余熱鍋爐汽包液位三沖量控制在危險廢物焚燒系統中的應用

王　巒，孟繁增，趙　杰，王連超

（1.天津濱海合佳威立雅環境服務有限公司，天津300280；2.國環危險廢物處置工程技術（天津）有限公司，天津300280）

余熱鍋爐汽包液位三沖量控制在危險廢物焚燒系統中的應用

王巒1，孟繁增2，趙杰2，王連超2

（1.天津濱海合佳威立雅環境服務有限公司，天津300280；2.國環危險廢物處置工程技術（天津）有限公司，天津300280）

從三沖量的理論公式入手，給出了三沖量的具體算法，并在實踐中進行了驗證，解決了危險廢物焚燒由于廢物熱值不穩定造成余熱鍋爐汽包蒸汽產量不穩定的問題，使汽包水位的控制精度達到了±5 mm之內，證明了算法的可靠性。

汽包液位；三沖量；算法；精度控制；產汽穩定性

目前用于處理危險廢物焚燒處置的主工藝流程包括廢物焚燒、余熱回收利用、尾氣處理3大部分內容。根據《危險廢物集中焚燒處置工程建設技術規范》中對危險廢物焚燒工藝的要求，焚燒后產生的煙氣進入余熱回收裝置，而余熱鍋爐是危險廢物焚燒處置設施中最常用的余熱回收裝置。在實際設計中根據生產工藝的需要，余熱鍋爐可以設計為產生飽和蒸汽的飽和蒸汽鍋爐和產生過熱蒸汽的過熱蒸汽鍋爐。在余熱鍋爐的控制中，鍋爐汽包液位的控制是評價鍋爐控制系統控制效果的一個重要指標，穩定的汽包液位控制可以提高產出蒸汽的穩定性和品質。

1　汽包液位的調節方式

對于一般的鍋爐裝置而言，穩定的汽包液位控制則要求鍋爐運行中的燃燒穩定和負荷穩定。穩定的燃燒就是要穩定的控制燃料的進料量，穩定的負荷則要求蒸汽使用部門在使用中通過規范的操作控制蒸汽的使用變化速率，對蒸汽的使用變化要平穩不要出現過大的波動。對于穩定的負荷而言，一般鍋爐裝置和危險廢物焚燒裝置余熱鍋爐所面臨的問題是一樣的，對于一定能力的鍋爐只能通過標準的操作規程對蒸汽使用部門進行要求和培訓。對于燃燒穩定而言，由于危險廢物裝置的余熱鍋爐與一般鍋爐裝置具有較大的區別，一般鍋爐裝置采用的是熱值比較穩定的燃料，而危險廢物焚燒裝置的燃料是各種各樣的危險廢物，熱值不穩定，因此在處置過程中要根據爐膛內的燃燒情況調整風量、廢物停留時間等參數，這就造成了危險廢物余熱鍋爐蒸汽產量的不穩定性。如何通過適當的鍋爐汽包液位控制方式，最大限度地使危險廢物余熱鍋爐蒸汽產量穩定是需要解決的問題。鍋爐汽包液位的控制一般分為單沖量和三沖量2種方式。

單沖量控制就是以汽包液位實際測量值作為實際液位，將汽包液位期望控制值作為給定值，鍋爐給水調節閥作為執行機構。在控制過程中以鍋爐汽包液位實際值和給定值之間的差值作為測量偏差，通過PID控制算法計算出鍋爐給水調節閥的開度，并進行控制，從而到達控制汽包液位的目的。單沖量控制的特點是控制程序編制簡單，但對于負荷變化較大的場合容易造成汽包液位的不穩定，調節精度也不高。其控制程序和流程見圖1～2。

圖1　單沖量控制程序

圖2　單沖量流程

三沖量控制就是通過蒸發量、汽包需求、爐需求水量之間的水平衡關系作為控制的基本原理，即鍋爐需求水量等于蒸發量與汽包需求水量之和，即Q鍋爐需求水量=Q蒸發量+Q汽包需求水量。

其控制程序和流程見圖3～4。

圖3　三沖量控制程序

圖4　三沖量流程

通過程序可以看出三沖量的控制實際上是一個雙閉環的控制系統，外環通過汽包液位的測量值作為實際液位值，期望液位值作為給定值計算出汽包需求水量，汽包的需求水量與實際測量的蒸發量計算得出鍋爐需求水量，計算出的鍋爐需求水量作為內環的給定值與通過流量計測得的鍋爐實際給水流量值之間的差值作為測量偏差，通過PID控制算法計算出鍋爐給水調節閥的開度，并進行控制，從而達到通過內環控制給水流量，使外環的汽包液位穩定的目的。

2　三沖量控制的實現

實現三沖量的關鍵是通過測量儀表在軟件中計算出蒸發量、汽包需求水量，再通過水平衡關系式計算出鍋爐需求水量。

2.1鍋爐蒸發量Q蒸發量的計算

在工程設計中鍋爐的蒸汽流量通過渦街流量計進行測量，渦街流量計測量的值為蒸汽的體積流量，體積流量需要通過溫度和壓力的補償換算為質量流量，所換算的質量流量即為鍋爐的蒸發量Q蒸發量。

質量流量和體積流量的換算公式為：

式中：ρ為蒸汽密度（kg/m3）。

2.1.1對于飽和蒸汽

式中：ρ為飽和蒸汽密度（kg/m3）；P為工況下表壓力（MPa）。

該式的適用范圍為P≤2.5 MPa。

2.1.2對于過熱蒸汽

式中：ρ為過熱蒸汽密度（kg/m3）；P為工況下表壓力（MPa）；t為工況下溫度（℃）。

該式的適用范圍為P=0.1～2.5MPa；t=120～600℃。

2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的計算

汽包需求水量就是要計算出汽包內現有液位下液體的質量與汽包期望液位下液體的質量之間的差值，在工程設計中汽包的液位可以通過液位變送器進行測量，因此汽包體積的計算要根據測量的液位計算得出，需要建立汽包液位和汽包體積的函數關系式。汽包是由圓柱形的直筒段體和標準封頭組成，汽包體積的計算就是要分別計算出圓柱形的直筒段V1和封頭V2的體積，見圖5。

圖5　汽包結構示意

2.2.1汽包液位和體積之間的函數關系式

2.2.1.1圓柱形直筒段體積V1的計算

圓柱體體積V1（見圖6）的計算根據高等數學中平行截面積已知立體的體積計算方法進行計算。

圖6　汽包圓柱形直筒段結構示意

1）截面積S的計算。

2）圓柱體體積V1的計算。

經整理后：

2.2.1.2橢圓封頭體積V2的計算

根據JB/T 4746—2002鋼制壓力容器用封頭標準中橢圓形封頭分為直邊和橢圓部分，直邊部分的體積計算可以按照圓柱體的體積計算公式計算，橢圓部分（見圖7）體積的計算根據高等數學中平行截面積已知的立體的體積計算方法進行計算。

圖7　汽包橢圓封頭結構示意

1）截面積的計算。

根據幾何關系得出：

根據橢圓的面積公式：

2）橢圓封頭體積的計算。

經整理后：

2.2.1.3汽包體積的計算

2.2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的計算

在汽包液位的控制中一般以汽包±0 mm的液位作為汽包期望控制的液位，因此汽包需求水量的公式為：

式中：ρ為汽包內水的密度（kg/m。

2.3鍋爐需求水量Q鍋爐需求水量的計算

根據Q鍋爐需求水量=Q蒸發量+Q汽包需求水量計算出鍋爐需求水量作為三沖量內環調節的給定值。

3　三沖量的投入效果

根據三沖量的算法編制了汽包液位控制程序，在控制汽包給定液位在20 mm的情況下通過單沖量-三沖量控制曲線的記錄可以分析其控制效果。在曲線中黑色線為汽包液位（圖8顯示量程-50～50 mm），棕色線為換算后的蒸汽流量（圖8顯示量程0～20 t/），藍色線為換算前的蒸汽體積流量（圖8顯示量程0～20 000 m3/h），在10∶00前汽包液位控制為單沖量，在單沖量運行中汽包液位的控制范圍為5～30 mm，蒸汽流量為7～15t/h，控制曲線處于在一定的范圍內振蕩穩定的情況，在10∶00后汽包液位控制改為三沖量，在10∶00—12∶00作為控制的調整期，汽包液位和蒸汽流量的波動范圍逐步趨于穩定，在12∶00之后汽包液位的控制范圍為（20±5）mm，蒸汽流量穩定在7 t/h左右，在14∶00

系統出現擾動時，通過曲線可以看出系統在10 min左右就能夠調整穩定。因此三沖量的控制效果明顯地高于單沖量的控制效果。

圖8　單沖量-三沖量控制曲線

4　結束語

通過三沖量控制算法的應用解決了危險廢物焚燒處置設施由于廢物熱值不穩定造成余熱鍋爐產汽不穩定的問題，提高產汽的穩定性，下一步在現有算法的基礎上還需要進一步完善程序，提高控制的響應速度。

Application of Three Impulse Control for Liquid Level of the Steam Drum of Waste Heat Boiler in Hazardous Waste Incineration System

Wang Luan1，Meng Fanzeng2，Zhao Jie2，Wang Lianchao2
（1.Tianjin Hejia Veolia Environmental Service Co.Ltd.，Tianjin300280；2.State Environmental Protection Engineering Center（Tianjin）for Hazardous Waste Disposal，Tianjin300280）

Starting with the theoretical formula of three impulse，we put forward the specific algorithm of three impulse and verified it in practice.The problems of unsteady steam output from steam drum of waste heat boiler，which resulted from unsteady heat value of hazardous waste were solved.The control precision of water level of steam drum was within 5 mm.The reliability ofthe algorithm wasproved.

liquid level ofthe steam drum；three impulse；algorithm；precision control；stability ofsteam production

X705

B

1005-8206（2016）05-0019-04

2016-07-11

王巒（1976—），工程師，主要從事項目管理、項目運營和生產。