鍋爐汽包三沖量DCS控制系統的設計

徐雅蘭

(四川七化建化工工程有限公司, 成都 610100)

某公司2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置，整個裝置工藝生產過程有易燃、易爆、有毒及連續化生產等特點。原料氣儲存、增壓、凈化處理及甲烷化等工藝過程控制采用集散型控制系統(Distributed Control System)，將所有重要的工藝參數引至控制室DCS內進行監視、控制。調節系統繁多，有簡單的PID控制，也有較為復雜的分程控制、串級控制，還有復雜回路三沖量控制。其中甲烷化工序的鍋爐汽包是本裝置的重要設備之一，汽包液位是鍋爐運行中的一個重要監控參數，對其實時準確地控制能確保甲烷化工序的穩定、安全運行。筆者主要介紹鍋爐汽包三沖量DCS控制系統的設計。

由于引起汽包水位變化的因素非常多，如鍋爐負荷、燃燒工況、給水壓力以及汽包特有的虛假液位等現象，簡單的回路控制難以滿足其對控制的要求，引用三沖量串級調節勢在必行。因此在2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置中，為了準確安全地對汽包進行控制，采用了三沖量串級控制，與和利時DCS軟件的優勢結合，使組態和控制達到要求[1]。

汽包三沖量控制系統工藝儀表流程如圖1所示。

圖1 工藝儀表流程

三沖量給水控制方案是一個多變量串級控制系統，一般三沖量控制是針對汽包進行調節的，三沖量就是3個測量參數(汽包液位、給水流量和蒸汽流量)。其中以汽包液位作為主控信號，蒸汽流量信號作為前饋信號，給水流量信號作為反饋信號，構成一個前饋-反饋負荷控制系統。

從物質平衡的觀點出發，只要給水流量和蒸汽流量的比值保持不變，就等于保證了汽包液位穩定不變。因為蒸汽流量是引起液位變化的一個因素，是重要的干擾因素，當蒸汽流量發生變化時，采用比值控制系統使得給水流量跟蹤蒸汽流量作相應變化，保證汽包液位穩定，這就是一個典型的前饋控制系統。而從反饋控制的思想出發，將汽包液位信號作為被調量，對給水流量進行調節，構成單回路反饋控制系統。三沖量控制系統將前饋和反饋系統結合起來，極大地提高了液位控制效果。當蒸汽流量突然增大時，按比值控制要求給水流量加大，然而形成的水泡現象使得汽包出現了假液位暫時升高，又要求系統調節器減少給水量。實際的給水量取決于系統的參數設定，得到合理的平衡，這樣就能很快削弱虛假液位，使蒸汽流量和汽包液位能正確地進行調節。三沖量給水控制方案如圖2所示。

圖2 三沖量給水控制方案框圖

2 汽包液位測量方法

汽包液位的準確測量是確保汽包安全工作的重要條件之一。鍋爐汽包屬于壓力容器，其內部壓力比較大，而液位允許的波動范圍比較小，這就決定了汽包液位測量的重要性和復雜性。根據工藝儀表流程圖可以看出設計已將液位低低作為了緊急停爐的一個主要條件，為此，對于汽包液位的測量一般同時采用多種方法來確保結果的準確性[2]。

2.1 平衡容器與差壓變送器配套測量

根據液體靜力學原理，通過測量變動液位和恒定液位之間的靜壓差，將差壓信號通過差壓變送器線性轉換為4～20mA直流電信號值進入DCS系統供顯示、控制之用。由于汽包液位與汽包壓力密切相關，現普遍采用具有汽包壓力補償作用的平衡容器和差壓變送器配套測量，原理如圖3所示。

圖3 差壓法測量汽包液位原理圖

2.2 內置電極傳感器測量

汽包液位內置電極傳感器是根據多年實踐經驗研制的一種新型測量高溫高壓容器內水位的裝置，已經獲得了國家發明專利。該液位測量裝置首次將超純陶瓷電極傳感器置于汽包內，利用汽、水導電度的差異來判斷水位變化情況，再利用鎧裝導線和機械密封以及補救泄漏的措施解決了其密封、絕緣問題，實現了直接測量汽包液位的目的。該液位計成為汽包液位測量的基準表和實驗儀表，不僅精確度高，而且安全可靠。

2.3 玻璃管液位測量

玻璃管液位計一般就是就地指示儀表，結構簡單，價格低廉。它是將汽包液位和玻璃管液位計連通，通過觀察玻璃管液位得知汽包液位。

3 蒸汽流量和給水流量的測量

蒸汽流量和給水流量一般都采用差壓法進行測量，使用標準節流裝置，然后對流量進行溫度或壓力補償，從而得到準確的流量數據。再通過差壓變送器線性轉換為4～20mA直流電信號值進入DCS系統供顯示和控制之用。

4 DCS系統設計

2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置采用和利時的DCS控制系統，主要由工程師站、操作站和控制站組成。在DCS組態過程中，主要包括I/O卡的配置、方案控制圖、流程圖顯示及趨勢圖等。首先根據現場變送器的信號類型來選擇匹配的I/O卡，將現場信號引入DCS系統中,然后根據功能塊編制控制方案。

汽包液位采用3個液位計LT02131A/ LT02131B/ LT02131C，通過三選二，再平均的液位作為控制輸入信號，然后進入主調節器LC02131。蒸汽流量經過溫壓補償運算后送入主調節器LC02131，形成前饋控制。主調節器的輸出作為副調節器FC02302的設定值，構成串級控制系統，輸出控制給水調節閥FV02132。

5 結束語

先進的DCS控制讓很多復雜的控制系統得以在實際項目中實現。鍋爐汽包三沖量DCS控制系統的設計方法經過實際生產的檢驗，效果良好，充分證明了它的可靠性。

[1] 李忠虎.鍋爐汽包液位測量技術綜述[J].工業計量，2003,13(6)：41～42.

[2] 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(2)：40～41,48.