串級三沖量調節在汽包液位控制中的應用

韋慶志 戚惠杰

[摘? ? 要]文章主要介紹了焦爐余熱利用系統中影響汽包液位的因素、串級三沖量調節的原理以及基于PLC的汽包液位串級三沖量調節在實際應用中對汽包液位調節所起到的重要作用。

[關鍵詞]汽包液位;串級;三沖量;PID;PLC

[中圖分類號]TP273[文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–02

Application of Cascade Three-Impulse Regulation in Drum Level Control

Wei Qing-zhi， Qi Hui-jie

[Abstract]This paper mainly introduces the factors affecting the drum liquid level in the coke oven waste heat utilization system， the principle of cascade three-impulse regulation and the important role played by PLC based cascade three-impulse regulation of drum liquid level in practical application.

[Keywords]drum level; cascade; three-impulse; PID; PLC

安鋼焦化分公司為了響應國家環保政策，堅定不移走綠色發展、節能增效之路，先后對四煉焦車間的6m焦爐以及五煉焦車間的7m焦爐進行上升管改造，實施上升管余熱利用技術。該項目控制系統中汽包液位的調節，關系著整個系統的安全性和經濟效益，顯得尤為重要。該項目自2016年實施以來，已先后完成并投入使用，目前系統整體運行平穩，節能增效效果明顯。

1 汽包液位控制的重要性

汽包在整個上升管余熱利用系統中起著至關重要的作用，前端過來的除氧水進入汽包，再由汽包輸送至各上升管換熱器的進水端，通過熱交換產生水汽混合物，通過換熱器的出口再回到汽包進行汽水分離，水繼續循環進入上升管再次進行熱交換，產生的飽和蒸汽進入下一級形成過熱蒸汽，最終并入蒸汽管網[1]。圖1為安鋼焦化廠六米焦爐余熱利用系統工藝流程圖

汽包液位是系統正常運行中一個重要的監控參數。液位過高會影響汽水分離效果，導致飽和蒸汽帶水過多，使過熱蒸汽溫度下降，并且影響過熱器的運行。液位過低輕則影響水蒸氣平衡，重則可能全部氣化，造成上升管的損壞，甚至產生爆炸，造成生產事故。這就要求汽包液位要控制在一個合理范圍內，適應各種工況的運行。影響汽包液位的因素主要有給水流量和蒸汽流量。當蒸汽負荷突然增大時，汽包壓力會驟然下降，爐水的飽和溫度下降到壓力較低時的飽和溫度，使爐水內的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，促使液位很快上升，形成虛假液位。當蒸汽負荷突然減小時，汽包壓力會驟然上升，則相應的蒸汽的飽和溫度提高，則大部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，促使液位很快下降，形成虛假液位。當上升管內熱負荷增加或驟減時，水的比容將增大或減小，也會形成虛假液位[2]。當產生虛假液位時，如果采用單一的單沖量調節系統，系統就會根據這個假液位對給水調節閥發出錯誤的指令，等到汽水達到新的動態平衡，虛假液位消失，此時的實際液位和設定值會有很大的偏差，嚴重影響系統安全。

2 串級三沖量控制的原理

為了及時消除蒸汽流量波動或給水壓力波動對汽包液位的影響，并有效防止虛假液位現象而引起的系統誤操作，除了主調節回路中的液位變量外，再引入蒸汽流量信號作為前饋信號，再增加副調節回路，以給水流量作為測量信號。這樣由主調節回路、副調節回路以及前饋控制構成了汽包液位的串級三沖量調節系統，其中三沖量分別是汽包液位、給水流量和蒸汽流量，串級是主副2個調節回路。串級三沖量控制實質上就是前饋控制再加上串級控制的系統。通常反饋控制的作用是在出現偏差以后進行調節，而前饋控制是根據干擾的變化而變化的，前饋控制檢測的信號是干擾變量的大小，它可以在偏差出現之前對系統進行干預，瞬間進行控制，能夠有效的防止虛假液位對系統產生的影響[3]。圖2為串級三沖量液位調節方框圖。

從串級三沖量液位調節方框圖可以看出，主調節回路和副調節回路是串聯使用的，在蒸汽流量和給水流量穩定時共同對液位進行實時調節，以保證汽包液位的穩定。當系統在穩態狀態下，汽包液位測量值偏離設定值時，主調節器通過副回路對給水流量進行調節，使穩態時的汽包液位回到給定值。當系統出現給水流量擾動時，給水流量反饋給副回路，系統就能夠及時得到調節效果的反饋，并迅速消除給水流量的自發性擾動。由蒸汽流量構成的前饋通道，在蒸汽流量發生擾動時，能夠將蒸汽流量信號與主調節器的輸出信號通過一定關系進行計算，得出的計算值作為副調節器的給定值，此時副回路能夠迅速進行調節，改變給水流量，有效的防止了因出現虛假液位進而使系統產生的誤動作。

3 串級三沖量調節控制系統應用

整個焦爐上升管余熱利用系統選用AB公司Compact Logix控制系統對生產過程進行監控和管理，數據采集與顯示。系統分為上位監控畫面和下位PLC兩部分，上下位之間通過以太網連接，以實現高速穩定通訊。下位硬件選用美國羅克韋爾公司1769-L33ER處理器及1769系列I/O模塊，編程軟件采用RSLogix5000可編程軟件。系統上位采用羅克韋爾自動化公司的FactoryTalk View Site Edition軟件以實現對整個生產工藝的實時監控與操作。程序中單獨建立汽包液位三沖量串級調節功能塊，主程序段如圖3所示。

程序段中有主副2個PID調節塊，主PID調節為LRC1001，副PID調節為FRC1001。汽包液位為LET1001，通過液位變送器測得;蒸汽流量為FT103，通過一體化節流式流量測量裝置測得;給水流量為FT102，通過數字超聲波流量計測得。給水調節閥控制值為LVZ103，采用電動單座調節閥對汽包給水量進行調節。

汽包液位LET1001作為主調節器的測量值，汽包給水流量FT102作為副調節器的測量值。副調節回路的前饋值通過主調節器的輸出和蒸汽流量測量值以公式LRC1001.CV*K1+FT103*K2+K3得出，最終副調節器輸出4～20mA電流信號控制給水調節閥動作實現汽包液位的調節。根據串級控制系統主副調節器選擇正、反作用的原則，主調節器選擇反作用，副調節器選擇正作用，為保證汽包液位的無靜態誤差，主調節器采用PI控制算法，為保證副調節器的快速性，去掉微分作用，采用PI或P控制算法.在手動模式下主調節器的控制輸出值由反推公式得出，以實現系統控制方式的無擾切換。

上位監控畫面有汽包液位串級三沖量調節窗口，如圖4所示。畫面按鈕可實現對系統手動、自動控制方式，以及串級是否投入進行控制。通過畫面可對調節系數K1、K2、K3以及主副PID調節參數進行修改。此外還可對各種參數和過程變量進行實時監控及歷史記錄查詢。

4 結束語

系統在安鋼焦化廠6m焦爐余熱利用上升管改造項目中首次應用，調試中通過對現場生產情況以及系統各參數的實時監控進行分析，修改程序及調節參數，使系統最終實現穩定調節，效果顯著。系統隨后又在焦化廠7m焦爐上升管余熱利用改造項目中再次使用，目前運行穩定，調節效果顯著。通過實際應用表明串級三沖量液位調節系統調節靈敏、調節質量好，安全性能好，能夠有效地克服汽包液位受蒸汽流量和給水流量溫度、壓力突變時而產生的干擾影響，減小汽包液位波動，對提高整個系統的安全性以及系統的經濟效益具有重要作用。

參考文獻

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[2] 張子才，龔爭理，黃良沛，等.鍋爐汽包水位串級三沖量控制系統設計與應用[J].國外電子測量技術，2011（2）：20-24.

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[4] 徐春梅，張浩，楊平.汽包水位串級三沖量非線性PID控制系統[J].華東電力，2009（5）：838-841.

[5] 陳曉梅.鍋爐汽包水位串級三沖量控制系統設計與應用[J].工程技術（引文版）2011（11）：1.