余熱鍋爐汽包液位三沖量控制在危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

王　巒，孟繁增，趙　杰，王連超

（1.天津?yàn)I海合佳威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司，天津300280；2.國(guó)環(huán)危險(xiǎn)廢物處置工程技術(shù)（天津）有限公司，天津300280）

余熱鍋爐汽包液位三沖量控制在危險(xiǎn)廢物焚燒系統(tǒng)中的應(yīng)用

王巒1，孟繁增2，趙杰2，王連超2

（1.天津?yàn)I海合佳威立雅環(huán)境服務(wù)有限公司，天津300280；2.國(guó)環(huán)危險(xiǎn)廢物處置工程技術(shù)（天津）有限公司，天津300280）

從三沖量的理論公式入手，給出了三沖量的具體算法，并在實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證，解決了危險(xiǎn)廢物焚燒由于廢物熱值不穩(wěn)定造成余熱鍋爐汽包蒸汽產(chǎn)量不穩(wěn)定的問(wèn)題，使汽包水位的控制精度達(dá)到了±5 mm之內(nèi)，證明了算法的可靠性。

汽包液位；三沖量；算法；精度控制；產(chǎn)汽穩(wěn)定性

目前用于處理危險(xiǎn)廢物焚燒處置的主工藝流程包括廢物焚燒、余熱回收利用、尾氣處理3大部分內(nèi)容。根據(jù)《危險(xiǎn)廢物集中焚燒處置工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)危險(xiǎn)廢物焚燒工藝的要求，焚燒后產(chǎn)生的煙氣進(jìn)入余熱回收裝置，而余熱鍋爐是危險(xiǎn)廢物焚燒處置設(shè)施中最常用的余熱回收裝置。在實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，余熱鍋爐可以設(shè)計(jì)為產(chǎn)生飽和蒸汽的飽和蒸汽鍋爐和產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽的過(guò)熱蒸汽鍋爐。在余熱鍋爐的控制中，鍋爐汽包液位的控制是評(píng)價(jià)鍋爐控制系統(tǒng)控制效果的一個(gè)重要指標(biāo)，穩(wěn)定的汽包液位控制可以提高產(chǎn)出蒸汽的穩(wěn)定性和品質(zhì)。

1　汽包液位的調(diào)節(jié)方式

對(duì)于一般的鍋爐裝置而言，穩(wěn)定的汽包液位控制則要求鍋爐運(yùn)行中的燃燒穩(wěn)定和負(fù)荷穩(wěn)定。穩(wěn)定的燃燒就是要穩(wěn)定的控制燃料的進(jìn)料量，穩(wěn)定的負(fù)荷則要求蒸汽使用部門(mén)在使用中通過(guò)規(guī)范的操作控制蒸汽的使用變化速率，對(duì)蒸汽的使用變化要平穩(wěn)不要出現(xiàn)過(guò)大的波動(dòng)。對(duì)于穩(wěn)定的負(fù)荷而言，一般鍋爐裝置和危險(xiǎn)廢物焚燒裝置余熱鍋爐所面臨的問(wèn)題是一樣的，對(duì)于一定能力的鍋爐只能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程對(duì)蒸汽使用部門(mén)進(jìn)行要求和培訓(xùn)。對(duì)于燃燒穩(wěn)定而言，由于危險(xiǎn)廢物裝置的余熱鍋爐與一般鍋爐裝置具有較大的區(qū)別，一般鍋爐裝置采用的是熱值比較穩(wěn)定的燃料，而危險(xiǎn)廢物焚燒裝置的燃料是各種各樣的危險(xiǎn)廢物，熱值不穩(wěn)定，因此在處置過(guò)程中要根據(jù)爐膛內(nèi)的燃燒情況調(diào)整風(fēng)量、廢物停留時(shí)間等參數(shù)，這就造成了危險(xiǎn)廢物余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量的不穩(wěn)定性。如何通過(guò)適當(dāng)?shù)腻仩t汽包液位控制方式，最大限度地使危險(xiǎn)廢物余熱鍋爐蒸汽產(chǎn)量穩(wěn)定是需要解決的問(wèn)題。鍋爐汽包液位的控制一般分為單沖量和三沖量2種方式。

單沖量控制就是以汽包液位實(shí)際測(cè)量值作為實(shí)際液位，將汽包液位期望控制值作為給定值，鍋爐給水調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在控制過(guò)程中以鍋爐汽包液位實(shí)際值和給定值之間的差值作為測(cè)量偏差，通過(guò)PID控制算法計(jì)算出鍋爐給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，并進(jìn)行控制，從而到達(dá)控制汽包液位的目的。單沖量控制的特點(diǎn)是控制程序編制簡(jiǎn)單，但對(duì)于負(fù)荷變化較大的場(chǎng)合容易造成汽包液位的不穩(wěn)定，調(diào)節(jié)精度也不高。其控制程序和流程見(jiàn)圖1～2。

圖1　單沖量控制程序

圖2　單沖量流程

三沖量控制就是通過(guò)蒸發(fā)量、汽包需求、爐需求水量之間的水平衡關(guān)系作為控制的基本原理，即鍋爐需求水量等于蒸發(fā)量與汽包需求水量之和，即Q鍋爐需求水量=Q蒸發(fā)量+Q汽包需求水量。

其控制程序和流程見(jiàn)圖3～4。

圖3　三沖量控制程序

圖4　三沖量流程

通過(guò)程序可以看出三沖量的控制實(shí)際上是一個(gè)雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)，外環(huán)通過(guò)汽包液位的測(cè)量值作為實(shí)際液位值，期望液位值作為給定值計(jì)算出汽包需求水量，汽包的需求水量與實(shí)際測(cè)量的蒸發(fā)量計(jì)算得出鍋爐需求水量，計(jì)算出的鍋爐需求水量作為內(nèi)環(huán)的給定值與通過(guò)流量計(jì)測(cè)得的鍋爐實(shí)際給水流量值之間的差值作為測(cè)量偏差，通過(guò)PID控制算法計(jì)算出鍋爐給水調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，并進(jìn)行控制，從而達(dá)到通過(guò)內(nèi)環(huán)控制給水流量，使外環(huán)的汽包液位穩(wěn)定的目的。

2　三沖量控制的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)三沖量的關(guān)鍵是通過(guò)測(cè)量?jī)x表在軟件中計(jì)算出蒸發(fā)量、汽包需求水量，再通過(guò)水平衡關(guān)系式計(jì)算出鍋爐需求水量。

2.1鍋爐蒸發(fā)量Q蒸發(fā)量的計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)中鍋爐的蒸汽流量通過(guò)渦街流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，渦街流量計(jì)測(cè)量的值為蒸汽的體積流量，體積流量需要通過(guò)溫度和壓力的補(bǔ)償換算為質(zhì)量流量，所換算的質(zhì)量流量即為鍋爐的蒸發(fā)量Q蒸發(fā)量。

質(zhì)量流量和體積流量的換算公式為：

式中：ρ為蒸汽密度（kg/m3）。

2.1.1對(duì)于飽和蒸汽

式中：ρ為飽和蒸汽密度（kg/m3）；P為工況下表壓力（MPa）。

該式的適用范圍為P≤2.5 MPa。

2.1.2對(duì)于過(guò)熱蒸汽

式中：ρ為過(guò)熱蒸汽密度（kg/m3）；P為工況下表壓力（MPa）；t為工況下溫度（℃）。

該式的適用范圍為P=0.1～2.5MPa；t=120～600℃。

2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的計(jì)算

汽包需求水量就是要計(jì)算出汽包內(nèi)現(xiàn)有液位下液體的質(zhì)量與汽包期望液位下液體的質(zhì)量之間的差值，在工程設(shè)計(jì)中汽包的液位可以通過(guò)液位變送器進(jìn)行測(cè)量，因此汽包體積的計(jì)算要根據(jù)測(cè)量的液位計(jì)算得出，需要建立汽包液位和汽包體積的函數(shù)關(guān)系式。汽包是由圓柱形的直筒段體和標(biāo)準(zhǔn)封頭組成，汽包體積的計(jì)算就是要分別計(jì)算出圓柱形的直筒段V1和封頭V2的體積，見(jiàn)圖5。

圖5　汽包結(jié)構(gòu)示意

2.2.1汽包液位和體積之間的函數(shù)關(guān)系式

2.2.1.1圓柱形直筒段體積V1的計(jì)算

圓柱體體積V1（見(jiàn)圖6）的計(jì)算根據(jù)高等數(shù)學(xué)中平行截面積已知立體的體積計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

圖6　汽包圓柱形直筒段結(jié)構(gòu)示意

1）截面積S的計(jì)算。

2）圓柱體體積V1的計(jì)算。

經(jīng)整理后：

2.2.1.2橢圓封頭體積V2的計(jì)算

根據(jù)JB/T 4746—2002鋼制壓力容器用封頭標(biāo)準(zhǔn)中橢圓形封頭分為直邊和橢圓部分，直邊部分的體積計(jì)算可以按照?qǐng)A柱體的體積計(jì)算公式計(jì)算，橢圓部分（見(jiàn)圖7）體積的計(jì)算根據(jù)高等數(shù)學(xué)中平行截面積已知的立體的體積計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

圖7　汽包橢圓封頭結(jié)構(gòu)示意

1）截面積的計(jì)算。

根據(jù)幾何關(guān)系得出：

根據(jù)橢圓的面積公式：

2）橢圓封頭體積的計(jì)算。

經(jīng)整理后：

2.2.1.3汽包體積的計(jì)算

2.2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的計(jì)算

在汽包液位的控制中一般以汽包±0 mm的液位作為汽包期望控制的液位，因此汽包需求水量的公式為：

式中：ρ為汽包內(nèi)水的密度（kg/m。

2.3鍋爐需求水量Q鍋爐需求水量的計(jì)算

根據(jù)Q鍋爐需求水量=Q蒸發(fā)量+Q汽包需求水量計(jì)算出鍋爐需求水量作為三沖量?jī)?nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的給定值。

3　三沖量的投入效果

根據(jù)三沖量的算法編制了汽包液位控制程序，在控制汽包給定液位在20 mm的情況下通過(guò)單沖量-三沖量控制曲線(xiàn)的記錄可以分析其控制效果。在曲線(xiàn)中黑色線(xiàn)為汽包液位（圖8顯示量程-50～50 mm），棕色線(xiàn)為換算后的蒸汽流量（圖8顯示量程0～20 t/），藍(lán)色線(xiàn)為換算前的蒸汽體積流量（圖8顯示量程0～20 000 m3/h），在10∶00前汽包液位控制為單沖量，在單沖量運(yùn)行中汽包液位的控制范圍為5～30 mm，蒸汽流量為7～15t/h，控制曲線(xiàn)處于在一定的范圍內(nèi)振蕩穩(wěn)定的情況，在10∶00后汽包液位控制改為三沖量，在10∶00—12∶00作為控制的調(diào)整期，汽包液位和蒸汽流量的波動(dòng)范圍逐步趨于穩(wěn)定，在12∶00之后汽包液位的控制范圍為（20±5）mm，蒸汽流量穩(wěn)定在7 t/h左右，在14∶00

系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，通過(guò)曲線(xiàn)可以看出系統(tǒng)在10 min左右就能夠調(diào)整穩(wěn)定。因此三沖量的控制效果明顯地高于單沖量的控制效果。

圖8　單沖量-三沖量控制曲線(xiàn)

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)三沖量控制算法的應(yīng)用解決了危險(xiǎn)廢物焚燒處置設(shè)施由于廢物熱值不穩(wěn)定造成余熱鍋爐產(chǎn)汽不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高產(chǎn)汽的穩(wěn)定性，下一步在現(xiàn)有算法的基礎(chǔ)上還需要進(jìn)一步完善程序，提高控制的響應(yīng)速度。

Application of Three Impulse Control for Liquid Level of the Steam Drum of Waste Heat Boiler in Hazardous Waste Incineration System

Wang Luan1，Meng Fanzeng2，Zhao Jie2，Wang Lianchao2
（1.Tianjin Hejia Veolia Environmental Service Co.Ltd.，Tianjin300280；2.State Environmental Protection Engineering Center（Tianjin）for Hazardous Waste Disposal，Tianjin300280）

Starting with the theoretical formula of three impulse，we put forward the specific algorithm of three impulse and verified it in practice.The problems of unsteady steam output from steam drum of waste heat boiler，which resulted from unsteady heat value of hazardous waste were solved.The control precision of water level of steam drum was within 5 mm.The reliability ofthe algorithm wasproved.

liquid level ofthe steam drum；three impulse；algorithm；precision control；stability ofsteam production

X705

B

1005-8206（2016）05-0019-04

2016-07-11

王巒（1976—），工程師，主要從事項(xiàng)目管理、項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)。