50 000Nm3/h制氫鍋爐的液位控制解析與優化

魏肖邦

﹙蘭州石化公司設備維修公司，蘭州 730060﹚

蘭州石化公司50 000Nm3/h制氫鍋爐采用輕烴水蒸氣轉化和PSA凈化制氫工藝，以天然氣和300萬t/a柴油加氫裝置加氫干氣為原料，生產純度為99.9%的工業氫。本裝置有一臺轉化氣余熱鍋爐和一臺廢熱鍋爐，共用一個汽包，生產3.8MPa、420℃的中壓蒸汽，所生產的蒸汽一部分作為造氣工藝配汽自用，其余部分送出裝置至中壓蒸汽管網。裝置控制系統選用CS-3000系統，鍋爐汽包液位控制選用三沖量控制方案，即前饋-串級調節控制方案。

1 50 000Nm3/h制氫鍋爐液位控制解析①

1.1 制氫鍋爐汽包液位控制系統的組成

三沖量控制系統是在汽包液位雙沖量控制系統的基礎上引入給水流量沖量信號，構成一個前饋加串級反饋控制的復合控制系統，這種控制系統稱為三沖量控制系統，該控制系統是鍋爐汽包液位控制的典型控制系統。50 000Nm3/h制氫鍋爐汽包液位控制系統由現場測量液位、給水流量、蒸汽流量、蒸汽壓力和溫度的一次儀表、控制給水的調節閥、控制室內的安全柵和CS-3000控制系統4部分組成。

1.2 制氫鍋爐汽包液位控制方案

50 000Nm3/h制氫鍋爐汽包液位控制系統和控制方案如圖1、2 所示。50 000Nm3/h制氫鍋爐汽包液位控制系統采用前饋-串級調解系統，給水閥選用FO控制閥，主調節器選擇反作用，副調節器選用正作用，在主、副調節器之間加入計算器，引入前饋信號蒸汽流量。

圖1 制氫鍋爐汽包液位控制系統示意圖

圖2 制氫鍋爐汽包液位控制方案框圖

當汽包液位升高時，由于主調節器(液位調節器)是反作用，其輸出減小，相當于副調節器的偏差增大；又由于副調節器是正作用，其輸出增大，使給水閥門關小，液位降低，反之亦然。同時，如果出現系統負荷突然增大(或減小)，前饋信號蒸汽流量將其輸入運算器，在汽包液位還未發生變化時，改變計算器的輸出，從而改變副調節器的SV值，使副調節器的輸出發生變化，調解給水控制閥閥位，使鍋爐給水量增大(或減小)，消除“假水位”現象。

2 制氫鍋爐汽包液位控制方案的缺陷分析

2.1 汽包平衡容器測量精度存在誤差

在鍋爐汽包液位的測量中，由于汽包液位的測量一般選用差壓式儀表，為了防止測量介質在負壓管中冷凝，造成測量誤差，測量時儀表負壓測量管中都會充灌冷凝液，而爐水的密度受溫度和壓力的影響很大，負壓管中的冷凝液的密度由于受環境溫度影響密度極不穩定，且和正壓側液柱的密度相差較大，為了補償由此產生的測量誤差，一般鍋爐汽包液位測量都會采用平衡容器進行。

汽包的平衡容器分為：雙室平衡容器和單室平衡容器。雙室平衡容器與單室平衡容器相比，具有價格高昂、結構復雜、差壓計算復雜、測量準確度較差及液位測量不穩定等缺點。本裝置選用雙室平衡容器。雙室平衡容器的正壓引壓管有一段暴露在平衡容器外，引壓管中的凝結水由于周圍環境環境溫度的不確定性，其密度具有不確定性，從而造成測量精度誤差。

雙室平衡容器的凝結水管與鍋爐的下降管相連接，由于汽包液位產生的壓差較小，當下降管內的壓力有細小波動時，就會對汽包液位的測量產生比較大的影響，甚至造成無法測量與控制的嚴重問題。而單室平衡容器沒有和除汽包液位測量取壓閥之外的任何設備連接，從本質上就不存在外部干擾。

通過以上分析可以確定，將制氫裝置的鍋爐汽包液位沖量采取的雙室平衡容器更換為單室平衡容器，有助于采取到更為接近真實值的液位信號，使用更簡單，測量信號更穩定。

2.2 實現控制方案的組態復雜

50 000Nm3/h制氫裝置鍋爐汽包水位控制是在CS-3000系統上組態， 實現汽包液位與給水流量的串級調節控制和汽包液位、給水流量、蒸汽流量的三沖量控制調節兩種控制方案的選擇控制。由圖3可知該控制組態使用了3個PID控制塊、兩個計算塊。由計算塊CALCU11105的腳本可知，HS11105是輸出開關儀表控制計算塊，進行CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001計算或CPV=RV·A+RV1·B·0.001計算，其中CPV為計算塊CALCU11105的輸出值，RV為計算塊CALCU11105IN端的輸入值，RV1為計算塊CALCU11105Q01端的輸入值，A、B為操作人員根據工況輸入的液位主調節器輸出與主蒸汽流量變化在調節過程中調節作用的強弱比例參數，F11103為計算塊CALCU11105減溫水流量FI-11103賦予的中間變量。這兩個計算式的主要區別是：主蒸汽出口TI-11101溫度超過430℃仍升高時，TIC-11101控制回路開啟減溫水閥，向減溫器噴入除氧水降溫，FI-11103流量指示不為零，操作人員通過操作畫面上的軟切換開關選擇控制回路，采用CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001計算式；而當主蒸汽出口TI-11101溫度低于430℃時，控制閥關閉，停止向減溫器噴水減溫，FI-11103流量指示為零，操作人員選擇控制回路，采用CPV=RV·A+RV1·B·0.001計算式。當FI-11103流量指示為零時，將零值代入計算式CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001，計算結果與代入CPV=RV·A+RV1·B·0.001相同，因此改寫計算塊CALCU11105的腳本，取消LIT11101、HS111011、HS11106和CAL-HS11106，簡化組態是可行的。

計算塊CALCU11105腳本：

ALIAS A BSET11101.DT01

ALIAS B BSET11101.DT02

ALIAS F11103 FI11103.PV

ALIAS D HS11105.MV

if (D==2) then

CPV=RV*A+(RV1-F11103)*B*0.001

else

CPV=RV*A+RV1*B*0.001

end if

end

計算塊CAL-HS11106腳本：

ALIAS A HS111011.SW

ALIAS B HS11106.MV

if (B==0) then

A=1

else

圖3 基于CS-3000系統的原控制方案組態

A=2

end if

end

中華政制作為中國自生政治制度，傳承數千年，對東亞地區有著深遠影響。辛亥革命之后，中華政制雖然已非現實存在，但在今日仍有文化影響與借鑒意義。

2.3 無法及時預防并消除鍋爐汽包液位典型的“假液位”現象

當蒸汽流量突然增大，使鍋爐負荷增加、汽包壓力降低時，鍋爐液位就會出現“假液位”現象。蒸汽流量對汽包液位的影響(即干擾通道的動態特性)作為前饋信號，在液位還沒有反饋給主調節器前，直接將前饋信號發送給副調節器使其發出控制信號給執行機構，增大給水流量，及時消除“假液位”現象，使整個控制系統達到新的平衡穩態控制，而不是依據測量到的“假液位”來減小給水量，造成汽包液位過低，甚至汽包缺水發生爆炸事故。

由圖2和計算塊CALCU11105腳本可知：計算塊的輸出值CPV(即副調節器給定值SV)與主調節器的輸出和蒸汽流量變送器的輸出有關系，其增益根據不同的工況設置。5萬t制氫鍋爐增益設置值A=80%、B=20%，所以在組態程序中，當蒸汽流量變化即將出現“假液位”現象時，前饋信號對副調節器的給定值SV只有20%的影響，對副調節器及時消除“假液位”現象具有明顯的制約作用。

2.4 控制程序計算公式存在不確定因素

由原計算塊CALCU11105的腳本可見，公式CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001和CPV=RV·A+RV1·B·0.001中都有兩個未知數A和B，這兩個未知數是副調節器設定值SV的增益值，其值需由有經驗的技術人員或操作人員根據不同工況由上位控制界面輸入，增加了操作人員的控制難度和人為因素，同時也增加了控制系統的不確定性，減小了出現控制異常時控制系統的適應性，使控制系統的通用性喪失。

3 優化方案

針對原控制系統存在的問題，對原系統進行了如下優化：

a. 在整個控制系統中，將平衡容器由雙室平衡容器改為單室平衡容器；

b. 對控制程序進行了簡化，取消原控制程序中的5個模塊，改寫原控制程序中計算塊的腳本，在控制程序功能不變的前提下，使程序更加簡潔明了；

c. 取消了人為設置控制程序公式內增益值，根據工藝和設備狀況對其進行修正，消除了人為的不確定性，減少了操作人員的工作量和操作難度，保證了系統的通用性和汽包液位控制的可靠性；

d. 對控制方案進行優化，將給水流量與蒸汽流量的差值直接作為副調節器給水調節器的測量定值PV，在蒸汽流量或給水流量發生突變時，通過副調節器及時對調節參數給水流量進行調解，及時消除“假液位”現象。

基于以上分析，提出了50 000Nm3/h制氫鍋爐液位控制的優化控制方案(圖4、5)，基于CS-3000系統的優化控制組態如圖6所示。

圖4 優化制氫鍋爐液位控制系統示意圖

圖5 優化制氫鍋爐液位控制系統框圖

圖6 基于CS-3000系統的優化控制組態

優化后的控制系統的給水閥仍選用FO控制閥，主調節器選擇反作用，副調節器選擇正作用，控制方案采用前饋-串級控制方案。當汽包液位升高時，由于主調節器是反作用，其輸出減小，相當副調節器的偏差增大；又由于副調節器是正作用，其輸出增大，使給水閥門關小，液位降低。反之亦然。同時，如果出現系統負荷突然增大(或減小)，前饋信號(給水流量-蒸汽流量)的變化量在汽包液位還未發生變化時，改變副調節器的PV值，使副調節器輸出發生變化，調解給水控制閥閥位，使鍋爐給水量增大(或減小)，消除了“假水位”現象。

計算塊CALCU11105腳本：

ALIAS D HS11105.MV

in (D==2) then

CPV=RV1-(RV-RV2)*0.001+50%

else

CPV=RV1

end if

end

4 結束語

對50 000Nm3/h制氫裝置的鍋爐汽包液位控制系統進行了分析，針對汽包液位沖量平衡容器存在的問題，將雙室平衡容器更換為單室平衡容器；對原控制方案和系統組態進行了優化，使控制更加實用，程序更加簡單，減小了操作人員的操作難度，保證了鍋爐汽包液位控制的通用性和可靠性。