紙機汽水分離器液位的測量、控制與聯鎖

·紙機汽水分離器·

紙機汽水分離器液位的測量、控制與聯鎖

鐘益聯

(中國中輕國際工程有限公司,北京,100026)

摘要：介紹了紙機蒸汽冷凝水系統汽水分離器液位的測量、控制和聯鎖。較為詳盡地解析了汽水分離器液位的分程控制及其調節閥特性選擇,介紹了汽水分離器液位與冷凝水泵的聯鎖。

關鍵詞：測量；液位控制；分程控制；聯鎖

作者簡介：鐘益聯先生，教授級高級工程師；主要從事制漿造紙及堿回收、自備熱電站、廢水處理工程的過程控制及儀表的咨詢、設計工作。

中圖分類號：TS734`+.8

文獻標識碼：A

文章編號：0254- 508X(2015)06- 0064- 04

收稿日期：2015- 02- 06(修改稿)

Abstract：The measurement, control and interlock of steam separator liquid level of paper machine steam and condensate system were introduced in this article. The separator level’s split control and selection of control valve characteristic, the interlocking between separator level and condensate pump were detailed introduced.

Measurement, Control and Interlock for Paper Machine Steam Separator Liquid Level

ZHONG Yi-lian

(ChinaBCELInternationalEngineeringCo.,Ltd.,Beijing, 100026)

(*E-mail: zhongyl@bcel-cn.com)

Key words：measuring； level control； split control； interlocking

在造紙過程中,紙機蒸汽冷凝水系統及其控制對紙張質量與節能增效至關重要,而汽水分離器的液位測量、控制與聯鎖則是紙機蒸汽冷凝水系統控制的重要組成部分之一。汽水分離器的液位測量、控制與聯鎖不僅影響其汽水分離效果而且也會影響紙機蒸汽冷凝水系統的正常操作與運行。

1汽水分離過程簡述及其控制意義

紙張干燥的熱能(或稱為潛熱)來自于蒸汽在紙機烘缸內的冷凝。眾所周知,蒸汽總是在飽和溫度下冷凝,同理,過熱的冷凝水也會閃蒸出蒸汽。一般而言,從紙機烘缸內排出的是蒸汽和冷凝水的混合物。當紙機正常運行時,該混合物中的蒸汽是很少的,但也不排除非正常情況下有大量蒸汽排出的情況。當蒸汽和冷凝水的混合物排至汽水分離器時,由于冷凝水泵的抽吸作用,汽水分離器內的壓力較低,此時混合物中的冷凝水因過熱會從汽水分離器上部閃蒸分離出蒸汽。另一方面,混合物中原有的蒸汽,也要通過汽水分離器進行分離。即從汽水分離器上部分離出來的蒸汽,既包含冷凝水閃蒸出來的蒸汽，也包含汽水混合物中原有的蒸汽。概言之,從汽水分離器分離出來的蒸汽準確地應稱之為濕蒸汽(英文常稱之為vapor而不稱之為steam,與烘缸前稍過熱的新鮮蒸汽以示有區別)。一般情況下,這些濕蒸汽常回用到下一烘缸區或其他低壓烘缸區。工程上也常稱這些濕蒸汽為二次蒸汽。為利于上述汽水閃蒸與分離過程,汽水分離器的液位測量、控制與聯鎖顯得尤為重要。汽水分離器的液位過高或過低不僅影響汽水分離效果而且不利于烘缸冷凝水的排出,同時必然也會牽連紙機烘缸組壓力、差壓控制,從而影響整個蒸汽冷凝水系統而導致紙機不能正常操作與運行。所以說,汽水分離器的液位測量、控制與聯鎖也是紙機蒸汽冷凝水控制系統的一個重要部分,影響紙機干燥部兩個最為重要的運行性能指標是蒸發速率和蒸汽耗用量[1]。

圖2　紙機汽水分離器液位控制系統圖

2液位測量

2.1磁浮子液位計

磁浮子液位計是通過檢測浮子位置的變化來進行液位測量的。其中原理之一是浮子位置的變化轉換成4～20mA標準信號輸出,然后輸入至控制系統。

磁浮子液位計結構簡單、價格較低、可靠性高,帶磁翻板讀數直觀,適合于各種儲罐或冷凝水罐的液位測量。磁浮子液位計的缺點是：①存在摩擦,從而引入測量誤差或容易造成故障；②測量筒內可能由于紙機蒸汽冷凝水系統運行不正常，導致壓力有時喘動致使儀表測量值頻繁波動,從而對控制產生不良影響；③由于測量筒內可能有異物致使儀表測量筒內浮子卡住而造成一次儀表不能正常運行。

2.2差壓式液位計

密閉容器內液位的測量通常采用差壓式液位計。由于測量差壓的儀表通用性強、結構簡單、安裝方便、可靠性高,因而差壓式液位計廣泛用于制漿造紙領域和其他化工領域。

密閉容器內差壓式液位計測量原理如圖1所示。

圖1中是受壓容器液位測量,其變送器必須進行100%負遷移整定。計算公式為：

ΔP=H·ρ1(kPa)

采空區充填后形成含水介質為中粗砂的含水層，圍巖具有隔水作用。地下水的主要補給來源為大氣降水，滲入地下部分沿基巖構造裂隙發育方向，匯集到中粗砂中，其排泄方式主要為人工開采。經估算，采空區蓄置的含水層，調節資源量約為1.3萬m3，單井涌水量大于1000m3/d，成為花崗巖基巖裂隙水貧水區中的富水地段。

C=H0·ρ1-h·ρ2(kPa)

因此，得出儀表整定范圍為：

C～C+ΔP(kPa)

式中，ΔP為高度H的液柱產生的差壓,即量程；H為測量液柱高度；h為冷凝或隔離液柱高度；H0為儀表安裝線與測量基準線間距,即零點遷移值；(當基準線在安裝線之上時H0為正,反之為負)；ρ1為被測介質密度；ρ2為冷凝或隔離介質密度；C為遷移量。

當H、H0、h單位為mm,ρ1、ρ2單位為kg/m3時,計算出C值單位為Pa。工程上常用kPa,故計算出的C值常要轉換成kPa。圖1中a為密閉容器底部到儀表安裝線的距離。

圖1　差壓式液位計測量原理圖

3液位分程控制

一般來說,一臺控制器的輸出僅操縱一個閥門。若一臺控制器操縱幾個閥門,并且是按輸出信號的不同區間操縱不同的閥門,這種控制方式被稱之為分程控制(split range control)[2]。按照文獻[2]的分類,分程控制系統屬于復雜控制系統中的特殊控制系統。

理論上,分程控制方案主要是解決調節器與閥門定位器以及調節閥的配合問題。一個分程控制方案的設計過程,首先要從工藝生產安全的角度出發確定調節閥的氣開、氣關形式,然后根據控制邏輯和調節器的正反作用確定各調節閥工作區段和相應開度的曲線,最后結合調節閥為氣開、氣關來確定各個調節閥閥門定位器的正反作用、零位和量程[3]。

圖2所示為紙機汽水分離器液位控制系統圖。圖3所示為紙機汽水分離器分程控制系統中調節閥開度與調節器輸出之間的關系。結合圖2和圖3來簡要說明紙機汽水分離器液位分程控制原理。

圖4　汽水分離器液位自動聯鎖方框圖(2臺泵)

圖5　汽水分離器液位自動聯鎖方框圖(1臺泵)

從圖2可以看到,紙機汽水分離器液位控制回路LC設置兩個調節閥LV1和LV2,其中LV1為送液閥,LV2為回流閥。從圖3可以看到，紙機汽水分離器分程控制系統中調節閥開度與調節器輸出之間的關系。根據工藝控制要求和汽水分離器液位波動特性,結合圖3對液位控制過程進行解析：當液位高于設定點時,閥門LV2關閉,閥門LV1打開,直至液位達到設定點為止；當液位低于設定點時,此時,LV2打開有回流,LV1開度較小,保持較少的送液量。當LC控制器輸出0～50%時,閥門LV2開度由100%~0朝關向動作；當LC控制器輸出50%～100%時,強行使閥門LV2處于關閉狀態。當LC控制器輸出0~100%時,閥門LV1開度由0~100%朝開向動作。

依據上述液位控制過程的解析,就可以方便確定調節閥的氣開、氣關形式,調節器的正反作用以及定位器的的技術參數(蒸汽冷凝水系統調節閥選擇參見文獻[4])。在此應指出,由于現在大多采用智能型電氣閥門定位器,LV1和LV2的定位器的正反作用、零位和量程調整極為方便,故此無需加以討論(對于非智能型定位器可參考文獻[3]第二篇第三章第四節分程控制系統)。事實上,為方便電氣閥門定位器的現場調校,現在大多采用在控制系統內分程而不在定位器上設置分程,因而LV1、 LV2輸入仍然為4～20mA 信號[4]。

4液位自動聯鎖

圖4所示是汽水分離器液位自動聯鎖方框圖(2臺泵)。從圖4可以看到,當汽水分離器液位處于中間位置(通常設定點是測量范圍的50%)時,此時冷凝水泵P1處于正常運轉及操作狀態。如果液位下降至20%,冷凝水泵P1停止運行。如果液位繼續下降至10%,此時要觸發液位低報警。當液位上升至45%時,冷凝水泵P1啟動運行。如果液位繼續上升至80%時,冷凝水泵P2要啟動。如果液位繼續上升至95%時,此時要觸發液位高報警。當兩臺冷凝水泵運行后,如果液位下降低于60%時,則要停止冷凝水泵P2運行。

圖3　紙機汽水分離器分程控制系統中 調節閥開度與調節器輸出之間的關系

工程設計項目中常遇到只有1臺冷凝水泵的情況,其自動聯鎖方式可參考圖5所示的汽水分離器液位自動聯鎖方框圖(1臺泵)。

根據圖4和圖5液位聯鎖方框圖給出的運行數據,操作人員可以根據需要進行適當的調整。

5結語

從自動控制角度,上述汽水分離器液位的分程控制和液位聯鎖可以說是典型應用之一,其技術原理和控制操作基本適合大多數紙機蒸汽冷凝水系統的使用情況。上述控制方案在多臺現代大型高速新聞紙機上已長期穩定運行并得到成功應用的驗證。

在此應該指出,由于用戶所要生產的紙種不同,紙機裝備、車速、幅寬等也會不同,蒸汽冷凝水系統的設備配置也會有所不同,但是,參考上述汽水分離器液位的分程控制和液位聯鎖的設計方法,結合自己紙機工程項目的特點,改進紙機汽水分離器液位的控制方法和液位聯鎖,保證紙機蒸汽冷凝水系統安全可靠地運行,對紙機的安全操作及節能運行有著極其重要的意義。

參考文獻

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王樹青， 樂嘉謙. 自動化與儀表工程師手冊[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.

[3]Deming LU. A handbook of Auto&control design for petrochemical engineering [M]. Rev.2. Beijing: Chemical Industry Press, 1988.

陸德民. 石油化工自動控制設計手冊[M]. 2版. 北京: 化學工業出版社, 1988.

[4]ZHONG Yi-lian, Measurement and Control Methods of The Steam Condensate System of Paper machine[J].China Pulp & Paper, 2013, 32(3) :42.

(責任編輯：馬忻)