低位熱力式旋膜除氧器PID調(diào)節(jié)控制策略

朱圓圓++易挺

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.25.081

摘 要：工業(yè)鍋爐給水含氧量超標會對金屬表面造成氧化腐蝕，導致金屬管壁鼓包出現(xiàn)凹槽，甚至變薄、出現(xiàn)沙眼直至完全損壞。因此除氧效果的好壞，對工業(yè)鍋爐的使用壽命有很大的影響，也直接影響著企業(yè)的經(jīng)濟效益。為了提高低位熱力式旋膜除氧器的除氧效果，研究其結構原理并結合企業(yè)生產(chǎn)實際，利用PID參數(shù)調(diào)節(jié)，提升除氧系統(tǒng)的自動控制策略，提高除氧效果，使工業(yè)鍋爐給水含氧量達標，從而降低燃氣鍋爐煙火管的氧化腐蝕，延長設備使用壽命。

關鍵詞：低位熱力式旋膜除氧器 鍋爐 腐蝕 PID調(diào)節(jié) 煙火管

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（a）-0081-02

隨著除氧器在工業(yè)鍋爐中的廣泛應用，其重要性日趨突出。鍋爐給水含氧、氮、二氧化碳等氣體，在高溫高壓的環(huán)境下，其對鍋爐給水管道、本體和其他附屬設備產(chǎn)生氧化腐蝕，已引起諸多工業(yè)企業(yè)、熱力公司等的廣泛關注。含氧量超標將造成金屬內(nèi)壁鼓包變薄、出現(xiàn)沙眼直至完全損壞。因此除氧效果的好壞，對工業(yè)鍋爐的使用壽命及企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生很大影響。鍋爐用水的除氧就是工藝指標的重要環(huán)節(jié)之一[1]。電力部因此頒布了GB1576-2001《工業(yè)鍋爐水質(zhì)標準》和《電站除氧器安全技術監(jiān)察規(guī)程》，對除氧器含氧量提出了部分標準，即低壓除氧器給水含氧量應小于15μg/L，高壓除氧器給水含氧量應小于7μg/L。本文主要闡述了低位熱力式旋膜除氧器的結構、功能及PID控制策略。

1 旋膜除氧器結構及工作原理

1.1 旋膜除氧器結構

由除氧頭外殼、起膜器、淋水篦子、蓄熱填料液汽網(wǎng)、水箱、防排汽帶水裝置等組成。

（1）除氧頭外殼：由筒身和沖壓橢圓形封頭焊接制成。筒身配備一對法蘭連接下部水箱。

（2）起膜器：由水室、汽室、起膜管、凝結水接管、補充水接管和一次進汽接管組成。凝結水、化學補水經(jīng)起膜管呈螺旋狀按一定角度噴出，形成水膜裙，并與一次加熱蒸汽接管引進來的加熱蒸汽進行熱交換，形成了一次除氧。給水經(jīng)過水篦子上升的二次加熱蒸汽接觸被加熱到接近除氧器工作壓力下的飽和溫度即低于飽和溫度2℃～3℃，并進行粗除氧。一般經(jīng)此起膜段可除去給水中含氧量的90%～96%。

（3）淋水篦子：是由數(shù)層交錯排列的角鋼制件組成，對經(jīng)起膜段粗除氧的給水進行二次分配，成均勻雨霧狀落到液汽網(wǎng)上。

（4）蓄熱填料液汽網(wǎng)：由許多形狀尺寸相同的單元組成的網(wǎng)孔波紋填料組成的一個組合體，該規(guī)整填料通量大、壓降小、操作彈性大、分離效率高、能耗低。蓄熱填料本身就是二次蒸汽的蓄熱器，給水與蓄熱器充分熱交換，達到了深度除氧的目的。

（5）水箱：除過氧的給水匯集到除氧頭的下部容器即水箱內(nèi)，除氧水箱內(nèi)裝有最新科學設計的強力換熱再沸裝置，該裝置具有強力換熱、迅速提升水溫、更深度除氧、減小水箱震動、降低噪聲等優(yōu)點，提高了設備的使用壽命，保證了設備運行的安全可靠性。

1.2 除氧器原理

目前常用的為熱力除氧。熱力除氧是利用在一定的壓力下，水溫越高，氣體的溶解度就越小；反之，氣體的溶解度就越大的原理。除氧水表面的汽水混合全壓中，含有蒸汽的分壓力，水溫升高時，液面的水蒸氣分壓力就會增加，相應的液面附近其他氣體的分壓力就會降低。當水溫升高至沸騰時，蒸汽的分壓力就會接近液面上的全壓力，此時液面上其他氣體的分壓力接近0，這些氣體將完全自水中清除出去。熱力除氧要求除氧器內(nèi)壓力應維持在0.02～0.025MPa，溫度為104℃時，除氧水中溶解的氧分子幾乎全部逸出，其含氧量近似為零，但溫度不宜超過107℃，否則將超過水箱允許的最大壓力，因此將溫度的控制范圍設定在（104±3）℃[2]。水在起膜器流速高、紊度大，液膜中的氣體分子具有較大的動能，增大了氣體克服表面張力的能力，又由于旋渦的不斷卷吸，使液膜中的任何微團都能達到液面，給氣體分子的離析逸出創(chuàng)造了條件。旋膜式除氧器在傳熱、傳質(zhì)及接觸時間都比噴霧填料式除氧器好，旋膜式除氧器技術更科學更先進[3]。因此，除氧的溫度一般為100℃以上，熱力除氧的工作溫度定為102℃，就能使液面上的氣體逸出，達到除氧目的。

1.3 含氧量超標的危害

隨著環(huán)保意識的增強，技術含量高、價格昂貴的燃氣鍋爐逐漸取代燃煤鍋爐，因此其設備維護的經(jīng)濟效益就尤為重要。煙火管作為燃氣鍋爐的關鍵部位，其內(nèi)部介質(zhì)為高溫的燃氣火焰或高溫煙氣，與外表面接觸的是高溫爐水或蒸汽。煙火管越是靠近水沸騰的部位，腐蝕越嚴重，出現(xiàn)管壁膨化松軟、變厚、鼓包，類似蜂窩網(wǎng)狀，輕刮后，表皮便會脫落，使管壁變薄甚至出現(xiàn)凹坑，嚴重者便需更換全部煙火管。因此降低含氧量，有助于延長鍋爐的使用壽命，減少企業(yè)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。為降低鍋爐給水含氧量，給除氧器加裝自動控制系統(tǒng)，對鍋爐的連續(xù)運行和節(jié)能減排具有舉足輕重的意義。

2 除氧自動控制策略

2.1 除氧系統(tǒng)配備

（1）控制部分：西門子ETM200從站及模擬、數(shù)字量模塊，通過Profibus-DP總線與主控PLC連接。（2）蒸汽及給水調(diào)節(jié)：1臺預熱調(diào)節(jié)閥、1臺溫度調(diào)節(jié)閥、1臺給水液位調(diào)節(jié)閥。（3）儀器儀表：磁翻板液位計、壓力表、溫度計。（4）給水控制：功能泵及配備變頻器。

2.2 控制方案

控制除氧器中水的溫度，主要是控制除氧器中蒸汽的壓力，通過對壓力的控制，可以改變蒸汽的供給量，從而控制蒸汽加熱水的溫度。

2.2.1 壓力控制

除氧器壓力控制主要是為了保證除氧的溫度，該控制帶自整定功能，并具有單閉環(huán)控制回路，輸入?yún)?shù)是除氧器壓力，輸出參數(shù)控制除氧器進汽閥，達到穩(wěn)定除氧器壓力的目的。

2.2.2 液位控制

除氧器水箱液位控制對除氧影響很大。若水位過高，將導致進入除氧器的水霧化空間不夠，直接影響除氧效果；水位過低，又會直接威脅除氧器的正常工作，甚至影響鍋爐的正常給水[1]。本方案液位控制主要是為了保證除氧器內(nèi)有足夠的水提供給鍋爐，設計為帶自整定功能的單閉環(huán)控制回路，輸入?yún)?shù)是除氧器水位，輸出參數(shù)控制除氧器進水閥，達到保證除氧器水位的目的。

2.2.3 PID調(diào)節(jié)

通過編制控制程序，分別單獨設置液位和壓力控制的PID參數(shù)[4]后，即可投入運行。操作人員只需在監(jiān)控室查看各項運行參數(shù)，減少人員對系統(tǒng)的干預，更有利于控制的精確性。

3 工廠鍋爐除氧驗證

通過PID程序調(diào)節(jié)，設備投入自動運行后，通過長時間各種工況的觀察，除氧溫度和除氧頭的壓力存在一定的比例關系，當通過PI（P=0.003；I=200；D=0）參數(shù)調(diào)節(jié)，除氧頭壓力維持在20kPa，非常平穩(wěn)，除氧溫度基本維持在104℃（相差不到0.5℃），對除氧水進行含氧量檢測分析，含氧量為0.1mg/L，達到鍋爐的用水標準[5]。

4 結語

增加鍋爐除氧器自動控制系統(tǒng)，有利于自適應鍋爐用汽量負荷的連續(xù)變化，并能延長鍋爐使用壽命，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，保障企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，響應國家的節(jié)能降耗策略，使企業(yè)能持續(xù)健康的發(fā)展。

參考文獻

[1] 楊國榮，楊煜文，蘇劍云.鍋爐系統(tǒng)中的除氧液位及壓力控制[J].電工技術，2006（1）：37.

[2] 張小娟.模糊PID控制在除氧系統(tǒng)中的應用[J].機械與電子，2009（9）：66.

[3] 王杰，郭繼平.旋膜式除氧器技術在噴霧式除氧器改造中的應用[J].東北電力技術，2005（4）：23-24.

[4] 趙鑫，劉紅軍，王軍，等.時滯系統(tǒng)模糊整定PID控制的仿真研究[J].計算機仿真，2006，23（11）：211-214.

[5] 覃強.模糊PID溫度控制方案的仿真優(yōu)選及其實現(xiàn)[D].北京：中國科學院，2002.endprint