三冲量控制系统的作用原理及生产实践应用

三冲量控制系统的作用原理及生产实践应用

廖涛

中国石化中原油田普光分公司天然气净化厂四川达州636156

摘要：本文重点介绍了普光天然气净化厂高压锅炉液位的控制方法，三冲量调节系统作为锅炉液位的控制方式，保证了锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。

关键词：高压锅炉；液位；三冲量控制

1三冲量液位控制系统简介

液位的调节系统繁多，既有原理简单的PID控制，也有较为复杂的分程控制、串级控制，还有复杂回路的三冲量控制。由于影响高压锅炉液位的因素较多，如给水压力、蒸汽负荷、过程气温度等，因此为了更安全准确的对锅炉液位进行控制，防止虚假液位情况的发生，本装置采用三冲量液位控制系统对锅炉液位进行控制。

三冲量即三种作用时间短暂且不连续的量，包括锅炉液位、给水流量和蒸汽流量，三者之间任何干扰因素的变化都会引起调节器的变化，其中锅炉的液位是最主要的干扰因素。通过结合锅炉液位的实际情况，对蒸汽流量和给水流量扰动下，锅炉液位的变化状态进行分析，针对切实存在的延时性和惯性，科学的对三冲量控制系统进行构建。

2三冲量液位控制系统的结构和原理

在三冲量液位控制系统中，锅炉液位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量和锅炉给水量是两个辅助冲量信号，实际上三冲量控制系统是由主控信号—锅炉液位、前馈信号—蒸汽流量、反馈信号—给水流量构成的一个前馈加反馈的控制系统。因为蒸汽流量作为一个重要的引起液位变化的干扰因素，蒸汽流量的改变会导致给水流量做出相应的变化，确保锅炉液位保持稳定，由此可见该系统是一个典型的前馈控制系统。而将锅炉液位作为被控量，从而对给水流量做出相应调节，这就构成了一个简单的反馈控制系统。

由三冲量液位调节方框图可以看出，三冲量的控制实际是一个双闭环的控制系统，外环采用锅炉液位的测定值作为实际液位值，而液位设定值作为给定值计算出锅炉汽包的需求水量，锅炉的需求水量与实际测量的蒸汽流量计算得到锅炉所需的给水量，计算出的锅炉需求水量作为内环的设定值与通过流量计测得的锅炉实际给水量之间的差值作为测量偏差，通过PID控制算法计算出锅炉给水调节阀的开度，并进行控制，从而达到通过内环控制给水流量，使外环的锅炉液位稳定的目的。

三冲量控制系统可以有效的克服“虚假液位”对给水流量的干扰，蒸汽量和给水量是影响锅炉液位的主要两个因素，即使蒸汽量或者给水量发生波动，不是等到对锅炉液位产生影响才进行调节，而是进行提前预判，通过加法器得到有效信号去调节给水阀开度，对锅炉液位进行准确有效的控制。

当锅炉液位处于平稳状态时，液位所对应的电流信号是一个定值I0，将液位调节器的输出电流设为Ia，蒸汽流量变送器的输出电流为Ib，给水流量变送器的输出电流为Ic，利用加法器得到的输出电流为：I0=XaIa—XbIb+XcIc，式中的Xa、Xb、Xc分别表示为各输出电流的衰减系数。当XbIb与XcIc相等时，所对应的输出电流I0正是锅炉液位处于平稳状态时调节阀开度所需的电流信号，为保证安全，采用气动调节阀进行控制。当锅炉产生的蒸汽量增大时，蒸汽流量变送器输出的电流Ib同时增加，经加法器计算得到的输出电流I0就会相应减少，从而提高给水阀阀位。但当此时锅炉液位也同时增加，发生假液位现象，液位调节器输出的电流Ia开始增大。由加法器的输出电流公式可知，当Ia和Ib同时增加时，两者之间有相互抵消的作用，因此I0将保持较为稳定的数值，即锅炉液位不会发生明显波动，有效消除假液位现象带来的影响。

经过三冲量系统的调节后，锅炉假液位现象消失，液位开始降低，液位调节器的输出电流Ia开始减小，此时蒸汽流量变送器的输出电流Ib和给水流量变送器的输出电流Ic依旧保持不变，导致I0开始减小，加法器将计算后的信号传递至给水气动调节阀，增大阀门开度，提高锅炉水上水量，令锅炉液位、蒸汽流量和锅炉给水量重新达到平衡。虽然在实际情况下锅炉液位很难维持一个稳定值，但是利用三冲量系统的调节锅炉液位仅在小范围内波动，波动越小，锅炉的安全性就越高，且可有效的减小“虚假液位”的影响，这样蒸汽流量和给水量的引入能提前响应扰动变化，使给水阀门向着正确的趋势动作。在实际的液位控制中，锅炉的液位控制影响因素主要包括几个方面，如下表1所示，通过相应的调节方式，使锅炉液位保持平稳状态。

表1余热锅炉液位控制

3三冲量系统的应用

在普光天然气净化厂，三冲量液位控制系统主要应用于余热锅炉D-302和废热锅炉D-401，下面介绍余热锅炉D-302的液位调节。

余热锅炉汽包的液位主要由锅炉给水流量调节阀FC-30706进行控制，以维持进入汽包的锅炉给水流量稳定。当锅炉液位高于或低于设定液位点时，液位控制器LC-30701将会调整流量控制FC-30706的设定点，使液位恢复正常。三个余热锅炉液位变送器信号进行三取中操作。

4锅炉液位控制的实践难题

4.1FC-30706内漏

阀门是锅炉系统中不可缺少的流体控制设备，FC-30706是余热锅炉D-302的锅炉给水调节阀，由于要经受各种恶劣环境如温度、压力、磨损和腐蚀等的影响，对阀门的部件造成严重损坏，从而了导致阀门泄漏现象的发生。阀门内漏导致给水量增大，无形中造成汽水的损失，影响机组运行。同时阀门内漏腐蚀将使阀门寿命降低，损坏过快，影响公司的经济效益。

4.2锅炉液位计失效

液位计的失效事故，对余热锅炉系统的设备运行及操作人员的运行安全造成了极大的威胁。通过对几起液位计失效事故的现场分析，我们认为造成余热锅炉液位计失效的原因主要包括选型不当、安装不当、使用与维护不当三个方面。

（1）选型不当主要是由于技术人员对各液位计的性能特征、适用环境和结构特性缺乏了解造成，并且对应用于温度超过300℃，压力超过3.0MPa的高压锅炉的液位计，高温高压介质对玻璃会造成侵蚀，令管壁腐蚀减薄，因为选择条件合适的液位计尤为重要。

（2）操作人员不严格按要求安装液位计是造成锅炉液位计失效的主要原因，液位计的安装有严格的要求，包括容器制造中对液位计开口接管的公差要求及液位计本体安装的技术要求。通过对部分安装位置的检查发现，一些法兰的距离与液位计中心距的偏差较大，安全隐患极大。

（3）当锅炉给水不良时，锅炉中会产生一些导热性很差且坚硬的水垢，这些物质不仅会引起锅炉的局部温度过热而变形，还会导致液位计的管道堵塞，严重影响锅炉液位的监测，造成液位显示不真实现象发生，若操作人员不及时发现进行维护处置，极易导致锅炉给水过多，令蒸汽带水降低品质，因此对锅炉液位计进行周期性维护非常重要。

4.3锅炉压力控制元件失效

锅炉的压力控制元件（压力调节、超压停炉保护、安全阀等）全部失灵，将导致严重的锅炉超压事故发生，由于蒸汽压力不断升高，将超过其原有的设计工作压力。为了避免此类事故的发生，操作人员应定期对锅炉的压力元件进行检查，并制定相应的应急预案，降低财产损失，避免人员伤亡。

5结论

通过三冲量液位控制系统有效的解决了锅炉“虚假液位”的影响，消除了蒸汽量变化和给水流量的干扰，提高了控制的可靠性和精确度，提高了产汽的稳定性，保障了锅炉安全稳定的运行。