分析磁翻板液位計在鍋爐排污控制系統中的運用
返回列表發布日期：2019-12-30 14:20:52 |
摘 要 ：工業鍋爐在工業生產中發揮著舉足輕重的作用，該文從節能降耗以及提高工作效率的目的出發，針對目前工業生產中 loos 鍋爐連續排污設備存在的問題進行了系統研究。該文歸納了目前鍋爐連續排污存在的問題，從鍋爐連續排污運作原理、設計思路、實施方案3個方面研究構建了改造系統，提出了一種基于儀表控制的鍋爐連續排污控制系統。將連續排污擴容器內液位位置維持在一個相對穩定的范圍內，提高了二次蒸汽產生的穩定性，防止了除氧罐蒸汽和二次閃蒸出的蒸汽流失損耗。同時，在保證連續排污效果的基礎上，有效控制排污溫度，實現廢熱的有效回收利用。
引言
工業鍋爐作為工業和社會的必需品，在國民經濟和社會發展中占有重要的地位。以我廠鍋爐系統為例，我廠鍋爐系統主要提供生產用蒸汽。在鍋爐的工作過程中，鍋爐內的水體在不斷地蒸發過程中逐步濃縮，從而在鍋爐水的表面殘留下大量的浮油、各種懸浮物和濃縮鹽，容易在鍋爐底部產生沉積的泥渣、泥垢等物質。為了保證鍋爐的工作效率，保持鍋爐蒸汽高品質運轉，防止鍋爐沉積對鍋爐壁產生腐蝕，保障鍋爐的安全運行，鍋爐上具有連續排污、定期排污的特殊裝置。
1 鍋爐連續排污目前存在的問題
以我廠鍋爐連續排污設備為例，目前主要存在 2 個問題。
1.1 二次蒸汽產量不穩定，熱量損失大
在鍋爐連續排污量大的情況下，閃蒸出的部分二次蒸汽會隨同廢水一起由底部排出，造成二次蒸汽的浪費。而且由于在不同時間段來自鍋爐的連續排污爐水流量不同，且流量的變化有時候又是迅速的，規律性也不明顯，直接排污方式也會導致擴容器擴容分離效果不穩定，二次蒸汽的產生量也不穩定。一般正常的鍋爐排污率在 5%~10%，也就是連續排污污水占整體鍋爐運行用水的比率。影響排污率的主要因素有 3 個，即水的堿度、水的硬度和鍋爐水的堿度控制值。一般在鍋爐水的鹽濃度比較低時，排污率通常較低，即 4%~5%。我們以排污率5%，排污流量是 0.5 t/h，工作壓力大小為 0.8 MPa，飽和溫度達到 175 ℃，每小時產生的熱損失將近 4×10 5 萬 kJ，與 32 kg的原煤燃燒熱值相當，從中不難看出排污水的熱損失是相當大的。
1.2 除氧罐內蒸汽流失損耗
現有除氧罐采用鍋爐蒸汽進行熱力除氧，因此除氧罐內保有一定的壓力，正常約為 0.01 MPa 左右，當鍋爐連排不進行排放時，除氧罐內的蒸汽會在壓力的作用下進入連排擴容器，并由下端手動閥排出，會造成除氧罐內蒸汽的損耗。
2 鍋爐連續排污控制系統改進
2.1 鍋爐連續排污運作原理
連續排污主要是排去鍋爐水表面和水體內的油污、懸浮物和濃縮鹽，從而降低鍋爐水的堿性，提高鍋爐蒸汽的品質。連續排污系統主要由排污管道與連續排污擴容器組成。連續排污擴容器也稱連續排污膨脹器，它與鍋爐的連續排污口直接相連，主要功能是對鍋爐的連續排污爐水進行減壓擴容，排污爐水在連續排污膨脹器內減壓絕熱膨脹分離為二次蒸汽和廢水，其中二次蒸汽由專門的管道引出，進入除氧罐加以利用，而廢水則通過下端手動閥直接排出擴容器。
2.2 改進設計思路
我們針對連排擴容器進行改造，由于擴容器下端排放口采用直排，在大流量情況下會造成閃蒸蒸汽和廢水一起排出，在無流量的情況下，除氧罐蒸汽會在除氧罐內蒸汽壓力下進入擴容器內流失。為了改善這一情況，需要增加一套液位控制系統，使擴容器內保留一定的液位，既可以保證擴容器內壓力穩定，保證閃蒸蒸汽的穩定產生，又能防止閃蒸蒸汽和除氧罐蒸汽的流失，盡最大可能地節約蒸汽。這就要求系統對液位控制有著很高的要求，要求控制穩定，能夠應對不同連續排污流量對液位的影響，保證擴容器安全穩定的運行。根據以上條件自主設計了該套控制系統，該系統由測量機構、控制機構和執行機構組成。其核心是通過傳感器將液位信息上傳 PID 控制器，利用 PID 控制器內部 PID 計算實現對液位數據處理，反饋給電動調節閥，通過調整調節閥閥度，使擴容罐液位維持在一個穩定的范圍內。
2.3 鍋爐連續排污實施方案
2.3.1 測量機構液位傳感器選擇
傳感器主要考慮常用的磁翻板式液位計及壓差式液位計 2 種，在鍋爐向連排擴容器內排污時會造成擴容器內壓力波動，影響壓差式液位計的測量精度，而磁翻板液位計則采用液位浮力翻版，不受壓力波動影響，而且便于現場便于直觀觀察液位。所以我們最終選取磁翻板液位計作為我們液位信號的來源。
2.3.2 現場控制器選擇
現場控制器如果預算充足可以考慮市場上常見的西門子 PLC 控制器，它具有強大的運算功能與高實時性的優點。如果從控制預算角度可以選用 XSC5 系列 PID 儀表控制器，能夠有效適應現場高溫環境，且造價低廉，可以滿足我們的設計要求。它可以實現接受來自磁翻板液位計的4 mA~20 mA液位信號，經過內部 PID 算法計算后控制現場西門子電動調節閥保證液位穩定。
2.3.3 現場 PID 參數整定
現場控制方式一般采用 PID 控制，按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）進行控制（簡稱 PID 控制）是連續系統控制理論中技術最成熟，應用最廣泛的一種控制技術。由于其算法簡單、可靠性高等優點，因此在控制系統中控制器最常用的控制規律是 PID 控制。原理框圖如圖 1 所示。
PID 控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容，PID控制器參數整定的方法很多，概括起來有兩大類 ：理論計算整定法和工程整定方法，一般情況多采用的是工程整定法。通過現場試驗與分析，在多次測試中根據液位變化情況調整PID 參數，并要及時根據連續排污情況的變化及時修訂 PID參數。
2.3.4 現場電動調節閥選擇
現場調節閥要求能夠耐高溫，高可靠性，能夠接受控制信號一般多以 4 mA~20 mA 或 0 V~10 V 為主，并能通過信號反饋。基于此種情況，一般選用西門子 SKD62 系列電動調節閥。
3 鍋爐連續排污控制系統改進效果
改造后的連續排污系統已在實際工廠中投入運行使用，運行效果良好。 改造完成后通過長時間的運行觀察，當連續排污流量不穩定時，通過 PID 控制器對調節閥開度的控制，對于流量變化及時響應，對于擴容器內液位做出響應的調整，有效地避免了液位劇烈波動，擴容器內液位穩定，擴容器內壓力恒定，其下層液位能有效保證蒸汽進入除氧罐，防止了除氧罐內蒸汽通過擴容器流失。
該次對鍋爐連排系統的優化改造，不僅可以提高擴容器內閃蒸產生二次蒸汽的穩定性，避免了在某些情況下除氧罐內蒸汽和二次蒸汽的流失損耗，節約了能源，同時后期還可以考慮將控制器內液位等運行數據上傳中控室，以便于運行人員可以遠程發現問題，并能時刻掌握鍋爐排污數據，更好地保證鍋爐系統運行。
引言
工業鍋爐作為工業和社會的必需品，在國民經濟和社會發展中占有重要的地位。以我廠鍋爐系統為例，我廠鍋爐系統主要提供生產用蒸汽。在鍋爐的工作過程中，鍋爐內的水體在不斷地蒸發過程中逐步濃縮，從而在鍋爐水的表面殘留下大量的浮油、各種懸浮物和濃縮鹽，容易在鍋爐底部產生沉積的泥渣、泥垢等物質。為了保證鍋爐的工作效率，保持鍋爐蒸汽高品質運轉，防止鍋爐沉積對鍋爐壁產生腐蝕，保障鍋爐的安全運行，鍋爐上具有連續排污、定期排污的特殊裝置。
1 鍋爐連續排污目前存在的問題
以我廠鍋爐連續排污設備為例，目前主要存在 2 個問題。
1.1 二次蒸汽產量不穩定，熱量損失大
在鍋爐連續排污量大的情況下，閃蒸出的部分二次蒸汽會隨同廢水一起由底部排出，造成二次蒸汽的浪費。而且由于在不同時間段來自鍋爐的連續排污爐水流量不同，且流量的變化有時候又是迅速的，規律性也不明顯，直接排污方式也會導致擴容器擴容分離效果不穩定，二次蒸汽的產生量也不穩定。一般正常的鍋爐排污率在 5%~10%，也就是連續排污污水占整體鍋爐運行用水的比率。影響排污率的主要因素有 3 個，即水的堿度、水的硬度和鍋爐水的堿度控制值。一般在鍋爐水的鹽濃度比較低時，排污率通常較低，即 4%~5%。我們以排污率5%，排污流量是 0.5 t/h，工作壓力大小為 0.8 MPa，飽和溫度達到 175 ℃，每小時產生的熱損失將近 4×10 5 萬 kJ，與 32 kg的原煤燃燒熱值相當，從中不難看出排污水的熱損失是相當大的。
1.2 除氧罐內蒸汽流失損耗
現有除氧罐采用鍋爐蒸汽進行熱力除氧，因此除氧罐內保有一定的壓力，正常約為 0.01 MPa 左右，當鍋爐連排不進行排放時，除氧罐內的蒸汽會在壓力的作用下進入連排擴容器，并由下端手動閥排出，會造成除氧罐內蒸汽的損耗。
2 鍋爐連續排污控制系統改進
2.1 鍋爐連續排污運作原理
連續排污主要是排去鍋爐水表面和水體內的油污、懸浮物和濃縮鹽，從而降低鍋爐水的堿性，提高鍋爐蒸汽的品質。連續排污系統主要由排污管道與連續排污擴容器組成。連續排污擴容器也稱連續排污膨脹器，它與鍋爐的連續排污口直接相連，主要功能是對鍋爐的連續排污爐水進行減壓擴容，排污爐水在連續排污膨脹器內減壓絕熱膨脹分離為二次蒸汽和廢水，其中二次蒸汽由專門的管道引出，進入除氧罐加以利用，而廢水則通過下端手動閥直接排出擴容器。
2.2 改進設計思路
我們針對連排擴容器進行改造，由于擴容器下端排放口采用直排，在大流量情況下會造成閃蒸蒸汽和廢水一起排出，在無流量的情況下，除氧罐蒸汽會在除氧罐內蒸汽壓力下進入擴容器內流失。為了改善這一情況，需要增加一套液位控制系統，使擴容器內保留一定的液位，既可以保證擴容器內壓力穩定，保證閃蒸蒸汽的穩定產生，又能防止閃蒸蒸汽和除氧罐蒸汽的流失，盡最大可能地節約蒸汽。這就要求系統對液位控制有著很高的要求，要求控制穩定，能夠應對不同連續排污流量對液位的影響，保證擴容器安全穩定的運行。根據以上條件自主設計了該套控制系統，該系統由測量機構、控制機構和執行機構組成。其核心是通過傳感器將液位信息上傳 PID 控制器，利用 PID 控制器內部 PID 計算實現對液位數據處理，反饋給電動調節閥，通過調整調節閥閥度，使擴容罐液位維持在一個穩定的范圍內。
2.3 鍋爐連續排污實施方案
2.3.1 測量機構液位傳感器選擇
傳感器主要考慮常用的磁翻板式液位計及壓差式液位計 2 種，在鍋爐向連排擴容器內排污時會造成擴容器內壓力波動，影響壓差式液位計的測量精度，而磁翻板液位計則采用液位浮力翻版，不受壓力波動影響，而且便于現場便于直觀觀察液位。所以我們最終選取磁翻板液位計作為我們液位信號的來源。
2.3.2 現場控制器選擇
現場控制器如果預算充足可以考慮市場上常見的西門子 PLC 控制器，它具有強大的運算功能與高實時性的優點。如果從控制預算角度可以選用 XSC5 系列 PID 儀表控制器，能夠有效適應現場高溫環境，且造價低廉，可以滿足我們的設計要求。它可以實現接受來自磁翻板液位計的4 mA~20 mA液位信號，經過內部 PID 算法計算后控制現場西門子電動調節閥保證液位穩定。
2.3.3 現場 PID 參數整定
現場控制方式一般采用 PID 控制，按偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）進行控制（簡稱 PID 控制）是連續系統控制理論中技術最成熟，應用最廣泛的一種控制技術。由于其算法簡單、可靠性高等優點，因此在控制系統中控制器最常用的控制規律是 PID 控制。原理框圖如圖 1 所示。
2.3.4 現場電動調節閥選擇
現場調節閥要求能夠耐高溫，高可靠性，能夠接受控制信號一般多以 4 mA~20 mA 或 0 V~10 V 為主，并能通過信號反饋。基于此種情況，一般選用西門子 SKD62 系列電動調節閥。
3 鍋爐連續排污控制系統改進效果
改造后的連續排污系統已在實際工廠中投入運行使用，運行效果良好。 改造完成后通過長時間的運行觀察，當連續排污流量不穩定時，通過 PID 控制器對調節閥開度的控制，對于流量變化及時響應，對于擴容器內液位做出響應的調整，有效地避免了液位劇烈波動，擴容器內液位穩定，擴容器內壓力恒定，其下層液位能有效保證蒸汽進入除氧罐，防止了除氧罐內蒸汽通過擴容器流失。
該次對鍋爐連排系統的優化改造，不僅可以提高擴容器內閃蒸產生二次蒸汽的穩定性，避免了在某些情況下除氧罐內蒸汽和二次蒸汽的流失損耗，節約了能源，同時后期還可以考慮將控制器內液位等運行數據上傳中控室，以便于運行人員可以遠程發現問題，并能時刻掌握鍋爐排污數據，更好地保證鍋爐系統運行。