工業(yè)蒸汽鍋爐汽包水位控制的任務(wù)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(shè)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(shè)計采用了性能先進的永宏FBs-PLC、變頻調(diào)速器、計算機應(yīng)用等自動化設(shè)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(shè)備，其任務(wù)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(yīng)負荷的需要，與其配套設(shè)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(wù)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)定值為G，那么在平衡條件下應(yīng)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(shè)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(yīng)，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(yīng)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。考慮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