的汽包液位串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)汽包液位調(diào)節(jié)所起到的重要作用。

[關(guān)鍵詞]汽包液位;串級(jí);三沖量;PID;PLC

[中圖分類號(hào)]TP273[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）08–00–02

Application of Cascade Three-Impulse Regulation in Drum Level Control

Wei Qing-zhi， Qi Hui-jie

[Abstract]This paper mainly introduces the factors affecting the drum liquid level in the coke oven waste heat utilization system， the principle of cascade three-impulse regulation and the important role played by PLC based cascade three-impulse regulation of drum liquid level in practical application.

[Keywords]drum level; cascade; three-impulse; PID; PLC

安鋼焦化分公司為了響應(yīng)國家環(huán)保政策，堅(jiān)定不移走綠色發(fā)展、節(jié)能增效之路，先后對(duì)四煉焦車間的6m焦?fàn)t以及五煉焦車間的7m焦?fàn)t進(jìn)行上升管改造，實(shí)施上升管余熱利用技術(shù)。該項(xiàng)目控制系統(tǒng)中汽包液位的調(diào)節(jié)，關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，顯得尤為重要。該項(xiàng)目自2016年實(shí)施以來，已先后完成并投入使用，目前系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能增效效果明顯。

1 汽包液位控制的重要性

汽包在整個(gè)上升管余熱利用系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，前端過來的除氧水進(jìn)入汽包，再由汽包輸送至各上升管換熱器的進(jìn)水端，通過熱交換產(chǎn)生水汽混合物，通過換熱器的出口再回到汽包進(jìn)行汽水分離，水繼續(xù)循環(huán)進(jìn)入上升管再次進(jìn)行熱交換，產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入下一級(jí)形成過熱蒸汽，最終并入蒸汽管網(wǎng)[1]。圖1為安鋼焦化廠六米焦?fàn)t余熱利用系統(tǒng)工藝流程圖

汽包液位是系統(tǒng)正常運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)。液位過高會(huì)影響汽水分離效果，導(dǎo)致飽和蒸汽帶水過多，使過熱蒸汽溫度下降，并且影響過熱器的運(yùn)行。液位過低輕則影響水蒸氣平衡，重則可能全部氣化，造成上升管的損壞，甚至產(chǎn)生爆炸，造成生產(chǎn)事故。這就要求汽包液位要控制在一個(gè)合理范圍內(nèi)，適應(yīng)各種工況的運(yùn)行。影響汽包液位的因素主要有給水流量和蒸汽流量。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然增大時(shí)，汽包壓力會(huì)驟然下降，爐水的飽和溫度下降到壓力較低時(shí)的飽和溫度，使?fàn)t水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，促使液位很快上升，形成虛假液位。當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然減小時(shí)，汽包壓力會(huì)驟然上升，則相應(yīng)的蒸汽的飽和溫度提高，則大部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，促使液位很快下降，形成虛假液位。當(dāng)上升管內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會(huì)形成虛假液位[2]。當(dāng)產(chǎn)生虛假液位時(shí)，如果采用單一的單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)這個(gè)假液位對(duì)給水調(diào)節(jié)閥發(fā)出錯(cuò)誤的指令，等到汽水達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡，虛假液位消失，此時(shí)的實(shí)際液位和設(shè)定值會(huì)有很大的偏差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)安全。

2 串級(jí)三沖量控制的原理

為了及時(shí)消除蒸汽流量波動(dòng)或給水壓力波動(dòng)對(duì)汽包液位的影響，并有效防止虛假液位現(xiàn)象而引起的系統(tǒng)誤操作，除了主調(diào)節(jié)回路中的液位變量外，再引入蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)，再增加副調(diào)節(jié)回路，以給水流量作為測量信號(hào)。這樣由主調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路以及前饋控制構(gòu)成了汽包液位的串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中三沖量分別是汽包液位、給水流量和蒸汽流量，串級(jí)是主副2個(gè)調(diào)節(jié)回路。串級(jí)三沖量控制實(shí)質(zhì)上就是前饋控制再加上串級(jí)控制的系統(tǒng)。通常反饋控制的作用是在出現(xiàn)偏差以后進(jìn)行調(diào)節(jié)，而前饋控制是根據(jù)干擾的變化而變化的，前饋控制檢測的信號(hào)是干擾變量的大小，它可以在偏差出現(xiàn)之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，瞬間進(jìn)行控制，能夠有效的防止虛假液位對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響[3]。圖2為串級(jí)三沖量液位調(diào)節(jié)方框圖。

從串級(jí)三沖量液位調(diào)節(jié)方框圖可以看出，主調(diào)節(jié)回路和副調(diào)節(jié)回路是串聯(lián)使用的，在蒸汽流量和給水流量穩(wěn)定時(shí)共同對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以保證汽包液位的穩(wěn)定。當(dāng)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，汽包液位測量值偏離設(shè)定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器通過副回路對(duì)給水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的汽包液位回到給定值。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)給水流量擾動(dòng)時(shí)，給水流量反饋給副回路，系統(tǒng)就能夠及時(shí)得到調(diào)節(jié)效果的反饋，并迅速消除給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)。由蒸汽流量構(gòu)成的前饋通道，在蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，能夠?qū)⒄羝髁啃盘?hào)與主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)通過一定關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得出的計(jì)算值作為副調(diào)節(jié)器的給定值，此時(shí)副回路能夠迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變給水流量，有效的防止了因出現(xiàn)虛假液位進(jìn)而使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤動(dòng)作。

3 串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)應(yīng)用

整個(gè)焦?fàn)t上升管余熱利用系統(tǒng)選用AB公司Compact Logix控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，數(shù)據(jù)采集與顯示。系統(tǒng)分為上位監(jiān)控畫面和下位PLC兩部分，上下位之間通過以太網(wǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定通訊。下位硬件選用美國羅克韋爾公司1769-L33ER處理器及1769系列I/O模塊，編程軟件采用RSLogix5000可編程軟件。系統(tǒng)上位采用羅克韋爾自動(dòng)化公司的FactoryTalk View Site Edition軟件以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作。程序中單獨(dú)建立汽包液位三沖量串級(jí)調(diào)節(jié)功能塊，主程序段如圖3所示。

程序段中有主副2個(gè)PID調(diào)節(jié)塊，主PID調(diào)節(jié)為LRC1001，副PID調(diào)節(jié)為FRC1001。汽包液位為LET1001，通過液位變送器測得;蒸汽流量為FT103，通過一體化節(jié)流式流量測量裝置測得;給水流量為FT102，通過數(shù)字超聲波流量計(jì)測得。給水調(diào)節(jié)閥控制值為LVZ103，采用電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥對(duì)汽包給水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

汽包液位LET1001作為主調(diào)節(jié)器的測量值，汽包給水流量FT102作為副調(diào)節(jié)器的測量值。副調(diào)節(jié)回路的前饋值通過主調(diào)節(jié)器的輸出和蒸汽流量測量值以公式LRC1001.CV*K1+FT103*K2+K3得出，最終副調(diào)節(jié)器輸出4～20mA電流信號(hào)控制給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作實(shí)現(xiàn)汽包液位的調(diào)節(jié)。根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)主副調(diào)節(jié)器選擇正、反作用的原則，主調(diào)節(jié)器選擇反作用，副調(diào)節(jié)器選擇正作用，為保證汽包液位的無靜態(tài)誤差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制算法，為保證副調(diào)節(jié)器的快速性，去掉微分作用，采用PI或P控制算法.在手動(dòng)模式下主調(diào)節(jié)器的控制輸出值由反推公式得出，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制方式的無擾切換。

上位監(jiān)控畫面有汽包液位串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)窗口，如圖4所示。畫面按鈕可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)控制方式，以及串級(jí)是否投入進(jìn)行控制。通過畫面可對(duì)調(diào)節(jié)系數(shù)K1、K2、K3以及主副PID調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行修改。此外還可對(duì)各種參數(shù)和過程變量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及歷史記錄查詢。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)在安鋼焦化廠6m焦?fàn)t余熱利用上升管改造項(xiàng)目中首次應(yīng)用，調(diào)試中通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)情況以及系統(tǒng)各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控進(jìn)行分析，修改程序及調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，效果顯著。系統(tǒng)隨后又在焦化廠7m焦?fàn)t上升管余熱利用改造項(xiàng)目中再次使用，目前運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)效果顯著。通過實(shí)際應(yīng)用表明串級(jí)三沖量液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏、調(diào)節(jié)質(zhì)量好，安全性能好，能夠有效地克服汽包液位受蒸汽流量和給水流量溫度、壓力突變時(shí)而產(chǎn)生的干擾影響，減小汽包液位波動(dòng)，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的安全性以及系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。

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