透平轉速調節在汽包液位控制中的應用

張述飛

（中海石油建滔化工有限公司，海南東方572600）

穩定汽包液位是化工生產過程中主要的工藝指標之一，也是保證設備安全運行的必要條件。傳統的汽包液位控制一般采用單沖量／雙沖量／三沖量的控制方式，在開車階段或鍋爐負荷較低的情況下采用單沖量控制，適當負荷下切換到三沖量控制［1］。該控制方案普遍把給水閥作為調節回路的執行器，通過穩定給水流量來控制汽包液位，往往會造成調節閥前后差壓較大，從而消耗在調節閥上的能量較大，不利于裝置的節能。在中海石油化學股份有限公司800kt／a甲醇裝置中通過采用透平轉速來調節給水量，進而控制液位，減少了調節閥上的能量損失，取得了較好的控制效果。

1 傳統汽包液位控制方案

1.1 系統概況

該甲醇裝置中高壓汽包液位由4臺差壓變送器測量，1臺FF總線變送器信號（LT2003）引入DCS用于調節，3臺HART協議變送器信號（LT2004／2005／2006）引入ESD用于聯鎖保護。汽包出口飽和蒸汽流量和汽包壓力采用FF總線變送器測量；給水流量采用FF總線渦街流量計。2臺給水調節閥中大閥FV2001A為等百分比流量特性，最大流量206t／h；小閥FV2001B為直線流量特性，最大流量103t／h。并聯裝配3臺高壓給水泵，2臺性能參數完全一致的Elloet蒸汽透平J541A／B，1臺電泵J541C。正常情況下2臺透平運行，電泵處于備用狀態。

1.2 傳統的高壓汽包液位控制方式

裝置投產后高壓汽包液位一直采用傳統的單沖量／三沖量控制方式，操作過程中根據汽包不同的負荷進行選擇。單沖量就是單純的液位調節，往往在初始上水或負荷較小的情況下使用；三沖量液位控制系統是將汽包液位作為主被控變量，給水流量作為副被控變量的串級控制系統與蒸汽流量作為前饋信號的前饋－串級反饋控制系統［2］。

傳統的三沖量液位控制系統將給水流量、蒸汽流量等擾動引入到串級控制系統的副環，因此能夠迅速被副環克服［3］。控制回路的最終原件執行器由調節閥FV2001A／B來充當。2臺調節閥的實際動作通過DCS CALCU功能塊實現，對應關系見表1所列。

表1 調節閥開度與控制器的輸出對應關系

實際運行過程中，在負荷正常的情況下，鍋爐上水流量200t／h左右，FV2001B開度始終處于90%，FV2001A開度則在10%左右進行液位調節。2臺透平轉速在3 500r／min固定不變，由于透平處于較高轉速，汽包給水壓力也高，FV2001A／B前后差壓較大。同時由于FV2001A流通能力相對較大，微小的閥位變化就會引起液位和汽包給水壓力的較大變化，影響了汽包液位的穩定性。圖1為高壓汽包液位6h的趨勢，液位最大有3%的偏差。

2 轉速控制方案的構成和原理

2.1 轉速調節控制汽包液位的思路

雖然單沖量／三沖量汽包液位控制可以滿足液位調節的需要，但由于透平（J541A／B）轉速采用手動調節，轉速固定不變，通過改變調節閥開度來控制高壓汽包給水量。在實際運行過程中FV2001A處于較小的開度，給水調節閥前后差壓較大，節流過程中造成的能量損失大，不利于裝置的經濟運行。同時易對閥芯閥座產生沖蝕破壞，縮短調節閥使用壽命。但是如果將2臺調節閥開度處于較大的位置，甚至全開，通過透平轉速來實現給水流量的控制，即可減少透平的蒸汽用量，實現裝置節能降耗的目的。

圖1 傳統控制方式下高壓汽包液位曲線

具體方案：在液位控制系統中引入一個轉速調節器SIC2001，將液位調節器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號送加法器LY2003B，加法器輸出信號送至轉速調節器。該方案中主調節器是液位控制器LIC2003C，副調節器是轉速調節器SIC2001，將SIC2001輸出的4～20mA信號送至ITCC控制調速閥調節透平轉速。FIC2001保持在手動狀態，輸出鎖定在較大值，以便實現透平轉速調節汽包液位的目的。該方案實際上是在典型的串級三沖量控制系統基礎上演變而成，主調節器保證水位無靜態偏差，其輸出信號、給水流量信號和蒸汽流量信號都作用到副調節器，當蒸汽負荷改變時迅速調節透平轉速保證給水流量和蒸汽流量的平衡［4］。其控制原理如圖2所示。

圖2 轉速調節控制液位原理

2.2 調節器與功能塊的作用

轉速調節控制方案在原有單沖量／三沖量方案基礎上，增加一個轉速調節器SIC2001，原有的控制方案繼續保留，便于汽包低負荷或設備故障情況下使用。具體的控制系統功能如圖3所示。

圖3 改進后液位控制系統

各調節器與功能塊的作用如下：

a）LIC2003A：用于單沖量液位控制的調節器，反作用；

b）LIC2003C：用于三沖量液位控制的調節器，反作用；

c）FIC2001：給水流量調節器，反作用；

d）SIC2001：轉速調節器，反作用，根據透平性能參數控制轉速在3 050～3 749r／min；

e）LY2002：高壓汽包液位壓力補償計算，算法為

式中：LI2003.PV——高壓汽包液位測量值；PI2005.PV——高壓汽包壓力。

f）FY2002：高壓汽包出口蒸汽補償計算，由于FI2002所測為飽和蒸汽流量，只需進行壓力補償：

式中：FI2002.PV——汽包出口飽和高壓蒸汽測量值；PI2005.PV——高壓汽包壓力；ρ——高壓飽和蒸汽參考密度，取67.3kg／m3。

g）求和塊：求和功能，液位控制器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號的代數和。

h）模式選擇：用于不同模式間的切換，即單沖量／三沖量／轉速調節。操作指令由工藝操作員按需要發出。

3 轉速調節在汽包液位控制的投用

3.1 正常工況

在開、停車或者系統不穩定時采用單沖量或三沖量控制。單沖量調節器和三沖量調節器在不被選中時給定值和測量值相等，且不被選中調節器的輸出始終跟蹤被選中調節器的輸出。這樣當切換控制方式時不必進行平衡操作，實現無擾動切換。單沖量／三沖量汽包液位控制系統的投用還是采用傳統的控制方式。當鍋爐負荷達到適當且運行穩定時可切換到轉速控制，LIC2003C置自動，SIC2001置串級，LIC2003A，FIC2001置手動。為防止2臺給水透平同時調節時互相干擾，其中1臺用手動控制轉速，使轉速固定，另1臺透平轉速自動根據給水量進行調節。高壓汽包正常運行時負荷一般在85%左右，上水量大約200t／h。根據給水透平性能參數將1臺透平轉速固定在3 200r／min，上水量105t／h，約占補水量的一半，另1臺轉速在3 050～3 749r／min對流量進行補充調節。轉速控制投用后根據運行情況通過FIC2001手動將給水閥FV2001A／B開大，如果液位波動較大，調整需較長時間，直至FIC2001輸出為100%。隨著給水閥的開大，調速透平轉速逐漸下降，蒸汽用量減少。

轉速調節方案中透平與傳統三沖量控制中調節閥動態特性有很大的差別，當液位存在偏差時，FIC2001動作可以快些，便于迅速克服擾動。但如果SIC2001輸出動作過快，造成透平實際轉速跟不上設定值，極易造成系統失調。對于SIC2001參數的整定和投用，在實際操作中積分時間可長一些，為防止系統主、副調節器被調量產生共振現象，上一級調節系統的周期至少為下一級系統周期的2～3倍［5］。

實際投用后，通過透平轉速調節給水量穩定液位，液位控制效果如圖4所示，液位調節偏差控制在1%以內，控制效果良好。

圖4 轉速調節控制液位趨勢

3.2 故障工況

轉速調節在實際運行中還需考慮故障情況，最大限度地保證裝置穩定運行。當其中1臺透平跳車時，電泵會自啟動，汽包給水流量迅速增大。此時轉速調節方案無法快速克服給水流量的擾動，極易造成高壓汽包液位的大幅波動，因而需快速地由轉速控制切換到三沖量控制，以保證給水量維持在跳車前的水平，穩定汽包液位。

4 轉速控制投用效果

轉速控制方案實施后，控制回路的穩定性和可靠性比傳統三沖量方案有明顯的提高。高壓汽包液位控制精度由原來的3%左右提高到了1%左右。由于給水閥FV2001A／B處于90%以上的開度，閥前后差壓很小，能量損失大大減小。正常負荷情況下，2臺透平轉速由原來的3 500r／min降到了3 200r／min左右，減少了蒸汽用量，2臺透平大約節省蒸汽2.5t／h。同時透平保持在中速運行狀態，減少了設備損耗，降低了故障率。

5 結束語

在傳統三沖量液位控制的基礎上，以透平轉速控制給水量，優化了裝置的控制方式，提高了控制水平。實際應用證明，通過轉速調節控制汽包液位可取得良好效果，特別是在企業大力提倡節能減排的今天更加意義重大。

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