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【摘要】：75吨燃煤注汽锅投产后，实际负荷变动速率峰值高达18吨/分钟，严重偏离设计参数，通过对该炉的汽包水位自动调节、除氧器液位及蒸汽压力的控制系统进行改进，保证锅炉安全、平稳运行。
【关键词】：安全 DCS控制系统 75吨注汽锅
75吨注汽锅炉于2009年5月试运，是世界上首台应用于稠油开采领域的煤粉锅炉，它承担井楼油田5个区块27座计量站，580余口油井的注汽任务，实现了河南稠油油田注汽锅炉燃料“煤代油”的结构调整，有效降低了稠油开发的成本。75吨燃煤注汽锅炉为自然循环锅炉，采用集中下降管π型布置，它与其它工业注汽锅炉的最大不同在于它产出的是过热蒸汽，属中温高压非标锅炉。
该锅炉采用DCS控制系统，即集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。该炉自2009年7月投产后，受稠油注蒸汽开采生产工艺制约，其负荷一直处于快速、大幅波动状态，该炉的设计负荷变动速率为每分钟3%（即最大2.4吨/分钟），但在实际生产中，实际负荷变动速率峰值高达18吨/分钟，严重偏离设计参数。由于其控制系统配套原则是参考小型电站炉执行，导致该炉配套的控制系统以单冲量、单回路为主，无法适应生产负荷波动，使该炉的汽包水位自动调节系统、除氧器液位及蒸汽压力调节系统、锅炉燃烧自动调节系统等无法正常工作，致使锅炉出现除氧效果差，蒸汽超压、水位异常波动等严重影响设备安全运行的情况发生。
锅炉常发事故主要有：爆炸事故、严重缺水事故、严重满水事故、汽水共腾事故等。通过对该炉的汽包水位自动调节、除氧器液位及蒸汽压力的控制系统进行改进，保证锅炉安全、平稳运行。
一、汽包水位自动调节系统应用与改进
锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，尤其对现代锅炉而言，允许的汽包蓄水量波动也越来越小，因此必须严格控制水位在规定范围之内。
1.1单冲量控制系统存在的问题
根据电站锅炉控制系统设计相关规范，中小型机组汽包水位通常以汽包水位信号控制给水调节阀开度。单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假液位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节时能够满足生产要求。缺点是：其控制系统只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假液位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。
由于注汽锅炉蒸汽流量扰动、汽包压力扰动的频次及幅度远高于电站锅炉，一旦负荷急剧变化，虚假液位就将出现，如果采用单冲量控制，调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，不仅影响生产，也带来了严重的安全隐患。
1.2 汽包水位控制系统改进
随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求。在单回路的基础上，进行改进，组成复杂的串级控制系统。串级系统与单回路系统的区别在于串级系统可获得可测中间变量，并构成副反馈回路，可对影响中间变量的干扰进行预先调节，其主要优势为：对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力，提高了系统的工作频率，减小了对象时间常数，对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。串级控制系统与单回路相比具有较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，采用串级控制是比较理想的选择。由于锅炉汽包“虚假水位”现象的存在，为克服其造成的影响，选择三冲量控制系统方案。
串级三冲量给水控制系统就是一个有前馈补偿的串级控制系统（见图2）。系统接收3个信号：即水位H、蒸汽流量D和给水流量W。水位H是系统的被控量信号，作用于主控制器入口，用以见证水位的最终偏差，使其等于定值。相对于给水流量W而言，当水位H上升时要减小给水流量W；当H下降时，应增大给水流量W，两信号作用方向相反。
蒸汽负荷信号D是系统的前馈信号，作用于副调节器入口，形成前馈控制通道，其主要作用是为了克服虚假水位现象，减小控制过程中的水位动态偏差。相对于控制变量W而言，当D增加时，为了使水位H不变，应使给水流量W也增大；反之亦然。给水流量信号W位于内回路闭环之内，是反馈信号，该信号的主要作用在于快速平衡来自给水侧内部扰动。给水控制的任务由两个控制器来完成，主控制器采取PI控制规律，以保证水位无静态偏差，主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器；一般由副调节器采用比例规律，以保证内回路的快速性。主调节器的任务是校正水位偏差，副调节器的任务是消除因给水压力波动等因素引起的给水流量的自发扰动及当蒸汽负荷改变时迅速控制给水流量，以保持给水流量和蒸汽流量的平衡。
选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门，该方案成熟可靠，是典型的串级三冲量控制设计，在实际现场应用中最为广泛。以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”现象对自动控制的不良影响。改进后，经过反复在现场调节、整定控制回路的PID参数，使水位控制（±1.5%）满足要求。
二、除氧器自动控制策略应用与改进
除氧器是锅炉中的主要压力容器，其主要功能是除去给水中的氧气和其他非凝结气体，以提高给水及蒸汽的品质，除氧效果的好坏，直接影响锅炉及管道等设备的安全运行。
2.1 除氧器控制系统存在的问题
为保证除氧效果，除氧塔空间压力应维持在20Kpa，这就要求除氧塔的补给水流量量同上部加热蒸汽流量基本匹配，这在电站锅炉等负荷变化小的系统上易于实现，基本上手动控制即可，但在注汽锅炉上由于压力变化频繁、变化幅度大（6MPa～9MPa双向突跳），电站锅炉常用的减压装置无法保证加热蒸汽调节阀前蒸汽压力稳定，补给水量也随着负荷要求不断变化，这两个参数都处于频繁变化中，造成常规设计的“蒸汽流量跟踪除氧塔压力”的控制方式失效，致使除氧塔压力偏离工作范围，除氧效果下降。
2.1 除氧器控制系统改进
针对除氧器蒸汽压力扰动，定制了进口蒸汽减压温压装置，首先稳定上部加热蒸汽流量调节阀前的蒸汽压力，使调节阀输出的蒸汽流量同其开度有稳定的线性关系。
在原“蒸汽流量跟踪除氧塔压力”的基础上，将补给水流量变化信号作为前馈环节叠加到蒸汽调节阀的调节过程上，使该阀在除氧塔压力变化前执行预动作，从而保证控制过程的平稳性。
将单冲量水位控制系统改为两冲量控制系统，即采用给水流量、除氧器液位联合控制除氧器入水流量。
三、结论与认识
1.通过对汽包水位自动调节系统应用与改进满足锅炉安全运行要求，汽包水位计量误差为±1.5%。
2. 除氧器自动控制策略改进后除氧器液位、压力控制能满足运行要求，除氧水含氧量约14微克/升，控制系统运行稳定。保证了锅炉安全平稳运行。
【关键词】：安全 DCS控制系统 75吨注汽锅
75吨注汽锅炉于2009年5月试运，是世界上首台应用于稠油开采领域的煤粉锅炉，它承担井楼油田5个区块27座计量站，580余口油井的注汽任务，实现了河南稠油油田注汽锅炉燃料“煤代油”的结构调整，有效降低了稠油开发的成本。75吨燃煤注汽锅炉为自然循环锅炉，采用集中下降管π型布置，它与其它工业注汽锅炉的最大不同在于它产出的是过热蒸汽，属中温高压非标锅炉。
该锅炉采用DCS控制系统，即集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。该炉自2009年7月投产后，受稠油注蒸汽开采生产工艺制约，其负荷一直处于快速、大幅波动状态，该炉的设计负荷变动速率为每分钟3%（即最大2.4吨/分钟），但在实际生产中，实际负荷变动速率峰值高达18吨/分钟，严重偏离设计参数。由于其控制系统配套原则是参考小型电站炉执行，导致该炉配套的控制系统以单冲量、单回路为主，无法适应生产负荷波动，使该炉的汽包水位自动调节系统、除氧器液位及蒸汽压力调节系统、锅炉燃烧自动调节系统等无法正常工作，致使锅炉出现除氧效果差，蒸汽超压、水位异常波动等严重影响设备安全运行的情况发生。
锅炉常发事故主要有：爆炸事故、严重缺水事故、严重满水事故、汽水共腾事故等。通过对该炉的汽包水位自动调节、除氧器液位及蒸汽压力的控制系统进行改进，保证锅炉安全、平稳运行。
一、汽包水位自动调节系统应用与改进
锅炉汽包水位是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，尤其对现代锅炉而言，允许的汽包蓄水量波动也越来越小，因此必须严格控制水位在规定范围之内。
1.1单冲量控制系统存在的问题
根据电站锅炉控制系统设计相关规范，中小型机组汽包水位通常以汽包水位信号控制给水调节阀开度。单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假液位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节时能够满足生产要求。缺点是：其控制系统只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假液位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。
由于注汽锅炉蒸汽流量扰动、汽包压力扰动的频次及幅度远高于电站锅炉，一旦负荷急剧变化，虚假液位就将出现，如果采用单冲量控制，调节器就会误以为液位升高而关小供水阀门，不仅影响生产，也带来了严重的安全隐患。
1.2 汽包水位控制系统改进
随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求。在单回路的基础上，进行改进，组成复杂的串级控制系统。串级系统与单回路系统的区别在于串级系统可获得可测中间变量，并构成副反馈回路，可对影响中间变量的干扰进行预先调节，其主要优势为：对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力，提高了系统的工作频率，减小了对象时间常数，对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力。串级控制系统与单回路相比具有较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，采用串级控制是比较理想的选择。由于锅炉汽包“虚假水位”现象的存在，为克服其造成的影响，选择三冲量控制系统方案。
串级三冲量给水控制系统就是一个有前馈补偿的串级控制系统（见图2）。系统接收3个信号：即水位H、蒸汽流量D和给水流量W。水位H是系统的被控量信号，作用于主控制器入口，用以见证水位的最终偏差，使其等于定值。相对于给水流量W而言，当水位H上升时要减小给水流量W；当H下降时，应增大给水流量W，两信号作用方向相反。
蒸汽负荷信号D是系统的前馈信号，作用于副调节器入口，形成前馈控制通道，其主要作用是为了克服虚假水位现象，减小控制过程中的水位动态偏差。相对于控制变量W而言，当D增加时，为了使水位H不变，应使给水流量W也增大；反之亦然。给水流量信号W位于内回路闭环之内，是反馈信号，该信号的主要作用在于快速平衡来自给水侧内部扰动。给水控制的任务由两个控制器来完成，主控制器采取PI控制规律，以保证水位无静态偏差，主调节器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器；一般由副调节器采用比例规律，以保证内回路的快速性。主调节器的任务是校正水位偏差，副调节器的任务是消除因给水压力波动等因素引起的给水流量的自发扰动及当蒸汽负荷改变时迅速控制给水流量，以保持给水流量和蒸汽流量的平衡。
选用总给水阀门作为汽包水位控制阀门，该方案成熟可靠，是典型的串级三冲量控制设计，在实际现场应用中最为广泛。以锅炉汽包水位测量信号作为主控制信号，构成主调节回路，以蒸汽流量信号作为前馈信号，构成前馈调节回路，总给水流量作为串级信号，构成副调节回路，由主调节回路、前馈调节回路、副调节回路来共同构成锅炉汽包水位串级三冲量自动控制系统。引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假液位”现象对自动控制的不良影响。改进后，经过反复在现场调节、整定控制回路的PID参数，使水位控制（±1.5%）满足要求。
二、除氧器自动控制策略应用与改进
除氧器是锅炉中的主要压力容器，其主要功能是除去给水中的氧气和其他非凝结气体，以提高给水及蒸汽的品质，除氧效果的好坏，直接影响锅炉及管道等设备的安全运行。
2.1 除氧器控制系统存在的问题
为保证除氧效果，除氧塔空间压力应维持在20Kpa，这就要求除氧塔的补给水流量量同上部加热蒸汽流量基本匹配，这在电站锅炉等负荷变化小的系统上易于实现，基本上手动控制即可，但在注汽锅炉上由于压力变化频繁、变化幅度大（6MPa～9MPa双向突跳），电站锅炉常用的减压装置无法保证加热蒸汽调节阀前蒸汽压力稳定，补给水量也随着负荷要求不断变化，这两个参数都处于频繁变化中，造成常规设计的“蒸汽流量跟踪除氧塔压力”的控制方式失效，致使除氧塔压力偏离工作范围，除氧效果下降。
2.1 除氧器控制系统改进
针对除氧器蒸汽压力扰动，定制了进口蒸汽减压温压装置，首先稳定上部加热蒸汽流量调节阀前的蒸汽压力，使调节阀输出的蒸汽流量同其开度有稳定的线性关系。
在原“蒸汽流量跟踪除氧塔压力”的基础上，将补给水流量变化信号作为前馈环节叠加到蒸汽调节阀的调节过程上，使该阀在除氧塔压力变化前执行预动作，从而保证控制过程的平稳性。
将单冲量水位控制系统改为两冲量控制系统，即采用给水流量、除氧器液位联合控制除氧器入水流量。
三、结论与认识
1.通过对汽包水位自动调节系统应用与改进满足锅炉安全运行要求，汽包水位计量误差为±1.5%。
2. 除氧器自动控制策略改进后除氧器液位、压力控制能满足运行要求，除氧水含氧量约14微克/升，控制系统运行稳定。保证了锅炉安全平稳运行。