汽包三冲量控制与DCS实现

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:deqiangranran
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  摘要: 本文详细地介绍了蒸汽负荷和给水流量的突然变化对高压汽包液位的影响,对传统的三冲量控制方案及的控制性能,并给出了三冲量控制系统的构成及其DCS组态,从而较好地改善了高压汽包运行状况,实现高压汽包安全、平稳的运行。
  关键词: 中压汽包;假液位;双室平衡器;蒸汽压力补偿;三冲量控制;DCS组态
  中图分类号:TV734文献标识码: A
  汽包水位是汽包运行的主要指标,水位过高会影响汽包的汽水分离,增加蒸汽携带的水份,汽水品质恶化,导致透平进水,损坏叶片。水位过低,则由于汽包内的水量较少而负荷却很大,水的汽化速度又快,因而汽包内的水量变化速度很快,破坏汽包与水冷壁间的水循环,如不及时控制就会使汽包内的水全部汽化。导致汽包破坏或爆炸。因此,汽包水位的控制是保证汽包安全运行的最重要条件之一。
  
  1、汽包水位的动态特性分析
  蒸汽负荷(蒸汽流量)对水位的影响 在传热过程不变的情况下,当出口蒸汽用量突然增加,瞬间必然导致汽包压力下降,汽包内水的沸腾加剧,水中气泡迅速增加,使得汽化量突然增多,将整个水位抬高,形成假上升液位现象。
  在蒸汽流量干扰下,水位变化的阶跃响应曲线如图1(a)所示。
  
  P
   图1(a) 图1(b)
  
  当蒸汽流量突然增加时,由于假水位现象,在开始阶段水位不仅不会下降,反而先上升,然后下降(反之,当出口蒸汽流量突然减少时,则水位先下降,
  然后上升
  蒸汽流量突然增加时,实际水位的变化H,是不考虑水面下气泡容积变化时的水位变化H1,与只考虑水面下气泡容积变化所引起水位变化H2的叠加,
  即 H=H1+H2 。
  给水流量对水位的影响 当给水流量突然增大时,由于在这个时间内烟气传给汽包的热量不变,给水温度又有比汽包内的饱和水温度低,致使汽包中气泡含量减少,导致水位虚假下降,因此实际水位响应曲线如图1(b)中H线所示,并非H1线。即当突然加大给水量后,汽包水位一開始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。
  1.1 传统控制方案及其缺陷
  汽包水位的控制手段就是控制给水,传统的单冲量(汽包水位)控制系统和双冲量(汽包水位和蒸汽流量)控制系统其本身都有不可克服的缺陷。 就单冲量控制系统而言,当蒸汽负荷突然增大,由于假水位现象,控制器不但不能开大给水阀增加给水量,而是关小控制阀,减少给水量,等到假水位消失后,由于蒸汽量增加,送水量反而减少,将使水位严重下降,波动很厉害,甚至会使汽包水位将到危险程度,以至发生事故。 双冲量控制系统就是在单冲量控制系统的基础上将蒸汽流量信号引入。将蒸汽流量信号引入就可根据蒸汽流量来起校正作用,纠正假水位引起的误动作,使控制阀的动作十分及时,从而减少水位的波动。但双冲量控制系统还有两个缺点:控制阀的工作特性不一定成为线性,要做到静态补偿比较困难;对于给水系统的干扰仍不能克服。
  1.2采用三冲量控制方案对传统控制方案的改进
   三冲量控制系统的组成
  由于单冲量和双冲量控制系统本身的缺陷,汽包液位控制中就采用三冲量控制系统。该控制系统就是在双冲量控制系统的基础上引入给水流量信号,利用水位、蒸汽流量和给水流量三个参数进行液面控制。在这个控制系统中,汽包水位是被控量,是主冲量信号;蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号。该控制系统实质上就是前馈加反馈控制系统,它能有效地克服假液面和给水干扰对控制系统的影响。
  
  控制系统如图2所示。
  
  图2
  图中:LT:汽包液位测量变送器
  F1T:中压蒸汽流量测量变送器
  F2T:锅炉给水流量测量变送器
  FV:锅炉给水调节阀
  LC:汽包液位控制器
  FC:锅炉给水控制器
  
  由图中可以看出,中压蒸汽流量经F1T测定线性化后,送到加法器,与液面控制器LC的输出相加后送到锅炉给水流量控制器FC作为它的给定值。给水流量控制器FC将该给定值与给水流量进行运算后输出信号控制给水流量阀FV。控制系统的方块图如图3所示:
  
  
  图3 三冲量控制系统方块图
  2、对液位测量方式的改进
  
  汽包水位是锅炉及其控制系统中最重要的参数之一,双室平衡容器在其中充当着不可或缺的重要角色。但是由于一些用户对于双室平衡容器及其测量补等方面缺少全面的必要的了解或者疏漏,致使应用中时有错误发生,甚至形成安全隐患。
  2.1 双室平衡容器的工作原理
  双室平衡容主要结构如图4所示。在基准杯的上方有一个圆环形漏斗结构将整个双室平衡容器分隔成上下两个部分,它们分别命名为凝汽室、基准杯、溢流室和连通器。
  
  
  图4 双室平衡容主要结构图
  
  2.2 差压的计算
  凝汽室、基准杯及其底部位于容器内部的导压管中的介质温度与汽包中的介质温度是相等的,即γw=γ`w,γs=γ`s。故而不难得到容器所输出的差压。以测量范围为±300mm双室平衡容器为例加以介绍(如图4所示)。
  通过图4可知,容器正压侧输出的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力,加上基准杯口至L形导压管的水平轴线之间这段垂直区间的凝结水压力,再加上L形导压管的水平轴线至连通器水平轴线之间,位于容器的外部的这段垂直管段中的介质产生的压力。显而易见,其中的最后部分压力,由于其中的介质为静止的且距容器较远,因此其中的介质密度应为环境温度下的密度。因此
  P+= PJ +320 γ   w+(580-320) γ     c
  式中P+ —— 容器正压侧输出的压力
       γ w —— 容器中的介质密度(γ  w= γ `w)
  γ  c —— 环境温度下水的密度
  PJ —— 基准杯口以上总的静压力
  负压侧的压力等于基准杯口所在水平面以上总的静压力,加上基准杯口水平面至汽包中汽水分界面之间的饱和水蒸汽产生的压力,再加上汽包中汽水分界面至连通器水平轴线之间饱和水产生的压力,即
  P-= PJ+(580-hw) γ  s + hwγw
  式中P-—— 容器负压侧输出的压力
  hw —— 汽水分界线至连通器水平管中心线之间的垂直高度
  γ    s —— 汽包中饱和水蒸汽的密度
  因此差压
  ΔP=P+-P-=320 γw+260 γ  c-(580-hw) γ s-hwγw
  即   ΔP=260 γ  c + 320 γw-580 γ    s-(γw-γ   s)hw             (1)
  本文的例子中容器的0水位位置位于连通器水平管轴线以上365mm处。由于该容器的量程为±300mm,因此(1)式中的hw的最大值和最小值分别为665mm和65mm。如果采用压力补偿,从《饱和水与饱和水蒸汽密度表》中查出100℃时的饱和水与饱和水蒸汽的密度代入(1)式,再分别将665mm和65mm代入(1)式,即得最小差压
  ΔPmin=-70.5mm水柱
  和最大差压
  ΔPmax=504mm水柱
  如果采用温度补偿,且从0℃开始补偿,则由于水的密度极其接近1mg/mm3,误差可以忽略,令蒸汽的密度为0。用同样方法即可得到变送器的量程为-85~515mm水柱(实际上,从0℃开始补偿是完全没有必要的,其原因这里无需遨述。
  综上所述,双室平衡器的设计,在最大程度上模拟汽包内的环境,减小外部环境对测量导管内液体密度的影响,从而最大限度的减小测量误差。在实际应用中(中压汽包),只要有一种方法能够恒定仪表导管内液体的密度、高度保持不变,就可以取消双室平衡器,直接对汽包内液位进行测量,更加减少了测量环节由于外部环境的干扰而带来得影响。如图5所示:
  
  
  图5采用隔离罐的测量方式
  
  在图5中,应用两个隔离容器来代替原来的双室平衡器,在隔离容器和仪表导压管内罐装已二醇液体,只要保证隔离容器与汽包的距离足够远,使得隔离容器温度能
  够保证在20—60度之间,经过实验和分析,就能基本保证测量误差在允许的范围内,在应用过程中也得到了证实,当然,也局限在了低压和中压汽包并且汽包压力不会大幅度波动的场合。
  
  3、饱和蒸汽的压力补偿
  
  在蒸汽流量的测量中,由于汽包压力的变化,给流量测量结果造成很大的误差,为了在三冲量控制方案中减小波动,提高系统的稳定性,有必要对蒸汽的测量结果进行压力补偿。
  3.1 通常的补偿方式有传统的公式补偿方法,如:
  ρ=(15/16)*ρs/Ps(p+(1/15)* Ps)
  另外,又有很多采用拟合的方法得出饱和蒸汽密度补偿的数学模型,其方法如:
  线性拟合
  抛物线拟合
  三次多项式拟合等
  在采用抛物线拟合方式,压力范围在4—5MPA时,有如下的密度补偿数学模型:
  Y=0.0952X2+4.4047X+0.9479
  多方的实验表明抛物线拟合方式得出的结果误差更加小。
  3.2 三冲量控制的数学模型
  
  影响水位的因素主要有:
  
  (1)流出汽包的蒸汽流量
  (2)放水或排污量  
  (3)进入汽包的给水流量
  根据图2有下面的三冲量调节系统的联接图:
  
  
  
  图6 三冲量调节系统的联接图
  在上图中,加法器的运算结果P0 作为副回路给水流量的外给定值。
  
  加法运算器的输出为:
  P0 =C0+C1PC+C2PF
  式中:
  PC--液位调节器的输出
  PF –-蒸汽流量变送器的输出
  C0--初始偏置值
  C1、C2--加法器的系数
  C0 是一个恒值,设置C0的目的是在正常负荷下,使调节器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。希望能在正常负荷下C0值与C2PF项恰好抵消。
  C1通常可取1或稍小于1的数值。不难看出C1与调节器的放大倍数的乘积相当于简单调节系统中调节器放大倍数KC的作用。
  C2的数值应考虑到起静态补偿作用。因此,如在现场凑试,应在只有负荷干扰的条件下,调整到水位基本不变。如果有调节阀特性数据,进行计算也不难。设阀门的工作特性是线性的,它的放大倍数是;
  KV=△QW/ΔP
  式中:ΔQW ----给水流量变化量
  ΔP ----调节阀输入信号变化量
  C2项取正号还是去取负号,要根据调节阀的气开、气关方式而定。调节阀从安全角度选定后,再从补偿角度考虑正负号。在整齐流量加大时,为保持水位一定,给水流量也要加大,如采用气关阀,为使调节阀开大一些,应减小P0,从式中可以看出项应取负号。
  液位调节器与流量调节器的参数整定方法与一般串级调节系统相同。
  4、三冲量控制系统的DCS组态
  以催化装置外取热汽包三冲量控制为例,在横河DCS之CS3000系统上功能模块组台方块图。
  功能块说明:
  FP1802:用于FI1802蒸汽流量的压力补偿
  AD1802、SUB1802:用于P0 =C0+C1PC+C2PF 的计算,其计算结果取增量作为LIC1801的输出增量。
  功能块的连接 功能块的连接如图7所示
  
  
  圖7 三冲量控制系统功能块的连接
  
  说明:LIC1801(V1401液位)与FIC1801(V1401给水)串级或三冲量控制
  
  
  其中:GN1=0,BS1=0,C0=BIAS,C1=GAIN,RV=AD1802.IN
  
  5、 结果与讨论
  
  应用三冲量控制系统极大地提高了控制系统的性能,改善了中压汽包的运行状况,使中压汽包的液位波动很小,液位控制非常平稳。但尽管三冲量控制是汽包液位理想的控制手段,但常常由于外界不可预知的因素(比如变送器故障、电缆接地、检测元件失灵等)导致液位控制失灵,不及时发现还会出现重大安全事故,因此,还要安装汽包液位联琐保护系统,这样能够在控制系统失灵的情况下保证汽包的安全,实现汽包的安全运行。
  
  Abstract: This paper describes in detail about the effect on the high pressure steam drum result from the sudden change of steam load and feed water flow. For traditional three-element Control philosophy and the controlperformance, the constitution of three-element Control system and the DCSconfiguration are provided in this paper, which will better improve HP stream drum running condition andrealize safe and steady operation.
  参考文献:
  流量测量及补偿技术化学工业出版社
  横河 CS3000 DCS系统技术手册
  冲量控制在高压汽包中的应用郝晓弘,刘忠,王昕,徐维涛兰州理工大学
  双室平衡容器汽包水位测量及其补偿系统的应用作者:吴业飞 时敏
  作者简介:
  李炳旗:(1976年4月)男,河北省石家庄市,中级职称,大学本科,2005年毕业于河北大学,主要从事工业自动化工作。
  李仲秋(1976—)女,黑龙江大庆,工程师,本科学历,主要从事工业自动化及信息技术工作。
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