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1 工藝簡(jiǎn)介
在濟(jì)鋼燃?xì)猕D蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的工程中，余熱鍋爐采用自然循環(huán)臥式鍋爐，每臺(tái)機(jī)組包括中壓鍋爐和低壓鍋爐各一臺(tái)，其工藝過(guò)程為：
從燃機(jī)做功后排出的煙氣，經(jīng)進(jìn)口煙道進(jìn)入三通煙道，當(dāng)機(jī)組單循環(huán)時(shí)，煙道三通擋板閥打到旁通側(cè)，煙氣經(jīng)旁通煙囪排空；當(dāng)需要聯(lián)合循環(huán)時(shí)，煙道三通擋板閥打到鍋爐側(cè)，煙氣經(jīng)過(guò)渡煙道進(jìn)入鍋爐本體，依次水平橫向沖刷中壓過(guò)熱器，中壓蒸發(fā)器，中壓省煤器和低壓蒸發(fā)器，最后經(jīng)出口煙道及主煙囪排空。鍋爐供水系統(tǒng)分兩路，一路為低壓給水，低壓給水直接進(jìn)入低壓鍋筒，由下降管進(jìn)入低壓蒸發(fā)器管屏，蒸發(fā)吸熱后上升進(jìn)入低壓鍋筒進(jìn)行汽水分離，分離后飽和水回下降管，低壓蒸汽由低壓鍋筒上部引出、經(jīng)減壓后進(jìn)入除氧器用于除氧。一路為中壓給水，來(lái)自除氧器，中壓給水由中壓省煤器加熱后進(jìn)入中壓鍋筒，通過(guò)中壓鍋筒下部的集中下降管進(jìn)入中壓蒸發(fā)器管屏，水吸熱后部分變成了蒸汽，上升進(jìn)入鍋筒進(jìn)行汽水分離。分離后飽和水再進(jìn)入集中下降管，而飽和蒸汽從鍋筒上部引至中壓過(guò)熱器，通過(guò)過(guò)熱器的進(jìn)一步加熱，變?yōu)橥耆珱](méi)有水滴的蒸汽，經(jīng)過(guò)蒸汽集汽箱的調(diào)溫，供給汽輪機(jī)發(fā)電用。
2 鍋爐水位控制的必要性
在鍋爐系統(tǒng)的檢測(cè)與控制中，鍋爐水位的檢測(cè)和控制非常重要，要求水位穩(wěn)定在正常規(guī)定值上，不能太高也不能過(guò)低。原因有二：
（1）水位高于正常規(guī)定值，會(huì)減少蒸汽空間，使蒸汽在汽包汽空間的流速增加，所攜帶的水滴也增加，影響蒸汽品質(zhì)，甚至水可能沖過(guò)過(guò)熱器。由于鍋爐水中溶解有各種鹽類(lèi)如：鈉鹽、硅酸鹽，這些鹽隨水滴留在蒸汽中，當(dāng)蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器時(shí)，水滴在過(guò)熱器中汽化，鹽類(lèi)積聚在過(guò)熱器壁上形成垢，妨礙傳熱，使蒸汽溫度達(dá)不到要求，另外，由于過(guò)熱器管壁結(jié)垢使得其不能被汽流冷卻，造成管壁溫度升高，會(huì)燒壞管子。如果帶水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，其硅酸鹽又會(huì)隨著蒸汽壓力的降低附著在汽輪機(jī)的噴嘴和葉片上，影響設(shè)備的使用壽命和汽輪機(jī)的功率。
（2）如果汽包水位低，蒸發(fā)器的流量減小，一方面會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器管發(fā)生超溫破壞，另一方面也影響蒸發(fā)器內(nèi)的換熱系數(shù)。因此，汽包水位的控制非常重要，對(duì)其穩(wěn)定控制是保證鍋爐及蒸汽輪機(jī)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。\
3 鍋爐液位控制方案確定
3．1汽包水位的動(dòng)態(tài)特性分析
3.1.1 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性
給水流量對(duì)水位的影響是直接的，當(dāng)蒸汽流量和蒸汽壓力不變時(shí)，給水量增加△G，水位應(yīng)該升高，給水量與水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系用H1曲線(xiàn)表示。但是，由于給水的水溫低于汽包飽和水的溫度，所以，給水的增加使汽包內(nèi)水溫降低，水容積內(nèi)蒸汽會(huì)凝結(jié)，使水容積減小，水位降低，等到汽包凝結(jié)穩(wěn)定后汽包容積不變，水位也不變，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系用曲線(xiàn)H2表示，綜合上述因素可得到給水量變化時(shí)水位反應(yīng)曲線(xiàn)H ，見(jiàn)圖1。
圖1 給水?dāng)_動(dòng)的水位反應(yīng)曲線(xiàn)
3.1.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)特性
蒸汽流量的改變也直接影響著汽包液位的改變，當(dāng)給水量不變，而蒸汽用量突然增加時(shí)（設(shè)增加量為△D），此時(shí)水位要降低。其對(duì)應(yīng)關(guān)系用H1表示，但蒸汽用量增加時(shí)汽包壓力會(huì)減小，汽包水容積內(nèi)部的水會(huì)自蒸發(fā)成蒸汽，蒸汽比容大，占體積大使整個(gè)水容積變大，表示出水位升高，這就是所謂的“虛假水位”現(xiàn)象。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系用曲線(xiàn)H2表示，綜合上述因素可得到蒸汽量變化時(shí)水位反應(yīng)曲線(xiàn)H，見(jiàn)圖2。
圖2 蒸汽量擾動(dòng)的水位反應(yīng)曲線(xiàn)
綜合上述給水量和蒸汽量與水位的關(guān)系曲線(xiàn)，可以得出以下結(jié)論：
（1）汽包在給水流量的作用下，具有滯后性，水位不會(huì)自平衡；
（2）汽包水位在蒸汽流量作用下，不僅沒(méi)有自平衡，而且具有“虛假水位”的現(xiàn)象。
3．2鍋爐水位控制系統(tǒng)分析
在過(guò)程自動(dòng)化控制中，單回路控制通常是一種簡(jiǎn)單有效的控制措施，但是對(duì)于鍋爐液位控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于鍋爐特有的虛假水位現(xiàn)象，使得單回路控制無(wú)法滿(mǎn)足鍋爐水位的控制要求。因?yàn)檫@種控制系統(tǒng)是以汽包水位作為被調(diào)參數(shù)構(gòu)成PID控制回路，PID回路根據(jù)汽包實(shí)際水位與設(shè)定水位的偏差，輸出控制信號(hào)給調(diào)節(jié)閥，來(lái)增加水量或減少水量，直到實(shí)際水位與設(shè)定水位一致為止。但是，如果汽包水位的升高是由于蒸汽用量增加而引起的虛假升高，按照上述控制原理，回路也應(yīng)該輸出控制信號(hào)，減少給水量，而實(shí)際的要求恰恰相反，蒸汽用量的增加必然造成汽包水位的下降，應(yīng)該增加給水量來(lái)維持汽包液位的平衡。所以?xún)H僅依靠單回路控制方法無(wú)法滿(mǎn)足鍋爐水位穩(wěn)定的控制要求，特別是在負(fù)荷較大情況下其缺點(diǎn)更為突出。針對(duì)單回路控制的缺點(diǎn)，我們把直接影響鍋爐水位的蒸汽流量和給水流量引入回路控制，構(gòu)成三沖量鍋爐液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，見(jiàn)圖3，將蒸汽流量和給水流量作為前饋，當(dāng)蒸汽量增加時(shí)，先給調(diào)節(jié)器一個(gè)增加水量的信號(hào)，減少或抵消由于虛假水位引起的閥門(mén)誤動(dòng)作信號(hào)。當(dāng)給水量出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器及時(shí)反應(yīng)，因此，大大減少了水位的波動(dòng)，縮短了調(diào)節(jié)的過(guò)渡時(shí)間，提高了調(diào)節(jié)質(zhì)量。
圖3 三沖量控制原理圖
aw：水流量系數(shù)
as：汽流量系數(shù)
Fw：給水流量
Fs：蒸汽流量
4 鍋爐系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)與處理
信號(hào)檢測(cè)的可靠與準(zhǔn)確，是一切控制的基礎(chǔ)。在濟(jì)鋼鍋爐液位控制系統(tǒng)中，從硬件的配置到軟件的處理，我們都力求作到精確可靠。為鍋爐液位的穩(wěn)定控制提供可靠保證。
4．1 鍋爐液位的檢測(cè)與處理
4.1.1 雙支檢測(cè)信號(hào)處理
為了增加鍋爐液位檢測(cè)的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)兩套液位檢測(cè)裝置，兩路信號(hào)進(jìn)入PLC后，PLC程序首先判斷信號(hào)是否有效，如果兩支都有效，顯示取兩者的平均值，如果某路信號(hào)無(wú)效，此路信號(hào)將被自動(dòng)棄用。信號(hào)處理原理見(jiàn)圖4。
圖4 雙支信號(hào)檢測(cè)處理原理圖
平均液位L=（L1+L2）/2
（1） 鍋爐液位的壓力補(bǔ)償
在鍋爐運(yùn)行中鍋爐飽和水密度和飽和蒸汽密度與鍋爐汽包的壓力密切相關(guān)，這也是造成鍋爐虛假水位的根本原因，為了準(zhǔn)確的了解鍋爐的實(shí)際水位，必須對(duì)鍋爐液位進(jìn)行壓力修正。
鍋爐運(yùn)行中汽包水密度ρ1與汽包蒸汽密度ρ2的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。
圖5 汽包水密度ρ1、汽包蒸汽密度ρ2與汽包壓力的關(guān)系曲線(xiàn)
據(jù)此關(guān)系可計(jì)算出不同壓力下汽包內(nèi)水和蒸汽的密度ρ1、ρ2。
將ρ1、ρ2帶入關(guān)系式：Hw=[ΔP/ g +Hr（ρr-ρ2）]/（ρ1-ρ2）中即可得出補(bǔ)償后的液位。
注：ρr：標(biāo)準(zhǔn)水柱內(nèi)水的密度Kg/m3
ρ1：汽包水密度
ρ2：汽包蒸汽密度
Hw：汽包液位mm
Hr ：定水位高 mm
ΔP：變送器兩端差壓 Pa
4．2蒸汽流量的檢測(cè)與處理
蒸汽流量的檢測(cè)及蒸汽溫度的檢測(cè)都設(shè)置了雙支檢測(cè)，其處理方法同液位的處理方法。由于蒸汽的流量受蒸汽溫度和壓力的影響很大，需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償。軟件處理框圖見(jiàn)圖5
圖5蒸汽流量的檢測(cè)與處理框圖
5 鍋爐水位異常保護(hù)系統(tǒng)
為了保證鍋爐的安全運(yùn)行和供給滿(mǎn)足汽機(jī)要求的蒸汽，余熱鍋爐設(shè)置了水位報(bào)警和連鎖功能：
根據(jù)工藝要求，鍋爐設(shè)置了六個(gè)水位報(bào)警、連鎖點(diǎn)，高高高的值是100mm，高高的值是80mm，高值為60mm,低低低為－100mm,低低為－80mm，低為－60mm。鍋爐水位正常運(yùn)行在0水位上下，當(dāng)鍋爐水位值〈-60mm或鍋爐水位值〉60mm，PLC 監(jiān)控畫(huà)面出現(xiàn)報(bào)警信息，提醒操作工注意；當(dāng)鍋爐水位值〉80mm，鍋爐緊急放水電動(dòng)門(mén)自動(dòng)打開(kāi)放水；當(dāng)鍋爐水位值〈-100mm或鍋爐水位值〉100mm，鍋爐自動(dòng)停爐，此時(shí)鍋爐煙道三通擋板閥打到旁通側(cè)，煙氣從旁通煙道放散。
6．實(shí)際應(yīng)用中的鍋爐液位控制回路組態(tài)
在濟(jì)鋼發(fā)電項(xiàng)目中，余熱鍋爐自動(dòng)控制系統(tǒng)采用美國(guó)GE公司的90-70系列PLC，其編程組態(tài)采用CIMPLICITY自動(dòng)化工控軟件，該軟包含兩個(gè)部分：過(guò)程控制組態(tài)軟件：Openprocess和人機(jī)界面開(kāi)發(fā)軟件HMI。Openprocess采用SAMX圖組態(tài)，通過(guò)功能塊的選擇和搭建，很容易實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的控制思想。圖6是濟(jì)鋼發(fā)電廠(chǎng)鍋爐液位控制回路SAMX圖組態(tài)。
圖6 液位控制回路SAMX圖
7 結(jié)束語(yǔ)
三沖量鍋爐液位控制系統(tǒng)，在濟(jì)鋼發(fā)電廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的應(yīng)用效果，液位的波動(dòng)量一般在正負(fù)10mm內(nèi)，不僅保證了蒸汽輪機(jī)安全、穩(wěn)定生產(chǎn)的需要，而且大大減少了操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度。為濟(jì)鋼創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)