锅炉汽包液位控制优化策略

在自然循环锅炉中，对汽包液位控制不足会导致跳闸频率从一年几次到一天一次不等。根据具体情况，每次锅炉故障产生的费用从数万美元到数十万美元不等。通过对锅炉汽包液位控制系统进行结构化的故障排除，包括检查控制设备、策略和控制器调整，控制工程师可以大大提高液位控制性能。这种方法可以大大减少锅炉跳闸的次数，提供可观的经济效益。

汽包液位控制基础

自然循环锅炉广泛应用于各种化工加工及相关行业。设计原理是利用降水管中的冷却水和立管中的蒸汽/水混合物之间的密度差来驱动蒸汽/水混合物通过管道。锅炉汽包将蒸汽与水分离，并包含库存以适应操作变化。水进入立管，被加热，并经历从单相液体到饱和液体和蒸汽的混合物的转变。随着热输入的增加，蒸汽蒸汽在立管中的比例增加。

控制工程师面临的一个高度优先的挑战是能够非常精确地控制汽包中的水位。当水位过高时，可能导致水进入过热器或涡轮机，潜在地造成涡轮机或锅炉的损坏或停机。水位过低会暴露水管与水鼓相连的地方，导致水管破裂。锅炉脱扣联锁应该防止这些类型的损坏，但是锅炉脱扣可能需要相当长的时间来清除，在此期间，昂贵的生产设备经常被迫闲置。

收缩和膨胀

空隙率是蒸汽在立管中的体积百分比。质量是蒸汽在立管中的重量百分比。随着质量的增加，孔隙率也随之增加。在较低的蒸汽质量和较低的蒸汽压力下，孔隙率的变化更快。提高锅炉的燃烧速度增加了空隙率，这反过来又把水从立管推到汽包里，增加汽包的水平面。这种效应被称为膨胀。同样地，降低锅炉的燃烧速率降低了空隙率，水从汽包向下流入提升管，降低了汽包的水平。这种效应被称为收缩。

如果锅炉外蒸汽流量增加，则汽包压力下降，沸腾速率增加，使管内和汽包内的空隙率增加。空隙率的增加将把水推入鼓中，引起膨胀。锅炉的库存必须减少，以适应增加的空隙率。当从锅炉流出的蒸汽流量减少或向汽包中加入冷给水时，则会出现相反的效果。由此产生的汽包压力降低导致锅炉水位收缩。

当控制工程师在确定锅炉汽包液位控制策略时必须仔细注意收缩和膨胀时，他或她可能会惊讶地发现这些因素的变化有时会产生与预期相反的效果。例如，冷给水流量的增加将增加锅炉的库存，并增加汽包的水位。但在短期内，增加给水流量往往会熄灭沸腾的鼓，也可能在管。如图3所示，这可能导致锅炉汽包水位暂时下降。最终，由于库存的增加，桶面也会增加。另一方面，给水流量的减少往往会增加鼓和管中的沸腾。其结果是锅炉汽包水位暂时升高。如果给水温度较高，接近滚筒温度，这些影响将不那么明显，可能完全消失。

鼓面测量

当然，控制工程师维持汽包液位控制的第一步是确保准确的汽包液位测量。然而，这可能是复杂的事实，蒸汽鼓本身可能不是完全水平。即使在稳定状态下，鼓中的湍流也会导致液位波动。水流入和蒸汽流出的变化率增加了测量误差的可能性。用差压变送器测量锅炉汽包液位必须考虑流体的物理性质。鼓在饱和状态下含有水和蒸汽的两相混合物。水和蒸汽的密度随饱和温度或饱和压力而变化。必须考虑水以上饱和蒸汽的密度，以及汽包内饱和水的密度。锅炉汽包液位变送器的供应商将提供将这些因素考虑在内的校准变送器的说明。

了解反应动力学

调整控制回路需要理解响应动力学。如图5所示的开环步进测试可以帮助提供这种理解。在监测给水流量、锅炉汽包液位和蒸汽流量的响应时，给水阀是步进的。在图6所示的示例中，在红色标记所示的点上，给水流量对给水阀的变化没有很好的响应。问题在于粘阀。控制器无法调整以解决此问题。相反，控制阀需要固定。当然，我们不可能制造出完全响应的控制阀，但它应该响应控制器输出的0.5%或更小的步长。图7显示了对控制信号响应良好的流量控制阀。

给水回路正常运行后，控制工程师就该关注汽包液位了。目标是实现水平斜率的急剧转变，以响应给水流量的变化，因为死区时间或延迟是不稳定的。图8显示了一个没有任何延迟的响应示例。锅炉的动态可能包含无法消除的死区时间，因此为了在这种情况下保持稳定，必须放慢控制器的调整速度。

液位控制系统的类型

如图9所示的单液位元件控制仅使用液位测量和给水阀。控制器响应来自汽包液位变送器的比例信号，在需要时产生比例输出到锅炉给水阀。这种方法通常用于启动锅炉，没有蒸汽流动或流量计失效时。这种策略的缺点是液位受到来自蒸汽总管和给水的不受控制的干扰。例如，如果给水总管压力上升，则锅炉的给水流量也会增加。如果没有给水控制回路，这种情况将无法纠正，直到水位变化。此外，在较大的工作范围内，给水阀的安装特性可能会损害液位控制性能。

如图10所示的双元件液位控制将蒸汽流量作为前馈元件添加到液位控制器输出中。蒸汽质量流量信号用于控制给水量，以便根据负荷变化立即调整给水量需求。液位控制器是用来纠正任何不平衡之间的蒸汽质量流量和进料水质量流量的鼓。这种方法提供了比单个元件更有效的滚筒液位控制。它非常适合使用在一个单一的锅炉与一个单一的给水泵使用恒定的给水压力。一个潜在的弱点是，在大的工作范围内，给水阀的安装特性可能会损害液位控制性能。此外，在使用这种方法时，可能需要对蒸汽前馈进行表征。

如图11所示的三元液位控制是最常见的锅炉汽包液位控制策略。在双元策略中增加了一个给水流回路从站。三元件液位控制将给水流量与蒸汽流量和液位控制器输出线性化。控制回路现在要求容积流量变化，而不仅仅是阀门位置的变化。这种策略试图补偿蒸汽流量和给水流量的变化或干扰，其原理是流入等于流出。给水阀的安装特性不再是一个问题，因为流量控制器可以进行补偿。使用这种方法，蒸汽前馈元件可以是一个简单的增益，而不需要表征。

调节控制回路

液位控制调整的推荐程序是首先调整给水流量回路，以确保它快速，稳定，并且不会超调。然后，控制工程师应对汽包液位回路进行开环测试，注意从小处开始。评估多个步骤测试的响应。图12显示了一个性能良好的鼓位过程，没有任何死时间。

控制器的lambda调谐方法通常提供稳定的控制回路。图13中的蓝线显示了lambda调优为纠正干扰而提供的响应。λ值(λ)是电平偏差最大的停止时间，代表总恢复时间的1/6。调谐方程是

在哪里

T_{加勒比海盗}是停留时间，等于。进程死时间越长，所需的lambda值就越大。

一般设置前馈，使蒸汽流量与给水量保持1:1的质量关系。如果两个流量计以工程单位设置为相同的量程，例如磅/小时，则前馈增益通常设置为1.0。此外，考虑考虑消耗蒸汽的其他输入和输出流，例如吹灰和吹落。动态前馈方法可能比直接增益更有益。

处理干扰

各种类型的干扰会给控制工程师带来电平控制方面的挑战。例如，图14显示了由工艺蒸汽需求变化引起的干扰。在这种特殊应用中，蒸汽流动扰动是过程的固有部分，因此无法纠正。三元件汽包液位控制忙于对蒸汽流量的变化作出反应，以保持汽包液位在一个相对恒定的值。当滚筒液位控制进入手动状态时，可以看到液位的实质性变化。

如果蒸汽流量增加导致汽包膨胀，则液位将增加，但前馈信号将导致给水量增加，从而可能使问题复杂化。大多数锅炉不会因为给水而出现明显的收缩或膨胀，因为给水是加热的，并且使用了鼓式挡板。液位控制器将试图抵消前馈的影响。在许多情况下，解决方案是对前馈蒸汽信号进行滤波或延迟。这可以适应正在发生的锅炉库存的变化。

结论

滚筒液位控制问题可能导致生产效率低下、产品质量问题和生产限制，在某些情况下甚至可能产生安全风险。在极端情况下，水位控制问题每年造成数百万美元的损失。经过验证的方法可以有效地改善汽包液位控制。控制工程师可以对控制系统进行简单而系统的分析，以确定控制问题的根本原因，并重新建立有效的滚筒液位控制。

Andrew W.R. Waite是加拿大艾默生过程公司的首席过程控制顾问。

www.emersonprocess.com

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