劉洪喜,程林旺

(1.天津?yàn)I海環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,天津 300457; 2.天津聯(lián)維乙烯工程有限公司,天津 300070)

淺析裂解爐汽包液位的測(cè)量及控制

劉洪喜1,程林旺2

(1.天津?yàn)I海環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,天津 300457; 2.天津聯(lián)維乙烯工程有限公司,天津 300070)

介紹了影響裂解爐汽包液位的三個(gè)主要因素及“虛假液位”的產(chǎn)生原因。介紹了汽包液位三沖量控制方案的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)。將減溫水流量從蒸汽流量中減去,提高了控制準(zhǔn)確性。針對(duì)液位測(cè)量,提出了采用雙室平衡容器的特點(diǎn)和使用情況。最后,對(duì)本工程三沖量控制方案在DCS中的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了描述,重點(diǎn)敘述了程序語(yǔ)言的靈活運(yùn)用以及前饋控制中一階環(huán)節(jié)的使用和控制情況。

汽包;虛假液位;雙室平衡容器;三沖量;前饋

0 引 言

天津石化公司1 Mt/a乙烯裝置有11臺(tái)裂解爐,每臺(tái)裂解爐都設(shè)有高壓蒸汽包,以回收裂解爐的剩余熱量,產(chǎn)生的超高壓蒸汽至蒸汽管網(wǎng)供汽輪機(jī)組等用戶使用。鍋爐給水進(jìn)入裂解爐爐膛加熱再通過(guò)廢熱鍋爐 TL E進(jìn)入高壓蒸汽包,最終產(chǎn)生超高壓過(guò)熱蒸汽。對(duì)于汽包來(lái)講,液位過(guò)低時(shí)會(huì)破壞裂解爐熱量平衡,損壞設(shè)備甚至產(chǎn)生爆炸事故;液位過(guò)高時(shí)容易使管網(wǎng)帶水,直至危害到汽輪機(jī)的安全,損失巨大。無(wú)論是缺水還是滿水事故都會(huì)給生產(chǎn)甚至人身安全帶來(lái)巨大危害,所以汽包液位的正確測(cè)量及可靠控制非常重要。

1 影響汽包液位的因素

1.1 出汽包的蒸汽流量對(duì)液位的影響

當(dāng)蒸汽用戶的用汽量突然增加,出汽包的蒸汽量qm1大于給水量,汽包液位看起來(lái)應(yīng)該直線下降。但實(shí)際液位在 qm1增加后,并沒(méi)有立刻下降,而是先上升再下降。這是因?yàn)槠鼔毫焖俳档?對(duì)應(yīng)的飽和水溫度降低,于是汽包水平面以下的水容積中的一部分水會(huì)汽化而生成氣泡,造成汽包水位抬高。反之,當(dāng) qm1快速減少時(shí),汽包壓力增加,由于對(duì)應(yīng)的飽和水溫度升高[1],使汽包水平面以下水容積中的一部分氣泡變成水,氣泡含量減少,會(huì)造成液位先行降低之后再升高[1]。汽包液位以上的這些特殊變化現(xiàn)象,稱為“虛假液位”。

當(dāng)qm1發(fā)生變化時(shí),由于液面下氣泡變化引起的“虛假液位”變化是很快的,變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比,也與壓力變化速度成正比,所以在考慮液位的測(cè)量和控制時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮對(duì)“虛假液位”的糾正。

1.2 鍋爐給水流量的干擾對(duì)水位的影響

當(dāng)給水流量突然增加時(shí),雖然給水量大于出汽包的蒸汽量,但汽包液位一開(kāi)始并不立即增加,這是因?yàn)殄仩t給水溫度較低,進(jìn)入汽包的水循環(huán)系統(tǒng)后,要從原有的飽和水及蒸汽中吸取一部分熱量,這就使得汽包水面下氣泡容積有所減少,所以這時(shí)雖然水量增加,但液位基本不變。最后,當(dāng)水面下氣泡容積不再變化時(shí),液位變化就完全反應(yīng)了由于儲(chǔ)水量的增加而直線上升的變化[1]。

從上述分析得出,給水量擾動(dòng)時(shí),液位的變化有一定的慣性和純滯后。雖然當(dāng)鍋爐給水量改變后不會(huì)立即影響液位,但此時(shí)由于給水量的變化是客觀存在的,所以最終影響液位是必然的。

1.3 換熱量的擾動(dòng)

當(dāng)裂解爐出口裂解氣溫度發(fā)生變化,如突然增加時(shí),經(jīng)由TL E傳給汽包水的熱量也增多,使液面下的氣泡膨脹,此時(shí),盡管鍋爐給水量不變,但是液位也會(huì)上升。當(dāng)熱量和水量重新達(dá)到平衡時(shí),液位才會(huì)慢慢回降。當(dāng)然,這種由于熱量變化引起的虛假液位浮動(dòng)比較小,而且裂解氣出口溫度(COT)的控制已有一套專門的復(fù)雜控制方案,使得 TL E的熱量擾動(dòng)較小,所以在汽包液位控制中可以不考慮TL E熱量擾動(dòng)的直接影響。

2 汽包液位控制

對(duì)于上述因素對(duì)汽包液位的影響,相應(yīng)的液位控制采用了典型的三沖量控制方案,并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。三沖量給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合考慮了主蒸汽量和給水流量相等的原則,又考慮了水位偏差的大小,因而既能補(bǔ)償“虛假水位”的影響,又能糾正給水量的擾動(dòng),消除了汽包系統(tǒng)的滯后現(xiàn)象,是目前大型鍋爐汽包普遍采用的給水自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其控制原理如圖1所示。

圖1 汽包三沖量控制原理

由圖1可見(jiàn),三沖量控制實(shí)際是一個(gè)帶前饋的串級(jí)控制。其中汽包液位是被控變量,亦是串級(jí)控制的主變量,是工藝的主要控制指標(biāo);給水流量是串級(jí)控制系統(tǒng)中的副變量,引入這一變量的目的是為了利用副回路克服干擾的快速性來(lái)及時(shí)克服給水壓力變化對(duì)汽包液位的影響;蒸汽流量是作為前饋信號(hào)引入的,其目的是為了及時(shí)克服蒸汽負(fù)荷變化對(duì)汽包液位的影響[2]。采用蒸汽流量的前饋控制,可以很好地抵消“虛假液位”現(xiàn)象,而且前饋部分采用了一階線性運(yùn)算,與蒸汽流量對(duì)汽包液位影響的對(duì)象特性相匹配,動(dòng)態(tài)性能較好,改善了控制品質(zhì)。同時(shí)該方案將進(jìn)入蒸汽過(guò)熱器的減溫水流量從蒸汽流量中減去,使控制更加精確。

由汽包液位、出汽包的蒸汽量和鍋爐給水量組成的三沖量汽包液位控制系統(tǒng)可使液位控制更趨平穩(wěn),比較全面地考慮了影響汽包液位的幾個(gè)重要因素。無(wú)論擾動(dòng)來(lái)自這三個(gè)沖量中的哪一個(gè),都可以由該控制系統(tǒng)快速地作出正確的調(diào)節(jié)動(dòng)作,使汽包液位平穩(wěn)地維持在預(yù)定的位置。

3 汽包液位的測(cè)量方式

汽包液位測(cè)量采用了目前比較常見(jiàn)的雙室平衡容器配差壓變送器的原理。采用的雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙,具有一定自我補(bǔ)償能力的汽包水位測(cè)量裝置。

這種結(jié)構(gòu)最大限度地削弱了汽水密度變化對(duì)常規(guī)運(yùn)行水位差壓的影響。參比水柱溫度過(guò)渡到對(duì)應(yīng)壓力下飽和氣溫的時(shí)間短,測(cè)量動(dòng)態(tài)特性好。容器外部再輔以適當(dāng)?shù)谋卮胧?參比水柱如同在汽包內(nèi)一樣,溫度始終接近于飽和水溫度,使得二者密度基本相等,所以不需做溫度修正補(bǔ)償;另外,這種結(jié)構(gòu)下汽包壓力發(fā)生變化時(shí)平衡容器內(nèi)的“虛假液位”現(xiàn)象可以較大減輕,所以對(duì)汽包壓力的變化也有較好的自補(bǔ)償作用。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)冬季與夏季的對(duì)比觀察,液位測(cè)量沒(méi)有明顯的變化。

另外,為保證測(cè)量回路的穩(wěn)定工作,同時(shí)滿足聯(lián)鎖系統(tǒng)的要求,該項(xiàng)目單獨(dú)設(shè)置了三個(gè)液位測(cè)點(diǎn),極大地提高了測(cè)量的可靠性。

4 汽包三沖量控制在DCS中的實(shí)現(xiàn)

該裝置DCS采用Centum CS-3000系統(tǒng)。該系統(tǒng)三沖量控制組態(tài)實(shí)現(xiàn)起來(lái)直觀方便,尤其在采用了“CALCU”功能塊進(jìn)行程序語(yǔ)言的編寫,使得控制功能更加靈活可靠。

其中,液位測(cè)量采用的“三取中”方式,并由程序語(yǔ)言進(jìn)行判斷,當(dāng)某一個(gè)液位測(cè)量回路發(fā)生故障時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)的液位測(cè)量值“二取高”。

蒸汽流量采用了溫度壓力補(bǔ)償,組態(tài)時(shí)沒(méi)有使用DCS自帶的溫壓補(bǔ)償功能塊,仍然利用程序語(yǔ)言進(jìn)行運(yùn)算,并對(duì)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行過(guò)濾,使補(bǔ)償系數(shù)在合理的范圍之內(nèi),避免了溫度壓力測(cè)量不正常時(shí)的“補(bǔ)償過(guò)度”現(xiàn)象。

蒸汽流量前饋運(yùn)算采用了一階滯后環(huán)節(jié)“LAG”功能塊,階躍響應(yīng)曲線如圖2所示,既克服了“虛假液位”的影響又很好地實(shí)現(xiàn)了前饋補(bǔ)償運(yùn)算,達(dá)到了較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。該功能塊的運(yùn)算表達(dá)式:

圖2 一階滯后環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線

式中 RV——測(cè)量輸入值;CPV——計(jì)算輸出值。

為了保證蒸汽流量前饋控制的準(zhǔn)確性,當(dāng)蒸汽流量、溫度、壓力以及減溫水流量中的任何一個(gè)參數(shù)出現(xiàn)測(cè)量異常時(shí),系統(tǒng)會(huì)通過(guò)“順控表程序”自動(dòng)將前饋控制切除,同時(shí)DCS流程畫面上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)提示,此時(shí)操作人員是無(wú)法強(qiáng)行投入前饋控制的,只有當(dāng)所有問(wèn)題處理完畢,測(cè)量參數(shù)正常以后才可以重新投入前饋控制。當(dāng)然,任何時(shí)候操作人員還可以手動(dòng)切除前饋控制,使之成為普通的串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng),這給裂解爐運(yùn)行過(guò)程中的操作控制帶來(lái)了很大便利。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行觀察,采用雙室平衡容器,同時(shí)配以優(yōu)化的三沖量控制方案,使得乙烯裝置汽包液位的控制非常平穩(wěn)。需要指出的是,由于采用了雙室平衡容器,而且汽包水沒(méi)有實(shí)時(shí)的溫度測(cè)點(diǎn),所以該控制方案并沒(méi)有設(shè)置汽包壓力和溫度對(duì)液位測(cè)量的補(bǔ)償。爐子檢修后汽包從充水到升溫階段液位測(cè)量會(huì)存在一定的誤差,這個(gè)階段工藝人員要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察到的水位進(jìn)行操作,反而對(duì)安全生產(chǎn)是有益的。

無(wú)論是在化工還是電力行業(yè),汽包液位均是鍋爐及其控制系統(tǒng)中最重要的參數(shù)之一,了解汽包液位測(cè)量誤差的產(chǎn)生原理,同時(shí)深刻理解液位的測(cè)量與控制方式,能夠更好地進(jìn)行設(shè)備選型安裝,并可以合理地優(yōu)化控制方案,對(duì)處理實(shí)際問(wèn)題,保證正常生產(chǎn)有很重要的意義。

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TP273,TH816

B

1007-7324(2010)06-0077-03

2010-08-09。

劉洪喜(1976—),男,1995年參加工作,先后畢業(yè)于天津化工學(xué)校儀表及自動(dòng)化專業(yè)、天津師范大學(xué)計(jì)算機(jī)及應(yīng)用專業(yè)、天津理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè),本科學(xué)歷;現(xiàn)工作于天津?yàn)I海環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,負(fù)責(zé)新能源發(fā)電項(xiàng)目的籌建工作,任自控專業(yè)負(fù)責(zé)人,已發(fā)表專業(yè)論文2篇,任工程師,建造師,高級(jí)技師。