优化汽包液位测量

如何控制汽包液位以最大限度地提高稳定性和响应性?最好的方法是将蒸汽流量前馈(FF)到液位比例积分导数(PID)回路，并将该回路的输出级联到锅炉给水(BFW)流量回路的设定值。

这种安排被称为“三元汽包液位控制”(3E)，因为该算法使用液位、BFW流量和蒸汽流量。

当流量过低或质量差时，应使用“单元件”(1E)控制。1E是一个简单的PID回路，电平为PV，输出到阀，没有FF。关于这个主题的更多信息，请阅读:“高级PID回路调优”，了解有关PID回路定义、调优建议和通用编程方法的更多信息。

液位测量与选择

参见创新控制的其他信息，“蒸汽鼓液位测量的密度补偿”。

通常，鼓有两个电平变送器，通常在两端各一个。通常情况下，应该对这些进行平均，并将该平均值作为过程变量发送到液位pid。然而，如果其中一个质量差，被吹倒(见下文)，或者不值得信赖，则另一个应单独用作液位循环的过程变量(PV)。有三个电平变送器的系统应该使用中位数而不是平均值，或者如果只有一个是好的，则使用好的。

液位报警和跳闸

通常，鼓也有一组电平开关用于报警目的。这些开关用于跳闸目的的使用取决于燃烧器管理系统(BMS)的存在、数量和类型、尺寸、燃料类型、排污阀和旁路按钮(PB)的布置等。对于燃烧控制系统(CCS)，三分之二(2003)投票是标准的。这意味着如果一组开关和两个变送器中的两个指示HI-HI或LO-LO状态，系统应该跳闸。如果只有一个指示跳闸情况，则应发出警告，但不应发生跳闸。然而，bms通常只在交换机上跳闸。

1E和3E PID块

从理论上讲，对于1E和3E电平控制使用相同的PID块是可能的，但是您需要为不同的模式使用不同的调谐设置。更重要的是，在1E和3E之间的平稳转移将是困难的。

一个更好的方法是有三个PID块:

• LIC- 1e:单元件控制电平指示控制器(LIC)。
• li - 3e:三元主电平指示控制器。
• FIC:三元从流指示控制器(FIC)。

FIC从LIC-3E获得设定值。为了实现无颠簸传输，在1E模式下，3E环路应跟踪如下:

• FIC的OP跟踪LIC-1E的OP (OP是输出)。
• FIC的SP跟踪其PV(在1E中，如果FIC是手动的)。(SP为设定值。)
• LIC-3E的OP跟踪FIC的SP(在1E中以及任何时候FIC在手动或本地)。
• LIC-3E的SP跟踪LIC-1E的SP。

在3E模式下，1E环路的轨迹如下:

• LIC-1E的SP跟踪LIC-3E的SP。
• LIC-1E的OP跟踪FIC-3E的OP。

通常情况下，我会配置系统，使3E回路始终处于自动状态，FIC始终处于远程(级联)状态，这样操作员就可以只手动控制1E中的BFW阀门。这是可选的。FIC和LIC-1E的OP总是相同的，因此可以任意发送到BFW阀。

在设计显示回路面板的人机界面(HMI)时，通过相同的阀门控制相同的PV具有多个回路，这是一个挑战。方法包括为三个回路中的每一个都有单独的拾取点，或者在1E或在3E时为LIC-1E或LIC-3E设置鼓级拾取打开面板。

前馈到3E流从机

标准的3E电平控制模型不包括FIC的FF。然而，我有时发现将LIC-3E的OP转发到FIC(连同将其发送到FIC的SP)并具有小的FF增益是有用的。这使我能够最小化FIC的比例作用(低增益/高%频带)，以便不对流量计上的噪声做出过度反应，同时仍然对来自LIC-3E的流量需求变化非常敏感。

决定是否使用1E或3E

操作人员应该有一个开关来迫使系统转到1E。在下列情况下，系统也应立即降至1E:

• 蒸汽流动质量差。
• BFW流量质量较差。
• 蒸汽流量低于最小3E流量。
• BFW流量低于最小3E流量。

如果这些条件都不表明需要切换到1E，则当蒸汽和BFW都高于最大1E流量(应设置为高于最小3E流量)时，计时器应计数。当计时器完成后(5-30秒后)切换到3E。配置系统的典型方法是将最小3E流量设置为最大连续额定(MCR)蒸汽流量的20%左右，最大1E流量设置为30%左右。

2E电平控制

如果使用孔板测量BFW流量，其精度低于20%无法控制，应使用1E。然而，许多现代流量计有一个更好的降压比，好到足以使级联回路可以一直使用。

我有时将最小3E BFW流量设置为略低于零，因此只要BFW流量质量良好，它总是保持在3E，然后在FF输入的蒸汽流量上设置一个低箝位，以便对于非常低(或零或质量差)的蒸汽流量没有FF动作。这有效地使其2E控制(仅水平和BFW流量)在低蒸汽流量的制度。

在低流量条件下试验1E、2E和3E控制，看看哪一种效果最好。

水平设定值从手动和自动转换

无论是在1E还是3E，您都必须考虑在电平PID从手动到自动的过渡过程中电平SP会发生什么。选项包括:

• 始终将SP留在操作员设置的位置。这样做的好处是不需要把它放回原位，但缺点是当液位不接近SP时，从手动切换到自动时，BFW阀会出现明显的颠簸。
• 当PV处于手动状态时，让SP跟踪PV，当它回到自动状态时，离开它。这样可以避免凸起，但作业者必须将SP恢复到正常水平，这可能会导致凸起。
• 将这两种方案的优点与斜坡SP结合起来。目标SP保持在操作员设置的位置，斜坡SP在手动状态下跟踪PV，然后在切换回自动状态后缓慢斜坡到目标。这也使操作人员能够在自动状态下进行大的SP变化，而不必重复进行小的步长变化。它还可以简化LIC-1E和LIC-3E之间的SP跟踪，因为您可以有一个单一的目标SP站，并始终将产生的斜坡SP发送到两个水平PID回路。

收缩和膨胀

收缩和膨胀指的是一种类似于打开一个摇匀的汽水瓶所产生的混乱的现象:当鼓的压力下降时，管子里的一些水会闪光，这些蒸汽气泡会把上面管子里的水推到鼓里，即使鼓和管里的水的总质量下降，也会提高鼓的水平。

这可能包括在“降压管”中正常的水对流流动的暂时逆转。然后，当系统稳定下来，这些蒸汽泡要么崩溃，要么到达鼓，管道迅速从鼓中装满水，降低其水平。效果是不对称的，即当汽包压力因蒸汽需求下降而上升时，暂时抑制了管内蒸汽的产生，但效果较为微妙，管内对流流动不被打乱。

有几种方案可以处理这种影响。我最常使用的方法是积极地调整循环，牺牲稳态稳定性以获得响应性，并让控制器工作。然而，有时这是不够的，FF上的“继电器”可能会有所帮助。在本方案中，蒸汽流量FF信号经过一个延迟队列，当流量上升时，液位控制一分钟左右看不到FF;它只在膨胀事件过去后提高OP，并且鼓需要快速重新填充。

这种方法的问题包括需要表征滚筒所需的延迟(不同负载的延迟会有所不同)，并且只希望在流量增加时延迟;减少的蒸汽流量最优地立即传递到FF输入。可以使用分段线性块来克服这些问题，并对队列进行编程，使其在新流低于该值的地方立即更新其所有值。

斜坡或滤波FF信号具有与延迟队列相似的效果，并且具有使不对称更容易的优点。许多坡道块可以配置不同的上升速率(应该是缓慢的)和下降速率(应该是快速的)。

注意，“收缩和膨胀”并不是指水在加热时膨胀。水在室温下的重量约为62 #/CF。当水变暖时，其密度在2000 psi下降至40#/CF，因此水膨胀，这减少了预热期间对BFW的需求(甚至需要排污以防止过度填充)。

Raise-inhibit

任何级联控制方案的一个重要特性，对3E电平控制尤其重要，就是当FIC的OP达到最大值时，抑制LIC-3E OP升高。不要依赖于LIC-3E的固定上限来处理这个问题，因为最大BFW流量在不同的情况下会有很大的变化(不同的鼓压力，除氧器存储压力，BFW泵运行的数量，不同的阀门排列等)。使用raise-inhibit将允许系统在任何情况下获得最大BFW流量。

如果允许LIC-3E OP要求的BFW流量超过阀门100%通过的流量，则LIC-3E OP将迅速运行到最大值，而不会看到任何进一步的增加。然后，当汽包液位恢复时，在流量开始下降之前，LIC-3E OP将不得不一路降低到最大BFW流量，这将导致主要的汽包液位超调。

理想情况下，在LIC-3E块上有一个提升抑制输入。如果是，只要在FIC的OP达到最大值时打开它。不需要延迟或死带。如果没有提升抑制输入，您可以通过将LIC-3E OP高限制设置为最大流量标度来编程，然后在提升抑制条件下切换到LIC-3E的OP。

确保在FIC或LIC-1E的OP达到极限时发出警报;当条件恢复时，提高抑制将限制超调，但它不会防止低至低的鼓水平跳闸。如果流量短缺是持续的(而不是周期性的)，那么除非作业者采取措施减少负荷，否则它将会排干桶。

另一个很好的逻辑环节是，当液位处于提升抑制状态时，也要对锅炉主机进行提升抑制。这将导致蒸汽压力的小幅下降，而不是LO-LO汽包水平跳闸，随后蒸汽压力大幅下降。

请注意，系统耗尽BFW有两种方式。如果没有足够的泵容量，在BFW阀门完全打开之前，泵的排出压力会迅速下降到接近汽包压力。为了解决这个问题，必须降低负荷，启动(或安装)更多的泵，或翻新泵以提高其性能。

另一种方法是如果BFW泵和鼓之间的管道中有过多的障碍物，包括阀门没有充分打开。如果当命令BFW阀门全开时，BFW泵排出压力仍然接近峰值，则可能是阀门没有完全打开或管道中有其他障碍物。

li - 3e前馈和输出缩放

理想情况下，LIC-3E OP将以BFW质量流量单位(k#/H, kg/s等)为单位，这样它可以直接设置FIC的SP，并且蒸汽流量FF不需要标度。然而，一些PID块要求输出以百分比表示。在这种情况下，您必须执行以下缩放操作:

• 将蒸汽流量调至%，用作LIC-3E的前馈。
• 对于FIC的SP，将LIC-3E的OP从%缩放到质量流量单位。
• 将FIC的PV从质量流量单位缩放到百分比，以便在1E时跟踪LIC-3E的OP。

流动单元

挑选流量单位，将导致三或四位数在满负荷。对于大多数锅炉来说，这意味着k#/H(每小时数千磅)或kg/s(每秒千克)。请不要使用#/H或kg/分钟，因为流量将是六、七位数，这不是良好的工程实践。一定要用质量流量这样蒸汽流量和BFW流量是相等的;不要使用体积流量(gpm, Lpm等)。

排污

鼓总是有一个排污阀，一些液位测量柱也有一个单独的排污阀。如果排污阀在不影响汽包液位测量的地方脱落(如单独的蒸汽鼓龙头或泥浆鼓等)，则这不会显著影响汽包液位控制，可以忽略不计。

但是，应处理由液位测量变送器或柱共用的抽头上的排污阀。典型的方法是在阀门执行器旁边安装一个物理的PB(按钮)，这样操作员就可以在吹气时按住按钮，然后在吹完后释放它。如果存在，这个PB输入通常会进入BMS。如果排污也影响发射机，或者CCS正在与BMS一起查看电平开关，则PB也应作为输入发送给CCS。通过BMS的通信链路发送它是可以的。

煤灰鼓风机

吹灰器通常会造成汽包高度的严重破坏，因为它们通常会把蒸汽从汽包上直接带走，然后突然打开;这些加剧了收缩/膨胀效应。因此，在前馈信号中加入吹灰蒸汽需求是至关重要的。如果没有测量流量，则使用阀门位置乘以一个常数，或者在吹灰器活动时使用一个常数加法器。

备用控制方案

上述方案为最优3E控制方案。然而，如果你的控制器没有前馈输入，你仍然可以让从回路控制流量，其中来自水平主OP的SP是蒸汽和BFW流量之间的期望差异。名义上，这与标准的3E相同，但它变得更具挑战性，比如有一个除1以外的前馈增益，或者为了收缩/膨胀补偿而增加前馈，而且你没有一个直接的循环来控制简单的流量。

BFW阀门特性:不要!

表征CCS模拟输出到阀门和阻尼器是一种常见的做法。然而，我尽量避免使用它，因为它的特点是:

• 必须维护
• 可以根据不同的情况而变化吗
• 混淆操作人员(PID回路上的% OP不是%阀门/阻尼器位置)。

对于阻尼器和其他非线性一致的设备，我更喜欢自适应增益，使环路在更高的OPs下更无功(OP变化导致PV变化较小)。由于阀门上DP(压差)的高度变化和BFW泵运行数量的变化，BFW阀门的非线性不一致。幸运的是，不需要进行特征描述。

在3元素控制中，从流回路的主要目的是线性化关卡主回路的op。它比关卡回路的响应性要高得多，可以在整个位置和dp范围内进行适当的调整。

多个BFW阀门

我的“无特征”建议有一个例外:有些系统有一个小的启动BFW阀和一个正常使用的大BFW阀。我建议通过一对表征块从LIC-1E和FIC运行OP，以执行分程控制。一般有两种类型的特性:一种是在高负荷时启动阀全开，另一种是在高负荷时启动阀关闭。如果启动阀在高负载时保持打开状态，则更容易调整系统。以下是特征表的一些典型值:

注意，阀门的控制带重叠。这是必要的，因为大多数阀门直到指令高于0%时才会拆卸，并且对流量高于60%-80%的影响很小。

超大BFW阀门

一些BFW阀门尺寸过大，这意味着它们在非常低的OP %下可以跳到MCR流量的很大一部分。解决这个问题的最好方法是平行安装一个启动阀(见上文)，或者安装一个不同的阀内件，即使在非常高的DPs下也可以控制低流量，比100% MCR蒸汽流量至少多20%。

有一些短期的解决方法可以让玩家控制关卡，但这些方法并不理想。通常情况下，在不采取任何特殊措施的情况下，系统会保持在1E状态，并“段塞流进料”(阀门打开，超过所需流量，将液位提高到设定值以上，然后阀门完全关闭，直到液位降至SP以下)。

这可能是除了实际解决问题之外最好的情况。我还安装了“斩波器”逻辑，以便在0%和3%之间快速循环阀门，在阀的情况下，流量从0跳到25% MCR在2%左右，但这最终导致各种组件的物理损坏从激增的压力。

对更智能的液位控制的总结建议

三元汽包控制允许液位PID回路具有线性OP，并预期从变化的蒸汽需求中最大限度地减少扰动。正确的机械安装和密度补偿对所有三个输入都是必不可少的。

在2003投票或液位开关上应提出跳闸警报，但液位回路的PV应是鼓式液位变送器的平均值。使用三个PID块，它们在不活动时相互跟踪，用于无颠簸传输。如果条件需要，立即回到1E，但在切换回之前，一旦3E条件恢复，就会有延迟。

有些系统在1E的低流量下控制得更好，但其他系统在3E或2E时控制得更好，如果低BFW流量可靠，而低蒸汽流量则不可靠。将液位设定值调至操作员选择的目标，以最小化手动-自动转换或SP变化时的颠簸。

在汽包压力下降后，即使总水量下降，汽包水位也会上升;有些系统可以积极调整，以更好地应对收缩/膨胀事件，而其他系统则需要对FF信号进行特殊编程，以帮助预测和减轻扰动。确保在从流环路达到最大值时防止主电平环路OP继续上升。

如果可能的话，按与锅炉和蒸汽流量相同的质量流量单位衡量主水平OP;否则，您将不得不缩放FF和SP信号。如果你的系统不支持FF输入到PID块，你可以控制BFW和蒸汽流量之间的差异，而不是直接控制BFW流量。BFW阀门不需要特性，除非有两个(启动和主)，在这种情况下，你应该使用特性块来实现分程控制。

特别感谢ESI的Matt Blackburn的评论。

克里斯·哈迪是佐治亚理工学院的电气工程师跨公司集成系统组自1994年以来，Chris在锅炉，替代能源，水/废水，化学品，制药，安全，纺织品和汽车方面拥有过程控制经验。Chris还编写控制器/ hmi程序，并编写用于通信、数据收集、显示、趋势和报告的自定义Windows应用程序。马克霍斯克编辑，内容经理，控制工程，mhoske@cfemedia.com

跨公司集成系统组是一个相2015年3月5日成为会员

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。