淺析裂解爐汽包液位的測量及控制

劉洪喜,程林旺

(1.天津濱海環保產業發展有限公司,天津 300457; 2.天津聯維乙烯工程有限公司,天津 300070)

淺析裂解爐汽包液位的測量及控制

劉洪喜1,程林旺2

(1.天津濱海環保產業發展有限公司,天津 300457; 2.天津聯維乙烯工程有限公司,天津 300070)

介紹了影響裂解爐汽包液位的三個主要因素及“虛假液位”的產生原因。介紹了汽包液位三沖量控制方案的優點和特點。將減溫水流量從蒸汽流量中減去,提高了控制準確性。針對液位測量,提出了采用雙室平衡容器的特點和使用情況。最后,對本工程三沖量控制方案在DCS中的實現進行了描述,重點敘述了程序語言的靈活運用以及前饋控制中一階環節的使用和控制情況。

汽包;虛假液位;雙室平衡容器;三沖量;前饋

0 引 言

天津石化公司1 Mt/a乙烯裝置有11臺裂解爐,每臺裂解爐都設有高壓蒸汽包,以回收裂解爐的剩余熱量,產生的超高壓蒸汽至蒸汽管網供汽輪機組等用戶使用。鍋爐給水進入裂解爐爐膛加熱再通過廢熱鍋爐 TL E進入高壓蒸汽包,最終產生超高壓過熱蒸汽。對于汽包來講,液位過低時會破壞裂解爐熱量平衡,損壞設備甚至產生爆炸事故;液位過高時容易使管網帶水,直至危害到汽輪機的安全,損失巨大。無論是缺水還是滿水事故都會給生產甚至人身安全帶來巨大危害,所以汽包液位的正確測量及可靠控制非常重要。

1 影響汽包液位的因素

1.1 出汽包的蒸汽流量對液位的影響

當蒸汽用戶的用汽量突然增加,出汽包的蒸汽量qm1大于給水量,汽包液位看起來應該直線下降。但實際液位在 qm1增加后,并沒有立刻下降,而是先上升再下降。這是因為汽包壓力快速降低,對應的飽和水溫度降低,于是汽包水平面以下的水容積中的一部分水會汽化而生成氣泡,造成汽包水位抬高。反之,當 qm1快速減少時,汽包壓力增加,由于對應的飽和水溫度升高[1],使汽包水平面以下水容積中的一部分氣泡變成水,氣泡含量減少,會造成液位先行降低之后再升高[1]。汽包液位以上的這些特殊變化現象,稱為“虛假液位”。

當qm1發生變化時,由于液面下氣泡變化引起的“虛假液位”變化是很快的,變化幅度與蒸發量擾動大小成正比,也與壓力變化速度成正比,所以在考慮液位的測量和控制時,應重點考慮對“虛假液位”的糾正。

1.2 鍋爐給水流量的干擾對水位的影響

當給水流量突然增加時,雖然給水量大于出汽包的蒸汽量,但汽包液位一開始并不立即增加,這是因為鍋爐給水溫度較低,進入汽包的水循環系統后,要從原有的飽和水及蒸汽中吸取一部分熱量,這就使得汽包水面下氣泡容積有所減少,所以這時雖然水量增加,但液位基本不變。最后,當水面下氣泡容積不再變化時,液位變化就完全反應了由于儲水量的增加而直線上升的變化[1]。

從上述分析得出,給水量擾動時,液位的變化有一定的慣性和純滯后。雖然當鍋爐給水量改變后不會立即影響液位,但此時由于給水量的變化是客觀存在的,所以最終影響液位是必然的。

1.3 換熱量的擾動

當裂解爐出口裂解氣溫度發生變化,如突然增加時,經由TL E傳給汽包水的熱量也增多,使液面下的氣泡膨脹,此時,盡管鍋爐給水量不變,但是液位也會上升。當熱量和水量重新達到平衡時,液位才會慢慢回降。當然,這種由于熱量變化引起的虛假液位浮動比較小,而且裂解氣出口溫度(COT)的控制已有一套專門的復雜控制方案,使得 TL E的熱量擾動較小,所以在汽包液位控制中可以不考慮TL E熱量擾動的直接影響。

2 汽包液位控制

對于上述因素對汽包液位的影響,相應的液位控制采用了典型的三沖量控制方案,并進行了適當的優化。三沖量給水自動調節系統綜合考慮了主蒸汽量和給水流量相等的原則,又考慮了水位偏差的大小,因而既能補償“虛假水位”的影響,又能糾正給水量的擾動,消除了汽包系統的滯后現象,是目前大型鍋爐汽包普遍采用的給水自動調節系統。其控制原理如圖1所示。

圖1 汽包三沖量控制原理

由圖1可見,三沖量控制實際是一個帶前饋的串級控制。其中汽包液位是被控變量,亦是串級控制的主變量,是工藝的主要控制指標;給水流量是串級控制系統中的副變量,引入這一變量的目的是為了利用副回路克服干擾的快速性來及時克服給水壓力變化對汽包液位的影響;蒸汽流量是作為前饋信號引入的,其目的是為了及時克服蒸汽負荷變化對汽包液位的影響[2]。采用蒸汽流量的前饋控制,可以很好地抵消“虛假液位”現象,而且前饋部分采用了一階線性運算,與蒸汽流量對汽包液位影響的對象特性相匹配,動態性能較好,改善了控制品質。同時該方案將進入蒸汽過熱器的減溫水流量從蒸汽流量中減去,使控制更加精確。

由汽包液位、出汽包的蒸汽量和鍋爐給水量組成的三沖量汽包液位控制系統可使液位控制更趨平穩,比較全面地考慮了影響汽包液位的幾個重要因素。無論擾動來自這三個沖量中的哪一個,都可以由該控制系統快速地作出正確的調節動作,使汽包液位平穩地維持在預定的位置。

3 汽包液位的測量方式

汽包液位測量采用了目前比較常見的雙室平衡容器配差壓變送器的原理。采用的雙室平衡容器是一種結構巧妙,具有一定自我補償能力的汽包水位測量裝置。

這種結構最大限度地削弱了汽水密度變化對常規運行水位差壓的影響。參比水柱溫度過渡到對應壓力下飽和氣溫的時間短,測量動態特性好。容器外部再輔以適當的保溫措施,參比水柱如同在汽包內一樣,溫度始終接近于飽和水溫度,使得二者密度基本相等,所以不需做溫度修正補償;另外,這種結構下汽包壓力發生變化時平衡容器內的“虛假液位”現象可以較大減輕,所以對汽包壓力的變化也有較好的自補償作用。通過現場冬季與夏季的對比觀察,液位測量沒有明顯的變化。

另外,為保證測量回路的穩定工作,同時滿足聯鎖系統的要求,該項目單獨設置了三個液位測點,極大地提高了測量的可靠性。

4 汽包三沖量控制在DCS中的實現

該裝置DCS采用Centum CS-3000系統。該系統三沖量控制組態實現起來直觀方便,尤其在采用了“CALCU”功能塊進行程序語言的編寫,使得控制功能更加靈活可靠。

其中,液位測量采用的“三取中”方式,并由程序語言進行判斷,當某一個液位測量回路發生故障時控制系統內的液位測量值“二取高”。

蒸汽流量采用了溫度壓力補償,組態時沒有使用DCS自帶的溫壓補償功能塊,仍然利用程序語言進行運算,并對運算的結果進行過濾,使補償系數在合理的范圍之內,避免了溫度壓力測量不正常時的“補償過度”現象。

蒸汽流量前饋運算采用了一階滯后環節“LAG”功能塊,階躍響應曲線如圖2所示,既克服了“虛假液位”的影響又很好地實現了前饋補償運算,達到了較好的動態補償效果。該功能塊的運算表達式:

圖2 一階滯后環節的階躍響應曲線

式中 RV——測量輸入值;CPV——計算輸出值。

為了保證蒸汽流量前饋控制的準確性,當蒸汽流量、溫度、壓力以及減溫水流量中的任何一個參數出現測量異常時,系統會通過“順控表程序”自動將前饋控制切除,同時DCS流程畫面上會出現相應提示,此時操作人員是無法強行投入前饋控制的,只有當所有問題處理完畢,測量參數正常以后才可以重新投入前饋控制。當然,任何時候操作人員還可以手動切除前饋控制,使之成為普通的串級調節系統,這給裂解爐運行過程中的操作控制帶來了很大便利。

5 結束語

通過一段時間的運行觀察,采用雙室平衡容器,同時配以優化的三沖量控制方案,使得乙烯裝置汽包液位的控制非常平穩。需要指出的是,由于采用了雙室平衡容器,而且汽包水沒有實時的溫度測點,所以該控制方案并沒有設置汽包壓力和溫度對液位測量的補償。爐子檢修后汽包從充水到升溫階段液位測量會存在一定的誤差,這個階段工藝人員要結合現場觀察到的水位進行操作,反而對安全生產是有益的。

無論是在化工還是電力行業,汽包液位均是鍋爐及其控制系統中最重要的參數之一,了解汽包液位測量誤差的產生原理,同時深刻理解液位的測量與控制方式,能夠更好地進行設備選型安裝,并可以合理地優化控制方案,對處理實際問題,保證正常生產有很重要的意義。

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TP273,TH816

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2010-08-09。

劉洪喜(1976—),男,1995年參加工作,先后畢業于天津化工學校儀表及自動化專業、天津師范大學計算機及應用專業、天津理工大學自動化專業,本科學歷;現工作于天津濱海環保產業發展有限公司,負責新能源發電項目的籌建工作,任自控專業負責人,已發表專業論文2篇,任工程師,建造師,高級技師。