鍋爐汽包三沖量DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計

徐雅蘭

(四川七化建化工工程有限公司, 成都 610100)

某公司2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置，整個裝置工藝生產(chǎn)過程有易燃、易爆、有毒及連續(xù)化生產(chǎn)等特點。原料氣儲存、增壓、凈化處理及甲烷化等工藝過程控制采用集散型控制系統(tǒng)(Distributed Control System)，將所有重要的工藝參數(shù)引至控制室DCS內(nèi)進行監(jiān)視、控制。調(diào)節(jié)系統(tǒng)繁多，有簡單的PID控制，也有較為復雜的分程控制、串級控制，還有復雜回路三沖量控制。其中甲烷化工序的鍋爐汽包是本裝置的重要設(shè)備之一，汽包液位是鍋爐運行中的一個重要監(jiān)控參數(shù)，對其實時準確地控制能確保甲烷化工序的穩(wěn)定、安全運行。筆者主要介紹鍋爐汽包三沖量DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計。

由于引起汽包水位變化的因素非常多，如鍋爐負荷、燃燒工況、給水壓力以及汽包特有的虛假液位等現(xiàn)象，簡單的回路控制難以滿足其對控制的要求，引用三沖量串級調(diào)節(jié)勢在必行。因此在2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置中，為了準確安全地對汽包進行控制，采用了三沖量串級控制，與和利時DCS軟件的優(yōu)勢結(jié)合，使組態(tài)和控制達到要求[1]。

汽包三沖量控制系統(tǒng)工藝儀表流程如圖1所示。

圖1 工藝儀表流程

三沖量給水控制方案是一個多變量串級控制系統(tǒng)，一般三沖量控制是針對汽包進行調(diào)節(jié)的，三沖量就是3個測量參數(shù)(汽包液位、給水流量和蒸汽流量)。其中以汽包液位作為主控信號，蒸汽流量信號作為前饋信號，給水流量信號作為反饋信號，構(gòu)成一個前饋-反饋負荷控制系統(tǒng)。

從物質(zhì)平衡的觀點出發(fā)，只要給水流量和蒸汽流量的比值保持不變，就等于保證了汽包液位穩(wěn)定不變。因為蒸汽流量是引起液位變化的一個因素，是重要的干擾因素，當蒸汽流量發(fā)生變化時，采用比值控制系統(tǒng)使得給水流量跟蹤蒸汽流量作相應(yīng)變化，保證汽包液位穩(wěn)定，這就是一個典型的前饋控制系統(tǒng)。而從反饋控制的思想出發(fā)，將汽包液位信號作為被調(diào)量，對給水流量進行調(diào)節(jié)，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)將前饋和反饋系統(tǒng)結(jié)合起來，極大地提高了液位控制效果。當蒸汽流量突然增大時，按比值控制要求給水流量加大，然而形成的水泡現(xiàn)象使得汽包出現(xiàn)了假液位暫時升高，又要求系統(tǒng)調(diào)節(jié)器減少給水量。實際的給水量取決于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定，得到合理的平衡，這樣就能很快削弱虛假液位，使蒸汽流量和汽包液位能正確地進行調(diào)節(jié)。三沖量給水控制方案如圖2所示。

圖2 三沖量給水控制方案框圖

2 汽包液位測量方法

汽包液位的準確測量是確保汽包安全工作的重要條件之一。鍋爐汽包屬于壓力容器，其內(nèi)部壓力比較大，而液位允許的波動范圍比較小，這就決定了汽包液位測量的重要性和復雜性。根據(jù)工藝儀表流程圖可以看出設(shè)計已將液位低低作為了緊急停爐的一個主要條件，為此，對于汽包液位的測量一般同時采用多種方法來確保結(jié)果的準確性[2]。

2.1 平衡容器與差壓變送器配套測量

根據(jù)液體靜力學原理，通過測量變動液位和恒定液位之間的靜壓差，將差壓信號通過差壓變送器線性轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電信號值進入DCS系統(tǒng)供顯示、控制之用。由于汽包液位與汽包壓力密切相關(guān)，現(xiàn)普遍采用具有汽包壓力補償作用的平衡容器和差壓變送器配套測量，原理如圖3所示。

圖3 差壓法測量汽包液位原理圖

2.2 內(nèi)置電極傳感器測量

汽包液位內(nèi)置電極傳感器是根據(jù)多年實踐經(jīng)驗研制的一種新型測量高溫高壓容器內(nèi)水位的裝置，已經(jīng)獲得了國家發(fā)明專利。該液位測量裝置首次將超純陶瓷電極傳感器置于汽包內(nèi)，利用汽、水導電度的差異來判斷水位變化情況，再利用鎧裝導線和機械密封以及補救泄漏的措施解決了其密封、絕緣問題，實現(xiàn)了直接測量汽包液位的目的。該液位計成為汽包液位測量的基準表和實驗儀表，不僅精確度高，而且安全可靠。

2.3 玻璃管液位測量

玻璃管液位計一般就是就地指示儀表，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉。它是將汽包液位和玻璃管液位計連通，通過觀察玻璃管液位得知汽包液位。

3 蒸汽流量和給水流量的測量

蒸汽流量和給水流量一般都采用差壓法進行測量，使用標準節(jié)流裝置，然后對流量進行溫度或壓力補償，從而得到準確的流量數(shù)據(jù)。再通過差壓變送器線性轉(zhuǎn)換為4～20mA直流電信號值進入DCS系統(tǒng)供顯示和控制之用。

4 DCS系統(tǒng)設(shè)計

2.4億Nm3/a焦爐煤氣制液化天然氣裝置采用和利時的DCS控制系統(tǒng)，主要由工程師站、操作站和控制站組成。在DCS組態(tài)過程中，主要包括I/O卡的配置、方案控制圖、流程圖顯示及趨勢圖等。首先根據(jù)現(xiàn)場變送器的信號類型來選擇匹配的I/O卡，將現(xiàn)場信號引入DCS系統(tǒng)中,然后根據(jù)功能塊編制控制方案。

汽包液位采用3個液位計LT02131A/ LT02131B/ LT02131C，通過三選二，再平均的液位作為控制輸入信號，然后進入主調(diào)節(jié)器LC02131。蒸汽流量經(jīng)過溫壓補償運算后送入主調(diào)節(jié)器LC02131，形成前饋控制。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器FC02302的設(shè)定值，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)，輸出控制給水調(diào)節(jié)閥FV02132。

5 結(jié)束語

先進的DCS控制讓很多復雜的控制系統(tǒng)得以在實際項目中實現(xiàn)。鍋爐汽包三沖量DCS控制系統(tǒng)的設(shè)計方法經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，效果良好，充分證明了它的可靠性。

[1] 李忠虎.鍋爐汽包液位測量技術(shù)綜述[J].工業(yè)計量，2003,13(6)：41～42.

[2] 郝曉弘，劉忠，王昕，等.三沖量控制在高壓汽包中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2006，42(2)：40～41,48.