锅炉汽包三冲量DCS控制系统的设计

2015-01-13徐雅兰

化工自动化及仪表 2015年7期

徐雅兰

(四川七化建化工工程有限公司, 成都 610100)

某公司2.4亿Nm3/a焦炉煤气制液化天然气装置，整个装置工艺生产过程有易燃、易爆、有毒及连续化生产等特点。原料气储存、增压、净化处理及甲烷化等工艺过程控制采用集散型控制系统(Distributed Control System)，将所有重要的工艺参数引至控制室DCS内进行监视、控制。调节系统繁多，有简单的PID控制，也有较为复杂的分程控制、串级控制，还有复杂回路三冲量控制。其中甲烷化工序的锅炉汽包是本装置的重要设备之一，汽包液位是锅炉运行中的一个重要监控参数，对其实时准确地控制能确保甲烷化工序的稳定、安全运行。笔者主要介绍锅炉汽包三冲量DCS控制系统的设计。

由于引起汽包水位变化的因素非常多，如锅炉负荷、燃烧工况、给水压力以及汽包特有的虚假液位等现象，简单的回路控制难以满足其对控制的要求，引用三冲量串级调节势在必行。因此在2.4亿Nm3/a焦炉煤气制液化天然气装置中，为了准确安全地对汽包进行控制，采用了三冲量串级控制，与和利时DCS软件的优势结合，使组态和控制达到要求[1]。

汽包三冲量控制系统工艺仪表流程如图1所示。

图1 工艺仪表流程

三冲量给水控制方案是一个多变量串级控制系统，一般三冲量控制是针对汽包进行调节的，三冲量就是3个测量参数(汽包液位、给水流量和蒸汽流量)。其中以汽包液位作为主控信号，蒸汽流量信号作为前馈信号，给水流量信号作为反馈信号，构成一个前馈-反馈负荷控制系统。

从物质平衡的观点出发，只要给水流量和蒸汽流量的比值保持不变，就等于保证了汽包液位稳定不变。因为蒸汽流量是引起液位变化的一个因素，是重要的干扰因素，当蒸汽流量发生变化时，采用比值控制系统使得给水流量跟踪蒸汽流量作相应变化，保证汽包液位稳定，这就是一个典型的前馈控制系统。而从反馈控制的思想出发，将汽包液位信号作为被调量，对给水流量进行调节，构成单回路反馈控制系统。三冲量控制系统将前馈和反馈系统结合起来，极大地提高了液位控制效果。当蒸汽流量突然增大时，按比值控制要求给水流量加大，然而形成的水泡现象使得汽包出现了假液位暂时升高，又要求系统调节器减少给水量。实际的给水量取决于系统的参数设定，得到合理的平衡，这样就能很快削弱虚假液位，使蒸汽流量和汽包液位能正确地进行调节。三冲量给水控制方案如图2所示。

图2 三冲量给水控制方案框图

2 汽包液位测量方法

汽包液位的准确测量是确保汽包安全工作的重要条件之一。锅炉汽包属于压力容器，其内部压力比较大，而液位允许的波动范围比较小，这就决定了汽包液位测量的重要性和复杂性。根据工艺仪表流程图可以看出设计已将液位低低作为了紧急停炉的一个主要条件，为此，对于汽包液位的测量一般同时采用多种方法来确保结果的准确性[2]。

2.1 平衡容器与差压变送器配套测量

根据液体静力学原理，通过测量变动液位和恒定液位之间的静压差，将差压信号通过差压变送器线性转换为4～20mA直流电信号值进入DCS系统供显示、控制之用。由于汽包液位与汽包压力密切相关，现普遍采用具有汽包压力补偿作用的平衡容器和差压变送器配套测量，原理如图3所示。

图3 差压法测量汽包液位原理图

2.2 内置电极传感器测量

汽包液位内置电极传感器是根据多年实践经验研制的一种新型测量高温高压容器内水位的装置，已经获得了国家发明专利。该液位测量装置首次将超纯陶瓷电极传感器置于汽包内，利用汽、水导电度的差异来判断水位变化情况，再利用铠装导线和机械密封以及补救泄漏的措施解决了其密封、绝缘问题，实现了直接测量汽包液位的目的。该液位计成为汽包液位测量的基准表和实验仪表，不仅精确度高，而且安全可靠。

2.3 玻璃管液位测量

玻璃管液位计一般就是就地指示仪表，结构简单，价格低廉。它是将汽包液位和玻璃管液位计连通，通过观察玻璃管液位得知汽包液位。

3 蒸汽流量和给水流量的测量

蒸汽流量和给水流量一般都采用差压法进行测量，使用标准节流装置，然后对流量进行温度或压力补偿，从而得到准确的流量数据。再通过差压变送器线性转换为4～20mA直流电信号值进入DCS系统供显示和控制之用。

4 DCS系统设计

2.4亿Nm3/a焦炉煤气制液化天然气装置采用和利时的DCS控制系统，主要由工程师站、操作站和控制站组成。在DCS组态过程中，主要包括I/O卡的配置、方案控制图、流程图显示及趋势图等。首先根据现场变送器的信号类型来选择匹配的I/O卡，将现场信号引入DCS系统中,然后根据功能块编制控制方案。

汽包液位采用3个液位计LT02131A/ LT02131B/ LT02131C，通过三选二，再平均的液位作为控制输入信号，然后进入主调节器LC02131。蒸汽流量经过温压补偿运算后送入主调节器LC02131，形成前馈控制。主调节器的输出作为副调节器FC02302的设定值，构成串级控制系统，输出控制给水调节阀FV02132。