工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動態(tài)平衡，維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運行的主要指標之一。若水位過高,影響汽水分離的效果,使用氣設備發(fā)生故障;而水位過低則會破壞汽水循環(huán),嚴重時導致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴加控制。為了確保鍋爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟運行，我們設計采用了性能先進的永宏FBs-PLC、變頻調(diào)速器、計算機應用等自動化設備組成的鍋爐PID自動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過檢測水汽壓力、溫度，汽包液位等運行物理量，在運行過程中全自動調(diào)節(jié)，保證了工業(yè)鍋爐的安全穩(wěn)定高效運行。

    1 工業(yè)鍋爐相關(guān)工藝介紹

    蒸汽鍋爐是廠礦重要的動力設備，其任務是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負荷的需要。為此，鍋爐生產(chǎn)過程的各個主要參數(shù)都必須嚴格控制。而利用余熱氣體作為熱交換介質(zhì)的余熱鍋爐在全國占有很大的比例，其節(jié)能降耗效果尤為明顯。某化工廠硫酸余熱鍋爐就是利用沸騰爐出來的爐氣(主要是SO2)溫度過高，將其作為熱交換對象，通過余熱鍋爐副產(chǎn)中壓蒸汽供各生產(chǎn)分廠使用，既保證了生產(chǎn)需要，也達到了節(jié)能降耗的目的。鍋爐是一個較為復雜的調(diào)節(jié)對象，為保證提供合格的蒸汽以適應負荷的需要，與其配套設計的控制系統(tǒng)必須滿足各主要工藝參數(shù)的需要。余熱鍋爐工藝流程如圖1所示。

    圖1余熱鍋爐工藝流程圖

    2 控制難點分析

    鍋爐計算機控制是近年來開發(fā)的一項新技術(shù)。它是微型計算機軟、硬件、自動控制、鍋爐節(jié)能等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，作為鍋爐控制裝置，其主要任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，減輕操作人員的勞動強度。采用微計算機控制，能對鍋爐進行過程的自動檢測、自動控制等多項功能。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性，但是在負荷(蒸氣流量)急劇增加時，表現(xiàn)卻類似逆響應特性，即所謂的虛假水位。造成這一原因是由于負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質(zhì)上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調(diào)整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現(xiàn)象，實際應用中可根據(jù)情況采用水位單沖量、水位蒸汽量雙沖量和水位、蒸汽量、給水量三沖量的控制系統(tǒng)。所謂三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是把給水流量W，汽包水位H，蒸汽流量D三個變量通過運算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過程方框圖如圖2所示。

    圖2三沖量調(diào)節(jié)方框圖

    先通過蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號乘以相應的比例系數(shù)，通過比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過差壓變送器取得水位信號作為主調(diào)節(jié)信號H。如果水位設定值為G，那么在平衡條件下應有D×Dk-W×Wk+H-G=0的關(guān)系式存在。其中Dk為蒸汽流量系數(shù)Wk為給水流量系數(shù)。如果再設定時，保證在穩(wěn)態(tài)下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此時調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對應，給水閥停在某一位置上。若有一個或多個信號發(fā)生變化，平衡狀態(tài)被破壞，PI調(diào)節(jié)模塊的輸出必將發(fā)生變化。當水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當水位降低時，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開大。實踐證明三沖量給水單極自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動作平穩(wěn)。鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個比較重要的控制回路是給水壓力回路，因為汽包內(nèi)壓力較高，要給鍋爐補水必須提供更高的壓力，給水壓力回路的作用是提高水壓，使水能夠正常注入汽包。但在蒸汽流量未達到滿負荷時，對給水流量的要求也不高。在老式的鍋爐系統(tǒng)中一般采用給水泵一直以工頻方式運轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過變頻器恒壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過汽包液位調(diào)節(jié)。汽包液位測量選用浮筒液位計。為有效利用轉(zhuǎn)換廢熱，降低消耗，減低勞動強度，有利于整體工藝穩(wěn)定，要求汽包液位自動控制，正常生產(chǎn)時波動應小于±5％。PID調(diào)節(jié)蒸汽出口閥可以很好的控制汽包壓力。開車正常后波動范圍不大，可以不考慮。轉(zhuǎn)化負荷波動、出預熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負荷波動、排污量變化這幾個因素對汽包液位的影響必須考慮。以汽包液位為主調(diào)參數(shù)、以給水流量為副調(diào)參數(shù)、以蒸汽流量為前饋，但調(diào)節(jié)效果很差。引起汽包液位的大起大落�？紤]到該廢熱鍋爐控制參數(shù)耦合小，流程簡單，產(chǎn)汽量也較穩(wěn)定，我們從操作人員的操作中得到啟發(fā)，認為減少給水量的波動從而穩(wěn)定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點。因此我們選用“以汽定水＋液位前饋”比值控制方案，方案框圖如圖3所示。

    圖3汽定水＋液位前饋比值控制方案框圖

    其中系數(shù)K為汽水損失率(給水流量與蒸汽流量的比值)，范圍為1.1～1.2。PID參數(shù)為P＝300％、I＝0.4、D＝0。這組PID參數(shù)可以使閥位波動幅度不大而回路有較快的跟蹤效果。液位前饋系數(shù)與鍋爐額定負荷密切相關(guān)，一般是額定負荷越大前饋系數(shù)也越大。本項目廢熱鍋爐的額定負荷為35t／h。前饋系數(shù)按表一給定，見附表:

    附表前饋系數(shù)表

    投運時首先投運給水流量單回路，調(diào)節(jié)平穩(wěn)后，再切換為蒸汽流量比值控制，液位前饋同時起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調(diào)試投運簡單方便，投運后經(jīng)負荷擾動(產(chǎn)汽量變化)、液位擾動(排污量變化)實驗，抗擾動性能良好，投運以來運行平穩(wěn)，達到工藝要求。圖4為2.5h實時液位記錄曲線，其中記