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過程中主要的工藝指標之一，也是保證設備安全運行的必要條件。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荷較低的情況下采用單沖量控制，適當負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，往往會造成調節(jié)閥前后差壓較大，從而消耗在調節(jié)閥上的能量較大，不利于裝置的節(jié)能。在中海石油化學股份有限公司800kt／a甲醇裝置中通過采用透平轉速來調節(jié)給水量，進而控制液位，減少了調節(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臺差壓變送器測量，1臺FF總線變送器信號（LT2003）引入DCS用于調節(jié)，3臺HART協(xié)議變送器信號（LT2004／2005／2006）引入ESD用于聯(lián)鎖保護。汽包出口飽和蒸汽流量和汽包壓力采用FF總線變送器測量；給水流量采用FF總線渦街流量計。2臺給水調節(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臺高壓給水泵，2臺性能參數(shù)完全一致的Elloet蒸汽透平J541A／B，1臺電泵J541C。正常情況下2臺透平運行，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，操作過程中根據汽包不同的負荷進行選擇。單沖量就是單純的液位調節(jié)，往往在初始上水或負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控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號的前饋－串級反饋控制系統(tǒng)［2］。

傳統(tǒng)的三沖量液位控制系統(tǒng)將給水流量、蒸汽流量等擾動引入到串級控制系統(tǒng)的副環(huán)，因此能夠迅速被副環(huán)克服［3］?？刂苹芈返淖罱K原件執(zhí)行器由調節(jié)閥FV2001A／B來充當。2臺調節(jié)閥的實際動作通過DCS CALCU功能塊實現(xiàn)，對應關系見表1所列。

表1 調節(jié)閥開度與控制器的輸出對應關系

實際運行過程中，在負荷正常的情況下，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%左右進行液位調節(jié)。2臺透平轉速在3 500r／min固定不變，由于透平處于較高轉速，汽包給水壓力也高，F(xiàn)V2001A／B前后差壓較大。同時由于FV2001A流通能力相對較大，微小的閥位變化就會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，液位最大有3%的偏差。

2 轉速控制方案的構成和原理

2.1 轉速調節(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節(jié)的需要，但由于透平（J541A／B）轉速采用手動調節(jié)，轉速固定不變，通過改變調節(jié)閥開度來控制高壓汽包給水量。在實際運行過程中FV2001A處于較小的開度，給水調節(jié)閥前后差壓較大，節(jié)流過程中造成的能量損失大，不利于裝置的經濟運行。同時易對閥芯閥座產生沖蝕破壞，縮短調節(jié)閥使用壽命。但是如果將2臺調節(jié)閥開度處于較大的位置，甚至全開，通過透平轉速來實現(xiàn)給水流量的控制，即可減少透平的蒸汽用量，實現(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)中引入一個轉速調節(jié)器SIC2001，將液位調節(jié)器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號送加法器LY2003B，加法器輸出信號送至轉速調節(jié)器。該方案中主調節(jié)器是液位控制器LIC2003C，副調節(jié)器是轉速調節(jié)器SIC2001，將SIC2001輸出的4～20mA信號送至ITCC控制調速閥調節(jié)透平轉速。FIC2001保持在手動狀態(tài)，輸出鎖定在較大值，以便實現(xiàn)透平轉速調節(jié)汽包液位的目的。該方案實際上是在典型的串級三沖量控制系統(tǒng)基礎上演變而成，主調節(jié)器保證水位無靜態(tài)偏差，其輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用到副調節(jié)器，當蒸汽負荷改變時迅速調節(jié)透平轉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 轉速調節(jié)控制液位原理

2.2 調節(jié)器與功能塊的作用

轉速調節(jié)控制方案在原有單沖量／三沖量方案基礎上，增加一個轉速調節(jié)器SIC2001，原有的控制方案繼續(xù)保留，便于汽包低負荷或設備故障情況下使用。具體的控制系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 改進后液位控制系統(tǒng)

各調節(jié)器與功能塊的作用如下：

a）LIC2003A：用于單沖量液位控制的調節(jié)器，反作用；

b）LIC2003C：用于三沖量液位控制的調節(jié)器，反作用；

c）FIC2001：給水流量調節(jié)器，反作用；

d）SIC2001：轉速調節(jié)器，反作用，根據透平性能參數(shù)控制轉速在3 050～3 749r／min；

e）LY2002：高壓汽包液位壓力補償計算，算法為

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

f）FY2002：高壓汽包出口蒸汽補償計算，由于FI2002所測為飽和蒸汽流量，只需進行壓力補償：

式中：FI2002.PV——汽包出口飽和高壓蒸汽測量值；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、蒸汽流量信號、給水流量信號的代數(shù)和。

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

3 轉速調節(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)定時采用單沖量或三沖量控制。單沖量調節(jié)器和三沖量調節(jié)器在不被選中時給定值和測量值相等，且不被選中調節(jié)器的輸出始終跟蹤被選中調節(jié)器的輸出。這樣當切換控制方式時不必進行平衡操作，實現(xiàn)無擾動切換。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。當鍋爐負荷達到適當且運行穩(wěn)定時可切換到轉速控制，LIC2003C置自動，SIC2001置串級，LIC2003A，F(xiàn)IC2001置手動。為防止2臺給水透平同時調節(jié)時互相干擾，其中1臺用手動控制轉速，使轉速固定，另1臺透平轉速自動根據給水量進行調節(jié)。高壓汽包正常運行時負荷一般在85%左右，上水量大約200t／h。根據給水透平性能參數(shù)將1臺透平轉速固定在3 200r／min，上水量105t／h，約占補水量的一半，另1臺轉速在3 050～3 749r／min對流量進行補充調節(jié)。轉速控制投用后根據運行情況通過FIC2001手動將給水閥FV2001A／B開大，如果液位波動較大，調整需較長時間，直至FIC2001輸出為100%。隨著給水閥的開大，調速透平轉速逐漸下降，蒸汽用量減少。

轉速調節(jié)方案中透平與傳統(tǒng)三沖量控制中調節(jié)閥動態(tài)特性有很大的差別，當液位存在偏差時，F(xiàn)IC2001動作可以快些，便于迅速克服擾動。但如果SIC2001輸出動作過快，造成透平實際轉速跟不上設定值，極易造成系統(tǒng)失調。對于SIC2001參數(shù)的整定和投用，在實際操作中積分時間可長一些，為防止系統(tǒng)主、副調節(jié)器被調量產生共振現(xiàn)象，上一級調節(jié)系統(tǒng)的周期至少為下一級系統(tǒng)周期的2～3倍［5］。

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

圖4 轉速調節(jié)控制液位趨勢

3.2 故障工況

轉速調節(jié)在實際運行中還需考慮故障情況，最大限度地保證裝置穩(wěn)定運行。當其中1臺透平跳車時，電泵會自啟動，汽包給水流量迅速增大。此時轉速調節(jié)方案無法快速克服給水流量的擾動，極易造成高壓汽包液位的大幅波動，因而需快速地由轉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 轉速控制投用效果

轉速控制方案實施后，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。正常負荷情況下，2臺透平轉速由原來的3 500r／min降到了3 200r／min左右，減少了蒸汽用量，2臺透平大約節(jié)省蒸汽2.5t／h。同時透平保持在中速運行狀態(tài)，減少了設備損耗，降低了故障率。

5 結束語

在傳統(tǒng)三沖量液位控制的基礎上，以透平轉速控制給水量，優(yōu)化了裝置的控制方式，提高了控制水平。實際應用證明，通過轉速調節(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。

［1］ 郝曉弘，劉忠，王昕，等.三沖量控制在高壓汽包中的應用［J］.石油化工自動化，2006，42（02）：40－42.

［2］ 魏華，周雁鵬.變PID參數(shù)在高壓汽包液位控制中的應用及推廣［J］.石油化工自動化，2009，45（03）：17－19.

［3］ 何衍慶，俞金壽，蔣慰孫.工業(yè)生產過程控制［M］.北京：化學工業(yè)出版，2004.

［4］ 李曉燕，孫建平，李偉，等.汽包鍋爐給水串級三沖量控制系統(tǒng)［J］.機械工程與自動化，2010（02）：155－157.

［5］ 邊麗秀，周俊霞，趙勁松，等.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［6］ 韓平.汽包液位三沖量液位調節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定實例分析［J］.石油化工自動化，2009，45（03）：80－83.

［7］ 樂嘉謙.儀表工手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2000.

［8］ 劉虹.汽包液位三沖量調節(jié)系統(tǒng)DCS組態(tài)結構改進方案［J］.化工自動化及儀表，2009（05）：105－109.

［9］ 劉玉梅.過程控制技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［10］ 厲玉鳴.化工儀表及自動化［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

［11］ 俞金壽，孫自強.過程控制系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.