50 000Nm3/h制氢锅炉的液位控制解析与优化

魏肖邦

﹙兰州石化公司设备维修公司，兰州 730060﹚

兰州石化公司50 000Nm3/h制氢锅炉采用轻烃水蒸气转化和PSA净化制氢工艺，以天然气和300万t/a柴油加氢装置加氢干气为原料，生产纯度为99.9%的工业氢。本装置有一台转化气余热锅炉和一台废热锅炉，共用一个汽包，生产3.8MPa、420℃的中压蒸汽，所生产的蒸汽一部分作为造气工艺配汽自用，其余部分送出装置至中压蒸汽管网。装置控制系统选用CS-3000系统，锅炉汽包液位控制选用三冲量控制方案，即前馈-串级调节控制方案。

1 50 000Nm3/h制氢锅炉液位控制解析①

1.1 制氢锅炉汽包液位控制系统的组成

三冲量控制系统是在汽包液位双冲量控制系统的基础上引入给水流量冲量信号，构成一个前馈加串级反馈控制的复合控制系统，这种控制系统称为三冲量控制系统，该控制系统是锅炉汽包液位控制的典型控制系统。50 000Nm3/h制氢锅炉汽包液位控制系统由现场测量液位、给水流量、蒸汽流量、蒸汽压力和温度的一次仪表、控制给水的调节阀、控制室内的安全栅和CS-3000控制系统4部分组成。

1.2 制氢锅炉汽包液位控制方案

50 000Nm3/h制氢锅炉汽包液位控制系统和控制方案如图1、2 所示。50 000Nm3/h制氢锅炉汽包液位控制系统采用前馈-串级调解系统，给水阀选用FO控制阀，主调节器选择反作用，副调节器选用正作用，在主、副调节器之间加入计算器，引入前馈信号蒸汽流量。

图1 制氢锅炉汽包液位控制系统示意图

图2 制氢锅炉汽包液位控制方案框图

当汽包液位升高时，由于主调节器(液位调节器)是反作用，其输出减小，相当于副调节器的偏差增大；又由于副调节器是正作用，其输出增大，使给水阀门关小，液位降低，反之亦然。同时，如果出现系统负荷突然增大(或减小)，前馈信号蒸汽流量将其输入运算器，在汽包液位还未发生变化时，改变计算器的输出，从而改变副调节器的SV值，使副调节器的输出发生变化，调解给水控制阀阀位，使锅炉给水量增大(或减小)，消除“假水位”现象。

2 制氢锅炉汽包液位控制方案的缺陷分析

2.1 汽包平衡容器测量精度存在误差

在锅炉汽包液位的测量中，由于汽包液位的测量一般选用差压式仪表，为了防止测量介质在负压管中冷凝，造成测量误差，测量时仪表负压测量管中都会充灌冷凝液，而炉水的密度受温度和压力的影响很大，负压管中的冷凝液的密度由于受环境温度影响密度极不稳定，且和正压侧液柱的密度相差较大，为了补偿由此产生的测量误差，一般锅炉汽包液位测量都会采用平衡容器进行。

汽包的平衡容器分为：双室平衡容器和单室平衡容器。双室平衡容器与单室平衡容器相比，具有价格高昂、结构复杂、差压计算复杂、测量准确度较差及液位测量不稳定等缺点。本装置选用双室平衡容器。双室平衡容器的正压引压管有一段暴露在平衡容器外，引压管中的凝结水由于周围环境环境温度的不确定性，其密度具有不确定性，从而造成测量精度误差。

双室平衡容器的凝结水管与锅炉的下降管相连接，由于汽包液位产生的压差较小，当下降管内的压力有细小波动时，就会对汽包液位的测量产生比较大的影响，甚至造成无法测量与控制的严重问题。而单室平衡容器没有和除汽包液位测量取压阀之外的任何设备连接，从本质上就不存在外部干扰。

通过以上分析可以确定，将制氢装置的锅炉汽包液位冲量采取的双室平衡容器更换为单室平衡容器，有助于采取到更为接近真实值的液位信号，使用更简单，测量信号更稳定。

2.2 实现控制方案的组态复杂

50 000Nm3/h制氢装置锅炉汽包水位控制是在CS-3000系统上组态， 实现汽包液位与给水流量的串级调节控制和汽包液位、给水流量、蒸汽流量的三冲量控制调节两种控制方案的选择控制。由图3可知该控制组态使用了3个PID控制块、两个计算块。由计算块CALCU11105的脚本可知，HS11105是输出开关仪表控制计算块，进行CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001计算或CPV=RV·A+RV1·B·0.001计算，其中CPV为计算块CALCU11105的输出值，RV为计算块CALCU11105IN端的输入值，RV1为计算块CALCU11105Q01端的输入值，A、B为操作人员根据工况输入的液位主调节器输出与主蒸汽流量变化在调节过程中调节作用的强弱比例参数，F11103为计算块CALCU11105减温水流量FI-11103赋予的中间变量。这两个计算式的主要区别是：主蒸汽出口TI-11101温度超过430℃仍升高时，TIC-11101控制回路开启减温水阀，向减温器喷入除氧水降温，FI-11103流量指示不为零，操作人员通过操作画面上的软切换开关选择控制回路，采用CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001计算式；而当主蒸汽出口TI-11101温度低于430℃时，控制阀关闭，停止向减温器喷水减温，FI-11103流量指示为零，操作人员选择控制回路，采用CPV=RV·A+RV1·B·0.001计算式。当FI-11103流量指示为零时，将零值代入计算式CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001，计算结果与代入CPV=RV·A+RV1·B·0.001相同，因此改写计算块CALCU11105的脚本，取消LIT11101、HS111011、HS11106和CAL-HS11106，简化组态是可行的。

计算块CALCU11105脚本：

ALIAS A BSET11101.DT01

ALIAS B BSET11101.DT02

ALIAS F11103 FI11103.PV

ALIAS D HS11105.MV

if (D==2) then

CPV=RV*A+(RV1-F11103)*B*0.001

else

CPV=RV*A+RV1*B*0.001

end if

end

计算块CAL-HS11106脚本：

ALIAS A HS111011.SW

ALIAS B HS11106.MV

if (B==0) then

A=1

else

图3 基于CS-3000系统的原控制方案组态

A=2

end if

end

中华政制作为中国自生政治制度，传承数千年，对东亚地区有着深远影响。辛亥革命之后，中华政制虽然已非现实存在，但在今日仍有文化影响与借鉴意义。

2.3 无法及时预防并消除锅炉汽包液位典型的“假液位”现象

当蒸汽流量突然增大，使锅炉负荷增加、汽包压力降低时，锅炉液位就会出现“假液位”现象。蒸汽流量对汽包液位的影响(即干扰通道的动态特性)作为前馈信号，在液位还没有反馈给主调节器前，直接将前馈信号发送给副调节器使其发出控制信号给执行机构，增大给水流量，及时消除“假液位”现象，使整个控制系统达到新的平衡稳态控制，而不是依据测量到的“假液位”来减小给水量，造成汽包液位过低，甚至汽包缺水发生爆炸事故。

由图2和计算块CALCU11105脚本可知：计算块的输出值CPV(即副调节器给定值SV)与主调节器的输出和蒸汽流量变送器的输出有关系，其增益根据不同的工况设置。5万t制氢锅炉增益设置值A=80%、B=20%，所以在组态程序中，当蒸汽流量变化即将出现“假液位”现象时，前馈信号对副调节器的给定值SV只有20%的影响，对副调节器及时消除“假液位”现象具有明显的制约作用。

2.4 控制程序计算公式存在不确定因素

由原计算块CALCU11105的脚本可见，公式CPV=RV·A+(RV1-F11103)·B·0.001和CPV=RV·A+RV1·B·0.001中都有两个未知数A和B，这两个未知数是副调节器设定值SV的增益值，其值需由有经验的技术人员或操作人员根据不同工况由上位控制界面输入，增加了操作人员的控制难度和人为因素，同时也增加了控制系统的不确定性，减小了出现控制异常时控制系统的适应性，使控制系统的通用性丧失。

3 优化方案

针对原控制系统存在的问题，对原系统进行了如下优化：

a. 在整个控制系统中，将平衡容器由双室平衡容器改为单室平衡容器；

b. 对控制程序进行了简化，取消原控制程序中的5个模块，改写原控制程序中计算块的脚本，在控制程序功能不变的前提下，使程序更加简洁明了；

c. 取消了人为设置控制程序公式内增益值，根据工艺和设备状况对其进行修正，消除了人为的不确定性，减少了操作人员的工作量和操作难度，保证了系统的通用性和汽包液位控制的可靠性；

d. 对控制方案进行优化，将给水流量与蒸汽流量的差值直接作为副调节器给水调节器的测量定值PV，在蒸汽流量或给水流量发生突变时，通过副调节器及时对调节参数给水流量进行调解，及时消除“假液位”现象。

基于以上分析，提出了50 000Nm3/h制氢锅炉液位控制的优化控制方案(图4、5)，基于CS-3000系统的优化控制组态如图6所示。

图4 优化制氢锅炉液位控制系统示意图

图5 优化制氢锅炉液位控制系统框图

图6 基于CS-3000系统的优化控制组态

优化后的控制系统的给水阀仍选用FO控制阀，主调节器选择反作用，副调节器选择正作用，控制方案采用前馈-串级控制方案。当汽包液位升高时，由于主调节器是反作用，其输出减小，相当副调节器的偏差增大；又由于副调节器是正作用，其输出增大，使给水阀门关小，液位降低。反之亦然。同时，如果出现系统负荷突然增大(或减小)，前馈信号(给水流量-蒸汽流量)的变化量在汽包液位还未发生变化时，改变副调节器的PV值，使副调节器输出发生变化，调解给水控制阀阀位，使锅炉给水量增大(或减小)，消除了“假水位”现象。

计算块CALCU11105脚本：

ALIAS D HS11105.MV

in (D==2) then

CPV=RV1-(RV-RV2)*0.001+50%

else

CPV=RV1

end if

end

4 结束语

对50 000Nm3/h制氢装置的锅炉汽包液位控制系统进行了分析，针对汽包液位冲量平衡容器存在的问题，将双室平衡容器更换为单室平衡容器；对原控制方案和系统组态进行了优化，使控制更加实用，程序更加简单，减小了操作人员的操作难度，保证了锅炉汽包液位控制的通用性和可靠性。