浅析裂解炉汽包液位的测量及控制

刘洪喜,程林旺

(1.天津滨海环保产业发展有限公司,天津 300457; 2.天津联维乙烯工程有限公司,天津 300070)

浅析裂解炉汽包液位的测量及控制

刘洪喜1,程林旺2

(1.天津滨海环保产业发展有限公司,天津 300457; 2.天津联维乙烯工程有限公司,天津 300070)

介绍了影响裂解炉汽包液位的三个主要因素及“虚假液位”的产生原因。介绍了汽包液位三冲量控制方案的优点和特点。将减温水流量从蒸汽流量中减去,提高了控制准确性。针对液位测量,提出了采用双室平衡容器的特点和使用情况。最后,对本工程三冲量控制方案在DCS中的实现进行了描述,重点叙述了程序语言的灵活运用以及前馈控制中一阶环节的使用和控制情况。

汽包;虚假液位;双室平衡容器;三冲量;前馈

0 引 言

天津石化公司1 Mt/a乙烯装置有11台裂解炉,每台裂解炉都设有高压蒸汽包,以回收裂解炉的剩余热量,产生的超高压蒸汽至蒸汽管网供汽轮机组等用户使用。锅炉给水进入裂解炉炉膛加热再通过废热锅炉 TL E进入高压蒸汽包,最终产生超高压过热蒸汽。对于汽包来讲,液位过低时会破坏裂解炉热量平衡,损坏设备甚至产生爆炸事故;液位过高时容易使管网带水,直至危害到汽轮机的安全,损失巨大。无论是缺水还是满水事故都会给生产甚至人身安全带来巨大危害,所以汽包液位的正确测量及可靠控制非常重要。

1 影响汽包液位的因素

1.1 出汽包的蒸汽流量对液位的影响

当蒸汽用户的用汽量突然增加,出汽包的蒸汽量qm1大于给水量,汽包液位看起来应该直线下降。但实际液位在 qm1增加后,并没有立刻下降,而是先上升再下降。这是因为汽包压力快速降低,对应的饱和水温度降低,于是汽包水平面以下的水容积中的一部分水会汽化而生成气泡,造成汽包水位抬高。反之,当 qm1快速减少时,汽包压力增加,由于对应的饱和水温度升高[1],使汽包水平面以下水容积中的一部分气泡变成水,气泡含量减少,会造成液位先行降低之后再升高[1]。汽包液位以上的这些特殊变化现象,称为“虚假液位”。

当qm1发生变化时,由于液面下气泡变化引起的“虚假液位”变化是很快的,变化幅度与蒸发量扰动大小成正比,也与压力变化速度成正比,所以在考虑液位的测量和控制时,应重点考虑对“虚假液位”的纠正。

1.2 锅炉给水流量的干扰对水位的影响

当给水流量突然增加时,虽然给水量大于出汽包的蒸汽量,但汽包液位一开始并不立即增加,这是因为锅炉给水温度较低,进入汽包的水循环系统后,要从原有的饱和水及蒸汽中吸取一部分热量,这就使得汽包水面下气泡容积有所减少,所以这时虽然水量增加,但液位基本不变。最后,当水面下气泡容积不再变化时,液位变化就完全反应了由于储水量的增加而直线上升的变化[1]。

从上述分析得出,给水量扰动时,液位的变化有一定的惯性和纯滞后。虽然当锅炉给水量改变后不会立即影响液位,但此时由于给水量的变化是客观存在的,所以最终影响液位是必然的。

1.3 换热量的扰动

当裂解炉出口裂解气温度发生变化,如突然增加时,经由TL E传给汽包水的热量也增多,使液面下的气泡膨胀,此时,尽管锅炉给水量不变,但是液位也会上升。当热量和水量重新达到平衡时,液位才会慢慢回降。当然,这种由于热量变化引起的虚假液位浮动比较小,而且裂解气出口温度(COT)的控制已有一套专门的复杂控制方案,使得 TL E的热量扰动较小,所以在汽包液位控制中可以不考虑TL E热量扰动的直接影响。

2 汽包液位控制

对于上述因素对汽包液位的影响,相应的液位控制采用了典型的三冲量控制方案,并进行了适当的优化。三冲量给水自动调节系统综合考虑了主蒸汽量和给水流量相等的原则,又考虑了水位偏差的大小,因而既能补偿“虚假水位”的影响,又能纠正给水量的扰动,消除了汽包系统的滞后现象,是目前大型锅炉汽包普遍采用的给水自动调节系统。其控制原理如图1所示。

图1 汽包三冲量控制原理

由图1可见,三冲量控制实际是一个带前馈的串级控制。其中汽包液位是被控变量,亦是串级控制的主变量,是工艺的主要控制指标;给水流量是串级控制系统中的副变量,引入这一变量的目的是为了利用副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响;蒸汽流量是作为前馈信号引入的,其目的是为了及时克服蒸汽负荷变化对汽包液位的影响[2]。采用蒸汽流量的前馈控制,可以很好地抵消“虚假液位”现象,而且前馈部分采用了一阶线性运算,与蒸汽流量对汽包液位影响的对象特性相匹配,动态性能较好,改善了控制品质。同时该方案将进入蒸汽过热器的减温水流量从蒸汽流量中减去,使控制更加精确。

由汽包液位、出汽包的蒸汽量和锅炉给水量组成的三冲量汽包液位控制系统可使液位控制更趋平稳,比较全面地考虑了影响汽包液位的几个重要因素。无论扰动来自这三个冲量中的哪一个,都可以由该控制系统快速地作出正确的调节动作,使汽包液位平稳地维持在预定的位置。

3 汽包液位的测量方式

汽包液位测量采用了目前比较常见的双室平衡容器配差压变送器的原理。采用的双室平衡容器是一种结构巧妙,具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置。

这种结构最大限度地削弱了汽水密度变化对常规运行水位差压的影响。参比水柱温度过渡到对应压力下饱和气温的时间短,测量动态特性好。容器外部再辅以适当的保温措施,参比水柱如同在汽包内一样,温度始终接近于饱和水温度,使得二者密度基本相等,所以不需做温度修正补偿;另外,这种结构下汽包压力发生变化时平衡容器内的“虚假液位”现象可以较大减轻,所以对汽包压力的变化也有较好的自补偿作用。通过现场冬季与夏季的对比观察,液位测量没有明显的变化。

另外,为保证测量回路的稳定工作,同时满足联锁系统的要求,该项目单独设置了三个液位测点,极大地提高了测量的可靠性。

4 汽包三冲量控制在DCS中的实现

该装置DCS采用Centum CS-3000系统。该系统三冲量控制组态实现起来直观方便,尤其在采用了“CALCU”功能块进行程序语言的编写,使得控制功能更加灵活可靠。

其中,液位测量采用的“三取中”方式,并由程序语言进行判断,当某一个液位测量回路发生故障时控制系统内的液位测量值“二取高”。

蒸汽流量采用了温度压力补偿,组态时没有使用DCS自带的温压补偿功能块,仍然利用程序语言进行运算,并对运算的结果进行过滤,使补偿系数在合理的范围之内,避免了温度压力测量不正常时的“补偿过度”现象。

蒸汽流量前馈运算采用了一阶滞后环节“LAG”功能块,阶跃响应曲线如图2所示,既克服了“虚假液位”的影响又很好地实现了前馈补偿运算,达到了较好的动态补偿效果。该功能块的运算表达式:

图2 一阶滞后环节的阶跃响应曲线

式中 RV——测量输入值;CPV——计算输出值。

为了保证蒸汽流量前馈控制的准确性,当蒸汽流量、温度、压力以及减温水流量中的任何一个参数出现测量异常时,系统会通过“顺控表程序”自动将前馈控制切除,同时DCS流程画面上会出现相应提示,此时操作人员是无法强行投入前馈控制的,只有当所有问题处理完毕,测量参数正常以后才可以重新投入前馈控制。当然,任何时候操作人员还可以手动切除前馈控制,使之成为普通的串级调节系统,这给裂解炉运行过程中的操作控制带来了很大便利。

5 结束语

通过一段时间的运行观察,采用双室平衡容器,同时配以优化的三冲量控制方案,使得乙烯装置汽包液位的控制非常平稳。需要指出的是,由于采用了双室平衡容器,而且汽包水没有实时的温度测点,所以该控制方案并没有设置汽包压力和温度对液位测量的补偿。炉子检修后汽包从充水到升温阶段液位测量会存在一定的误差,这个阶段工艺人员要结合现场观察到的水位进行操作,反而对安全生产是有益的。

无论是在化工还是电力行业,汽包液位均是锅炉及其控制系统中最重要的参数之一,了解汽包液位测量误差的产生原理,同时深刻理解液位的测量与控制方式,能够更好地进行设备选型安装,并可以合理地优化控制方案,对处理实际问题,保证正常生产有很重要的意义。

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TP273,TH816

B

1007-7324(2010)06-0077-03

2010-08-09。

刘洪喜(1976—),男,1995年参加工作,先后毕业于天津化工学校仪表及自动化专业、天津师范大学计算机及应用专业、天津理工大学自动化专业,本科学历;现工作于天津滨海环保产业发展有限公司,负责新能源发电项目的筹建工作,任自控专业负责人,已发表专业论文2篇,任工程师,建造师,高级技师。