余热锅炉汽包液位三冲量控制在危险废物焚烧系统中的应用

王　峦，孟繁增，赵　杰，王连超

（1.天津滨海合佳威立雅环境服务有限公司，天津300280；2.国环危险废物处置工程技术（天津）有限公司，天津300280）

余热锅炉汽包液位三冲量控制在危险废物焚烧系统中的应用

王峦1，孟繁增2，赵杰2，王连超2

（1.天津滨海合佳威立雅环境服务有限公司，天津300280；2.国环危险废物处置工程技术（天津）有限公司，天津300280）

从三冲量的理论公式入手，给出了三冲量的具体算法，并在实践中进行了验证，解决了危险废物焚烧由于废物热值不稳定造成余热锅炉汽包蒸汽产量不稳定的问题，使汽包水位的控制精度达到了±5 mm之内，证明了算法的可靠性。

汽包液位；三冲量；算法；精度控制；产汽稳定性

目前用于处理危险废物焚烧处置的主工艺流程包括废物焚烧、余热回收利用、尾气处理3大部分内容。根据《危险废物集中焚烧处置工程建设技术规范》中对危险废物焚烧工艺的要求，焚烧后产生的烟气进入余热回收装置，而余热锅炉是危险废物焚烧处置设施中最常用的余热回收装置。在实际设计中根据生产工艺的需要，余热锅炉可以设计为产生饱和蒸汽的饱和蒸汽锅炉和产生过热蒸汽的过热蒸汽锅炉。在余热锅炉的控制中，锅炉汽包液位的控制是评价锅炉控制系统控制效果的一个重要指标，稳定的汽包液位控制可以提高产出蒸汽的稳定性和品质。

1　汽包液位的调节方式

对于一般的锅炉装置而言，稳定的汽包液位控制则要求锅炉运行中的燃烧稳定和负荷稳定。稳定的燃烧就是要稳定的控制燃料的进料量，稳定的负荷则要求蒸汽使用部门在使用中通过规范的操作控制蒸汽的使用变化速率，对蒸汽的使用变化要平稳不要出现过大的波动。对于稳定的负荷而言，一般锅炉装置和危险废物焚烧装置余热锅炉所面临的问题是一样的，对于一定能力的锅炉只能通过标准的操作规程对蒸汽使用部门进行要求和培训。对于燃烧稳定而言，由于危险废物装置的余热锅炉与一般锅炉装置具有较大的区别，一般锅炉装置采用的是热值比较稳定的燃料，而危险废物焚烧装置的燃料是各种各样的危险废物，热值不稳定，因此在处置过程中要根据炉膛内的燃烧情况调整风量、废物停留时间等参数，这就造成了危险废物余热锅炉蒸汽产量的不稳定性。如何通过适当的锅炉汽包液位控制方式，最大限度地使危险废物余热锅炉蒸汽产量稳定是需要解决的问题。锅炉汽包液位的控制一般分为单冲量和三冲量2种方式。

单冲量控制就是以汽包液位实际测量值作为实际液位，将汽包液位期望控制值作为给定值，锅炉给水调节阀作为执行机构。在控制过程中以锅炉汽包液位实际值和给定值之间的差值作为测量偏差，通过PID控制算法计算出锅炉给水调节阀的开度，并进行控制，从而到达控制汽包液位的目的。单冲量控制的特点是控制程序编制简单，但对于负荷变化较大的场合容易造成汽包液位的不稳定，调节精度也不高。其控制程序和流程见图1～2。

图1　单冲量控制程序

图2　单冲量流程

三冲量控制就是通过蒸发量、汽包需求、炉需求水量之间的水平衡关系作为控制的基本原理，即锅炉需求水量等于蒸发量与汽包需求水量之和，即Q锅炉需求水量=Q蒸发量+Q汽包需求水量。

其控制程序和流程见图3～4。

图3　三冲量控制程序

图4　三冲量流程

通过程序可以看出三冲量的控制实际上是一个双闭环的控制系统，外环通过汽包液位的测量值作为实际液位值，期望液位值作为给定值计算出汽包需求水量，汽包的需求水量与实际测量的蒸发量计算得出锅炉需求水量，计算出的锅炉需求水量作为内环的给定值与通过流量计测得的锅炉实际给水流量值之间的差值作为测量偏差，通过PID控制算法计算出锅炉给水调节阀的开度，并进行控制，从而达到通过内环控制给水流量，使外环的汽包液位稳定的目的。

2　三冲量控制的实现

实现三冲量的关键是通过测量仪表在软件中计算出蒸发量、汽包需求水量，再通过水平衡关系式计算出锅炉需求水量。

2.1锅炉蒸发量Q蒸发量的计算

在工程设计中锅炉的蒸汽流量通过涡街流量计进行测量，涡街流量计测量的值为蒸汽的体积流量，体积流量需要通过温度和压力的补偿换算为质量流量，所换算的质量流量即为锅炉的蒸发量Q蒸发量。

质量流量和体积流量的换算公式为：

式中：ρ为蒸汽密度（kg/m3）。

2.1.1对于饱和蒸汽

式中：ρ为饱和蒸汽密度（kg/m3）；P为工况下表压力（MPa）。

该式的适用范围为P≤2.5 MPa。

2.1.2对于过热蒸汽

式中：ρ为过热蒸汽密度（kg/m3）；P为工况下表压力（MPa）；t为工况下温度（℃）。

该式的适用范围为P=0.1～2.5MPa；t=120～600℃。

2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的计算

汽包需求水量就是要计算出汽包内现有液位下液体的质量与汽包期望液位下液体的质量之间的差值，在工程设计中汽包的液位可以通过液位变送器进行测量，因此汽包体积的计算要根据测量的液位计算得出，需要建立汽包液位和汽包体积的函数关系式。汽包是由圆柱形的直筒段体和标准封头组成，汽包体积的计算就是要分别计算出圆柱形的直筒段V1和封头V2的体积，见图5。

图5　汽包结构示意

2.2.1汽包液位和体积之间的函数关系式

2.2.1.1圆柱形直筒段体积V1的计算

圆柱体体积V1（见图6）的计算根据高等数学中平行截面积已知立体的体积计算方法进行计算。

图6　汽包圆柱形直筒段结构示意

1）截面积S的计算。

2）圆柱体体积V1的计算。

经整理后：

2.2.1.2椭圆封头体积V2的计算

根据JB/T 4746—2002钢制压力容器用封头标准中椭圆形封头分为直边和椭圆部分，直边部分的体积计算可以按照圆柱体的体积计算公式计算，椭圆部分（见图7）体积的计算根据高等数学中平行截面积已知的立体的体积计算方法进行计算。

图7　汽包椭圆封头结构示意

1）截面积的计算。

根据几何关系得出：

根据椭圆的面积公式：

2）椭圆封头体积的计算。

经整理后：

2.2.1.3汽包体积的计算

2.2.2汽包需求水量Q汽包需求水量的计算

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

式中：ρ为汽包内水的密度（kg/m。

2.3锅炉需求水量Q锅炉需求水量的计算

根据Q锅炉需求水量=Q蒸发量+Q汽包需求水量计算出锅炉需求水量作为三冲量内环调节的给定值。

3　三冲量的投入效果

根据三冲量的算法编制了汽包液位控制程序，在控制汽包给定液位在20 mm的情况下通过单冲量-三冲量控制曲线的记录可以分析其控制效果。在曲线中黑色线为汽包液位（图8显示量程-50～50 mm），棕色线为换算后的蒸汽流量（图8显示量程0～20 t/），蓝色线为换算前的蒸汽体积流量（图8显示量程0～20 000 m3/h），在10∶00前汽包液位控制为单冲量，在单冲量运行中汽包液位的控制范围为5～30 mm，蒸汽流量为7～15t/h，控制曲线处于在一定的范围内振荡稳定的情况，在10∶00后汽包液位控制改为三冲量，在10∶00—12∶00作为控制的调整期，汽包液位和蒸汽流量的波动范围逐步趋于稳定，在12∶00之后汽包液位的控制范围为（20±5）mm，蒸汽流量稳定在7 t/h左右，在14∶00

系统出现扰动时，通过曲线可以看出系统在10 min左右就能够调整稳定。因此三冲量的控制效果明显地高于单冲量的控制效果。

图8　单冲量-三冲量控制曲线

4　结束语

通过三冲量控制算法的应用解决了危险废物焚烧处置设施由于废物热值不稳定造成余热锅炉产汽不稳定的问题，提高产汽的稳定性，下一步在现有算法的基础上还需要进一步完善程序，提高控制的响应速度。

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

王峦（1976—），工程师，主要从事项目管理、项目运营和生产。