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(dòng)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(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常生產(chǎn)運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。若水位過(guò)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(guò)低則會(huì)破壞汽水循環(huán),嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致鍋爐爆炸，所以鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。為了確保鍋爐生產(chǎn)的穩(wěn)定、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我們?cè)O(shè)計(jì)采用了性能先進(jìn)的永宏FBs-PLC、變頻調(diào)速器、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等自動(dòng)化設(shè)備組成的鍋爐PID自動(dòng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)水汽壓力、溫度，汽包液位等運(yùn)行物理量，在運(yùn)行過(guò)程中全自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證了工業(yè)鍋爐的安全穩(wěn)定高效運(yùn)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(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。為此，鍋爐生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)主要參數(shù)都必須嚴(yán)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(guó)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(lái)的爐氣(主要是SO2)溫度過(guò)高，將其作為熱交換對(duì)象，通過(guò)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(dá)到了節(jié)能降耗的目的。鍋爐是一個(gè)較為復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，為保證提供合格的蒸汽以適應(yīng)負(fù)荷的需要，與其配套設(shè)計(jì)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(diǎn)分析

    鍋爐計(jì)算機(jī)控制是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)。它是微型計(jì)算機(jī)軟、硬件、自動(dòng)控制、鍋爐節(jié)能等幾項(xiàng)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(jì)運(yùn)行，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。采用微計(jì)算機(jī)控制，能對(duì)鍋爐進(jìn)行過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等多項(xiàng)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(guò)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，雖然鍋爐汽包水位對(duì)蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性，但是在負(fù)荷(蒸氣流量)急劇增加時(shí)，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(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)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(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)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(biāo)，通過(guò)調(diào)整進(jìn)水量的多少來(lái)達(dá)到進(jìn)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(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，實(shí)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(gè)變量通過(guò)運(yùn)算后調(diào)節(jié)給水閥的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體調(diào)節(jié)過(guò)程方框圖如圖2所示。

    圖2三沖量調(diào)節(jié)方框圖

    先通過(guò)蒸汽流量變送器和給水流量變送器取得各自的信號(hào)乘以相應(yīng)的比例系數(shù)，通過(guò)比例系數(shù)可以調(diào)節(jié)蒸汽流量或給水流量對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的影響力度。通過(guò)差壓變送器取得水位信號(hào)作為主調(diào)節(jié)信號(hào)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(shí)，保證在穩(wěn)態(tài)下D×Dk=W×Wk那么就可以得到H=G。此時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出就與符合對(duì)應(yīng)，給水閥停在某一位置上。若有一個(gè)或多個(gè)信號(hào)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(dāng)水位升高了，則調(diào)節(jié)模塊的輸出信號(hào)就減小，使得給水調(diào)節(jié)閥關(guān)小。反之，當(dāng)水位降低時(shí)，調(diào)節(jié)模塊的輸出值增大，使給水閥開(kāi)大。實(shí)踐證明三沖量給水單極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能保持水位穩(wěn)定，且給水調(diào)節(jié)閥動(dòng)作平穩(wěn)。鍋爐給水系統(tǒng)中還有一個(gè)比較重要的控制回路是給水壓力回路，因?yàn)槠�包�?nèi)壓力較高，要給鍋爐補(bǔ)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(dá)到滿負(fù)荷時(shí)，對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)，用回流閥降低水壓防止爆管，現(xiàn)在一般采用通過(guò)變頻器恒壓供水的方式控制水壓。鍋爐給水量通過(guò)汽包液位調(diào)節(jié)。汽包液位測(cè)量選用浮筒液位計(jì)。為有效利用轉(zhuǎn)換廢熱，降低消耗，減低勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于整體工藝穩(wěn)定，要求汽包液位自動(dòng)控制，正常生產(chǎn)時(shí)波動(dòng)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(kāi)車正常后波動(dòng)范圍不大，可以不考慮。轉(zhuǎn)化負(fù)荷波動(dòng)、出預(yù)熱器鍋爐給水溫度變化、鍋爐負(fù)荷波動(dòng)、排污量變化這幾個(gè)因素對(duì)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(jiǎn)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(rèn)為減少給水量的波動(dòng)從而穩(wěn)定給水溫度成為該廢熱鍋爐液位控制的要點(diǎn)。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(dòng)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(fù)荷密切相關(guān)，一般是額定負(fù)荷越大前饋系數(shù)也越大。本項(xiàng)目廢熱鍋爐的額定負(fù)荷為35t／h。前饋系數(shù)按表一給定，見(jiàn)附表:

    附表前饋系數(shù)表

    投運(yùn)時(shí)首先投運(yùn)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(shí)起作用。以汽定水＋液位前饋比值控制方案調(diào)試投運(yùn)簡(jiǎn)單方便，投運(yùn)后經(jīng)負(fù)荷擾動(dòng)(產(chǎn)汽量變化)、液位擾動(dòng)(排污量變化)實(shí)驗(yàn)，抗擾動(dòng)性能良好，投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行平穩(wěn)，達(dá)到工藝要求。圖4為2.5h實(shí)時(shí)液位記錄曲線，其中記