閻素玲，祝強(qiáng)

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淺談水泥窯余熱鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)

閻素玲，祝強(qiáng)

摘 要：汽包水位是表征余熱鍋爐運(yùn)行的重要參數(shù)，汽包水位的控制直接影響余熱電站的安全運(yùn)行。本文根據(jù)水泥回轉(zhuǎn)窯余熱發(fā)電的特點(diǎn)，闡述了余熱鍋爐汽包水位控制的任務(wù)及其重要性，分析了影響汽包水位的主要因素，介紹了余熱鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理及其測(cè)量參數(shù)的校正方法。

關(guān)鍵詞：水泥窯余熱發(fā)電；汽包水位；三沖量；信號(hào)校正

1　前言

在水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔?，這些煙氣直接排入大氣，一方面會(huì)造成能源損失，另一方面會(huì)造成環(huán)境溫度升高，污染環(huán)境。利用水泥窯排出的高溫?zé)煔饨ㄔO(shè)余熱電站是提高生產(chǎn)效益、節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

水泥回轉(zhuǎn)窯余熱電站較一般電站具有一定的特殊性，主要表現(xiàn)在水泥窯排放的煙氣量和煙氣溫度不易控制。由于水泥窯的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)方法、原料、燃料條件發(fā)生變化，產(chǎn)生的廢熱煙氣品質(zhì)也隨之波動(dòng)較大，給純低溫余熱鍋爐的余熱利用帶來(lái)了很多困難。另一方面，余熱鍋爐汽包熱容量較小，受水泥回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行情況的制約，在熱源不穩(wěn)定的情況下，導(dǎo)致汽包水位波動(dòng)劇烈。

汽包水位的控制是余熱鍋爐控制系統(tǒng)的重要組成部分，因此在汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要盡量考慮水泥窯余熱鍋爐的特點(diǎn)和發(fā)電系統(tǒng)工藝要求，最大限度地利用煙氣的余熱，穩(wěn)定蒸汽參數(shù)，保證汽輪機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)行。

2　余熱鍋爐汽包水位控制的任務(wù)

在水泥窯余熱鍋爐系統(tǒng)中，汽包是整個(gè)鍋爐系統(tǒng)中的重要部分，是實(shí)現(xiàn)汽水分離的關(guān)鍵裝置。為了鍋爐系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，必須盡量減小汽包水位的測(cè)量誤差，提高汽包水位的控制精度。鍋爐汽包水位的控制對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行尤為重要，因?yàn)槠坏倪^(guò)高或過(guò)低都會(huì)引起蒸汽品質(zhì)變壞或者水循環(huán)惡化，甚至?xí)斐蓢?yán)重事故。水位過(guò)高，會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，蒸汽品質(zhì)下降，嚴(yán)重時(shí)對(duì)汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生危害，直接影響生產(chǎn)安全；水位過(guò)低又會(huì)影響蒸發(fā)器的水循環(huán)，引起蒸發(fā)器局部過(guò)熱而損壞。

鍋爐給水控制的任務(wù)是使鍋爐給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包的水位保持在一定的范圍內(nèi)。

3　水泥窯余熱鍋爐汽包水位動(dòng)態(tài)特性

影響余熱鍋爐汽包水位的主要參數(shù)是給水流量、蒸汽流量和水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣量及溫度變化。其中任一參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，汽包水位都可能出現(xiàn)“虛假水位”的現(xiàn)象，系統(tǒng)具有大滯后、非線性的特點(diǎn)。

3.1給水流量對(duì)汽包水位的影響

給水流量的擾動(dòng)來(lái)自控制調(diào)節(jié)閥，稱為內(nèi)部擾動(dòng)。在給水流量的作用下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1　給水流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線

當(dāng)給水流量階躍ΔW后，水位H的變化如圖1中曲線2所示。如果把汽包和給水看作單容量無(wú)自平衡過(guò)程，水位階躍響應(yīng)曲線應(yīng)為圖中的曲線1。但是由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水溫度，給水吸收了原有飽和水中的熱量，使水面下汽泡容積減小，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積的變化過(guò)程逐漸平衡，水位就反應(yīng)出由于汽包中水量的增加而逐漸上升的趨勢(shì)，最后，當(dāng)水面下汽泡容積不再變化時(shí)，由于進(jìn)、出工質(zhì)流量不平衡，水位將以一定的速度直線上升。曲線3為只考慮給水流量變化時(shí)水面下汽泡容積變化所引起的水位變化，可以認(rèn)為是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。在給水流量擾動(dòng)下實(shí)際的水位變化用曲線2表示，可以認(rèn)為曲線2是曲線1和曲線3合成而來(lái)。

3.2蒸汽流量對(duì)汽包水位的影響

在蒸汽流量的擾動(dòng)下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

當(dāng)蒸汽流量D突然增加時(shí)，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水量，水位應(yīng)該下降（如圖2中曲線H1），而實(shí)際情況并非如此。當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時(shí)，汽水混合物中汽泡容積增大，如果余熱鍋爐進(jìn)口煙氣量穩(wěn)定不變，必然導(dǎo)致汽包壓力不斷下降，飽和溫度降低，促使蒸發(fā)速度加快，汽包內(nèi)的水中汽泡體積迅速增加而使水位變化曲線如圖中H2所示。水位實(shí)際變化曲線H為H1和H2的疊加。從圖2中可以看出，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷增加時(shí)，雖然鍋爐的給水量小于蒸發(fā)量，但在開(kāi)始階段，水位不但未下降，反而迅速上升，然后再下降；當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然減小時(shí)，則水位先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。

圖2　蒸汽流量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線

3.3余熱鍋爐進(jìn)口煙氣對(duì)水位的影響

在回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度T的擾動(dòng)下，汽包水位變化的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3　煙氣擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線

當(dāng)水泥回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度T突然增加時(shí)，鍋爐的吸熱量增加，蒸發(fā)強(qiáng)度增加，此時(shí)給水量未及時(shí)改變，蒸發(fā)量將大于給水量，水位應(yīng)該下降。但是由于汽包汽泡容積的增加，水位先上升，然后才下降，出現(xiàn)“虛假水位”現(xiàn)象。

4　汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)

4.1汽包水位控制方案

汽包水位控制包括單沖量、雙沖量和三沖量控制方案。由于單沖量和雙沖量控制方案比較簡(jiǎn)單，難以適應(yīng)工況復(fù)雜的余熱鍋爐的控制要求，因此目前余熱鍋爐均采用串級(jí)三沖量水位控制方案。

串級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)閉環(huán)：一個(gè)閉環(huán)在內(nèi)部，稱為副調(diào)節(jié)回路，在控制中起粗調(diào)作用；一個(gè)閉環(huán)在外部，稱為主調(diào)節(jié)回路，完成細(xì)調(diào)任務(wù)。系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，他們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的給定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值；副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)送到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制生產(chǎn)過(guò)程。

三沖量汽包給水控制如圖4所示［1］，以鍋爐汽包水位作為主控制信號(hào)，構(gòu)成主調(diào)節(jié)回路，以給水流量作為串級(jí)信號(hào)，構(gòu)成副調(diào)節(jié)回路，以蒸汽流量信號(hào)為前饋信號(hào)，構(gòu)成前饋調(diào)節(jié)回路。主調(diào)節(jié)回路、副調(diào)節(jié)回路和前饋調(diào)節(jié)回路共同構(gòu)成鍋爐汽包水位串級(jí)三沖量自動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主調(diào)節(jié)回路用于校正水位偏差，前饋調(diào)節(jié)回路用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服“虛假水位”現(xiàn)象。

圖4　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)方框圖

汽包水位三沖量給水自動(dòng)控制系統(tǒng)接受汽包水位、蒸汽流量和給水流量三個(gè)信號(hào)。其中，汽包水位是主信號(hào)，任何擾動(dòng)引起的水位變化，都會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)調(diào)節(jié)給水閥門(mén)改變給水流量，使汽包水位恢復(fù)到給定值；蒸汽流量信號(hào)是前饋信號(hào)，其作用是防止由于“虛假水位”而使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，改善蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)質(zhì)量；蒸汽流量和給水流量?jī)蓚€(gè)信號(hào)配合，可消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。當(dāng)給水流量變化時(shí)，測(cè)量孔板前后的差壓變化很快并及時(shí)反應(yīng)給水流量的變化，所以給水流量信號(hào)作為介質(zhì)反饋信號(hào)，使調(diào)節(jié)器在水位還未變化時(shí)就可根據(jù)前饋信號(hào)消除內(nèi)擾，使調(diào)節(jié)過(guò)程穩(wěn)定，起到穩(wěn)定給水流量的作用。

4.2測(cè)量信號(hào)的校正

余熱鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行的過(guò)程中，蒸汽參數(shù)和負(fù)荷在很大范圍內(nèi)變化，這就使水位、給水流量和蒸汽流量的測(cè)量準(zhǔn)確性受到影響。為了實(shí)現(xiàn)給水控制的質(zhì)量，需要對(duì)這些測(cè)量信號(hào)進(jìn)行壓力、溫度變化的自動(dòng)校正。

（1）汽包水位的校正

汽包鍋爐通常利用壓差原理測(cè)量其水位，而鍋爐從啟動(dòng)、停止到正常負(fù)荷的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，汽包內(nèi)飽和蒸汽和飽和水密度隨壓力變化，這樣就不能直接用壓差信號(hào)來(lái)代表水位，因此必須對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行壓力修正。同時(shí)，汽包水位的測(cè)量值至少要有3個(gè)，因此還需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行3取2的運(yùn)算處理。

差壓原理測(cè)量的取壓裝置-平衡容器有單室平衡容器、雙室平衡容器和蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器三種［2］。單室平衡容器測(cè)量原理簡(jiǎn)單，如圖5所示，因汽包內(nèi)的飽和水、蒸汽與平衡容器內(nèi)凝結(jié)水溫度不同、密度不同，從而造成較大的測(cè)量誤差。

圖5　單室平衡容器差壓水位計(jì)

雙室平衡容器是差壓式測(cè)量中非常普遍的一種裝置，如圖6所示，差壓ΔP與水位H的關(guān)系為［1］：

圖6　雙室平衡容器差壓水位計(jì)

式中：

ΔP——汽包水位的差壓，Pa

H0——汽包正常水位，mm

H——汽包實(shí)際水位，mm

ΔH——汽包實(shí)際水位與正常水位的差值，mm

L——汽包水位最大測(cè)量范圍，mm

ρ′——汽包飽和蒸汽密度，kg/m3

圖7　蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器差壓水位計(jì)

ρ″——汽包飽和水密度，kg/m3

ρW1——平衡容器內(nèi)水密度，kg/m3

由式（2）看出水位變化ΔH與差壓ΔP不成線性關(guān)系，ρ′和ρ″與汽包壓力有關(guān)，ρW1與溫度有關(guān)。所以，汽、水密度的易變性是雙室平衡容器水位測(cè)量的重要誤差來(lái)源，即使ΔH為0，不同汽包壓力下ΔH并不一定為0，存在零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。

為了提高測(cè)量精度消除零點(diǎn)漂移的現(xiàn)象，可以采用蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器。如圖7所示，其做法就是用蒸汽罩對(duì)正壓側(cè)水槽加熱，使槽內(nèi)水在任何情況下與汽包壓力下飽和水密度相同，式（2）可以變?yōu)?/p>

式中：

其中，ρa(bǔ)為環(huán)境溫度下平衡容器內(nèi)水密度，變化不大，可視為常值，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)L和l，便可以使ΔP在ΔH=0條件不隨壓力變化而變化，消除零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。即：

式（4）表明，蒸汽罩補(bǔ)償式平衡容器輸出的壓差ΔP與汽包內(nèi)汽、水的密度有關(guān)，也就是受汽包壓力的影響。為了消除汽包壓力對(duì)水位測(cè)量的影響，需要同時(shí)采集汽包水位和壓力信號(hào)，并建立汽包壓力與汽包內(nèi)汽、水的密度的數(shù)學(xué)模型，然后通過(guò)式（4）進(jìn)行校正計(jì)算，便可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)校正。

（2）蒸汽流量的校正

過(guò)熱蒸汽流量的測(cè)量通常采用標(biāo)準(zhǔn)噴嘴，它在設(shè)計(jì)參數(shù)下的測(cè)量精度較高，但當(dāng)被測(cè)蒸汽的壓力、溫度偏離設(shè)計(jì)值時(shí)，工質(zhì)的密度變化會(huì)造成流量測(cè)量誤差，所以需要進(jìn)行壓力、溫度校正。蒸汽流量D的校正公式如式（5）［3］。

式中：

D——過(guò)熱蒸汽流量，kg/h

p——過(guò)熱蒸汽壓力，MPa

t——過(guò)熱蒸汽溫度，℃

Δp——節(jié)流裝置壓差，MPa

ρ——過(guò)熱蒸汽密度，kg/m3

K——流量系數(shù)

式（5）表明，過(guò)熱蒸汽流量D與過(guò)熱蒸汽的壓力p和溫度t有關(guān)。為了消除蒸汽壓力、溫度對(duì)流量測(cè)量的影響，需要同時(shí)采集蒸汽流量（節(jié)流裝置壓差）、壓力和溫度信號(hào)，然后通過(guò)式（5）進(jìn)行校正計(jì)算，便可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的自動(dòng)校正。

（3）給水流量的校正

由于水的物理性質(zhì)的復(fù)雜性，給水密度除了與給水溫度有關(guān)外，還與給水壓力存在一定的關(guān)系。在壓力、溫度對(duì)水密度的影響中，溫度的作用是主要的。

對(duì)于水泥窯純低溫余熱電站的給水介質(zhì)主要運(yùn)行參數(shù)如溫度、壓力只能在某一特定范圍內(nèi)變化，給水壓力變化范圍1.35～3MPa，給水溫度變化范圍100～200℃。計(jì)算結(jié)果表明［3］，當(dāng)給水溫度為100℃、壓力在0.196～19.6MPa范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差為0.47%；壓力19.6MPa不變、給水溫度在100～290℃范圍內(nèi)變化時(shí)，給水流量的測(cè)量誤差為13%。這就說(shuō)明給水流量的測(cè)量只需采取溫度校正。當(dāng)然，若給水溫度變化也不大的情況下，則可不必對(duì)給水流量進(jìn)行校正。

5　結(jié)語(yǔ)

汽包水位串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)在抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量方面有較好的性能。為了更好地對(duì)汽包水位進(jìn)行控制，應(yīng)采用串級(jí)三沖量水位控制方案，這樣可有效地將汽包水位控制在一定范圍內(nèi)，有利于提高蒸汽品質(zhì)，保證鍋爐安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TQ172.622.22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6171（2016）01-0048-04

通訊地址：中材節(jié)能股份有限公司，天津 300400；

收稿日期：2015-05-24； 編輯：呂 光

Discuss of Three Impulses Control System for CementKiln Waste Heat Boiler DrumLevel

YAN Suling，ZHU Qiang
（Sinoma Energy Conservation Ltd.）

Abstract：Drum level is an important parameter to characterize the waste heatboiler operation，control ofwhich directly affects the safe operation of thewaste heatpower station.According to characteristics of the cement kiln waste heat power generation，the task and importance of the boiler drum level control system was presented in this paper.Then，main factors affecting the drum levelwere analyzed.The structure，working principle and cor?rectionmethods ofmeasuring parameters of the three impulses control system for thewaste heatboiler drum lev?elhavebeen investigated.

Keywords：cementkiln wasteheatpowergeneration；drum level；three impulses；signalcorrection